Le synthétiseur de fréquences permet de réaliser des expériences scientifiques passionnantes grâce à ses trois voix programmables avec des fréquences de 200 à 10 000 hertz. Nous proposons ici 6 expériences simples et rapides à effectuer pour étudier les ondes sonores avec son smartphone ou une tablette :
Table des matières
Qu'est-ce qu'un synthétiseur de fréquence ? - Créer un battement acoustique - Générer un anti-son - Synthétiser le timbre d'une flûte - Réaliser un audiogramme - Se protéger des sons trop forts - Mesurer la vitesse du son
Qu'est-ce qu'un synthétiseur de fréquence ?
Un synthétiseur de fréquence, aussi appelé générateur de fréquence, ou générateur de tonalité, est un appareil électronique ou un logiciel qui produit des tonalités audio à différentes fréquences et amplitudes. Il est utilisé à diverses fins, telles que la production musicale, l'ingénierie du son, la recherche scientifique, ainsi que les tests et l'étalonnage d'équipements audio.
Les synthétiseurs de fréquence peuvent produire des ondes sinusoïdales, des ondes carrées, des ondes triangulaires, des ondes en dents de scie et d'autres formes d'onde. La fréquence et l'amplitude des tonalités générées peuvent être ajustées pour répondre aux exigences spécifiques de l'application. Certains générateurs de sons offrent la possibilité de mixer plusieurs pistes pour créer des sons complexes.
Autrefois les générateurs de fréquences étaient des machines encombrantes utilisées dans les laboratoires, mais avec l'arrivée des ordinateurs puis des téléphones portables, les générateurs de sons sont maintenant disponibles dans n'importe quel équipement numérique. Ils peuvent maintenant être utilisés sur le terrain, en classe et surtout, ils sont gratuits !
Quels sont les meilleurs générateurs de sons ? Eh bien, cela dépend vraiment de ce que vous avez l'intention d'en faire et de l'endroit où vous vous trouvez. Il existe trois types de générateurs de tonalité :
les générateurs en ligne (tapez dans Google "Générateur de tonalité en ligne") - l'avantage est qu'il est facilement accessible depuis n'importe quel appareil mais il a besoin d'un accès à Internet,
les synthétiseurs d'applications scientifiques (FizziQ, Frequency and Sweep generator, Audizr, Phyphox) - ne nécessitent pas d'accès internet, gratuites et peuvent être couplées à des mesures,
les synthétiseurs de musique (Ableton, Studio one) - très puissants mais nécessitant une expertise de musicien et sont généralement des logiciels coûteux
les émetteurs de laboratoires comme les émetteurs à ultrasons pour faire des expériences sur la vitesse du son
Dans les sections suivantes, nous suggérerons un certain nombre d'expériences pouvant être réalisées à l'aide d'un générateur de sons pour mieux comprendre le son et les ondes sonores. Nous avons utilisé l'application gratuite FizziQ pour mener ces expériences.
Créer un battement acoustique
Un effet sonore souvent utilisé en musique électronique est l'effet LFO, aussi appelé battement sonore. Dans cet effet, le volume sonore d'un son augmente et diminue périodiquement, comme une sirène. On peut reproduire cet effet très simplement avec le synthétiseur.
Comment réaliser cette expérience
Ouvrez le synthétiseur dans l'onglet Outils de l'application FizziQ. Ajouter une deuxième voix. Régler la première voix sur 600 hertz et la deuxième voix sur 602 hertz. On entend alors nettement la pulsation qui résulte de l’interférence périodique des deux sons. Changer la deuxième fréquence sur 605 hertz, le battement devient très rapide. Augmentez l'écart à 620 hertz et le battement devient inaudible.
Pour en savoir plus sur l'effet LFO, vous pouvez télécharger l'activité "Flume" sur les battements acoustiques, ou visionner la vidéo que nous avons réalisée sur le sujet.
Générer un "anti-son"
On parle beaucoup d'anti-matière ... alors pourquoi ne pas générer un anti-son ? C'est sur ce principe que fonctionnent les casques audio qui suppriment les bruits de fond. Dans cette expérience nous montrons comment annuler un son.
Comment réaliser cette expérience
Ouvrir le Synthétiseur dans l'onglet Outils de l'application FizziQ. Ajouter une deuxième voix. Régler la première voix sur 600 hertz et la deuxième sur 600 hertz également, et les deux volumes sur 50%. A présent jouer ce son, on entend un son pur. Utiliser le bouton de déphasage pour décaler la deuxième voix par rapport à la première. On constate que plus on décale ce bouton vers le milieu et plus le son s'atténue. Quand le bouton est au milieu, c'est-à-dire quand la deuxième voix est déphasée d'une demi-période par rapport à la première, le son disparaît complètement.
Quand on décale la deuxième voix d'une demi-période, l'onde sonore de la deuxième voix est l'exacte opposée de la première voix et quand les deux sons sont joués en même temps, ils s'annulent. C'est le même principe qui est utilisé dans les casque antibruit : les sons répétitifs ambiants sont enregistrés, puis ils sont rejoués avec un déphasage qui permet de les supprimer pour l'utilisateur.
Pour en savoir plus sur l'annulation d'ondes sonores, on pourra télécharger l'activité "Une bulle sans bruits" sur la technologie des casques a suppression de bruits active.
Synthétiser un son complexe comme celui d'une flûte ou d'un hautbois
On parle souvent du timbre d'un instrument, mais que veut-on dire par là ? Un son pur est une onde sonore de fréquence unique. Si on ajoute à cette onde une autre onde sonore dont la fréquence est un multiple de cette première onde, on a alors un son beaucoup plus agréable à l'oreille, plus riche. C'est ce que l'on appelle le timbre.
Comment réaliser cette expérience
Essayons de recréer le son d'une flûte. Dans la bibliothèque de sons, on choisit le son de la flûte et on écoute le son. La note jouée a une fréquence de 880 hertz. Prenons le synthétiseur et jouons un son pur de cette fréquence. En comparant les deux sons, celui de la flûte et celui du synthétiseur, on entend bien que ces sons ne sonnent pas pareil. En ajoutant d'autres voix au synthétiseur, nous allons essayer de recréer le son exact de la flûte. Ajouter deux voix au son du synthétiseur, et réglons les trois voix sur 880 hertz, 1760 hertz et 2600 hertz. On ajustera ensuite le volume de chaque voix pour essayer d'obtenir le son le plus proche de celui de la flûte. Quel résultat obtient-on ? Le son est-il très sensible aux volumes sélectionnés ? Peut-on vérifier le résultat en analysant le spectre de fréquence du son de la flûte ?
Les harmoniques sont créées par les résonances internes à l'instrument de musique, soit par le mécanisme de production du son, soit par la caisse de résonance. En s'ajoutant à la fréquence fondamentale, elles viennent enrichir le son de l'instrument et lui donner un timbre particulier et agréable à l'oreille. On peut analyser les harmoniques d'un instrument particulier en utilisant le Spectre de Fréquence, instrument de mesure de FizziQ. Combien de voix seraient-ils nécessaire au synthétiseur pour reproduire le son du hautbois de la bibliothèque de la bibliothèque de sons ? Pourquoi ne pas utiliser plusieurs portables pour le reproduire plus précisément ?
Réaliser audiogramme
À partir de 60 ans, la sensibilité de notre audition diminue fortement largement dans les sons aigus. Une expérience consiste à demander à une personne de 60 ans à réaliser un audiogramme avec un téléphone portable. Un audiogramme est une analyse de l'audition faite chez un spécialiste et dont l'objectif est de tester la qualité de l'audition à différentes fréquences.
Attention, ne jamais mettre un haut-parleur proche de l'oreille de quelqu'un ou ne pas soumettre une personne à un volume sonore trop important, car cela risquerait d'entraîner des dommages irréversibles au système auditif.
Comment réaliser cette expérience
Pour tester l'audition, nous allons créer des battements sonores à diverses fréquences puis nous noterons le volume auquel cette personne a entendu le son. Nous utilisons les battements, car cela permet de discerner le son avec le phénomène de pulsation. On place le portable sur une table à 1 m environ de la personne.
Tout d'abord créons un battement à 1000 hertz en créant deux voix sur le synthétiseur, une a 1000 hertz et l'autre à 1001 hertz. On met le volume au minimum puis on augmente progressivement le volume du smartphone jusqu'à ce que la personne entende le son. On note le niveau de volume dans un tableau du cahier d'expérience puis on opère ainsi pour 2000, 4000, 6000 et 8000 hertz. En entrant les données dans un tableau on crée l'audiogramme.
Comparez maintenant cet audiogramme à votre propre audiogramme. Attention, pour pouvoir comparer ces deux audiogrammes il faut qu'ils soient faits dans les mêmes conditions avec le smartphone placé à la même distance du sujet.
Mesurer l'atténuation du son en fonction de la distance
Emma est à un concert et se trouve à 2 mètres d'une enceinte. Elle mesure le niveau sonore qui est de 105 db. Avec cette puissance, elle ne peut rester à cet endroit sans avoir des risques de séquelles pour son audition. A quelle distance doit-elle se placer de l'enceinte pour que le son soit de 90 db et qu'elle puisse suivre tout le concert sans risque ?
Comment réaliser cette expérience ?
Nous pouvons facilement faire l'expérience à taille réduite avec notre smartphone. On aura a besoin de deux smartphones sur lesquels sont installés FizziQ et d'une règle. Un des smartphones servira à mesurer le niveau sonore, l'autre à émettre un son stable avec le synthétiseur. Nous allons d'abord localiser sur l'appareil qui mesure où se trouve le microphone. Sur l'appareil récepteur, dans l'onglet Mesures, nous sélectionnons le Niveau Sonore, et sur l'appareil émetteur, dans l'onglet Outils, nous sélectionnons le Synthétiseur, réglé sur 1000 hertz. À l'aide de l'appareil émetteur, on recherche la localisation du micro en détectant l'intensité sonore maximum. Faisons à présent l'expérience. Sur un tapis, une moquette ou mieux un isolant phonique, on place les deux appareils l'un face à l'autre, avec le haut-parleur de l'émetteur exactement en face du micro du récepteur. On lance le synthétiseur avec un volume suffisamment fort, et on éloigne l'émetteur à une distance telle que le volume sonore soit de 105 db. On mesure la distance entre les deux smatrtphones. A présent on éloigne l'émetteur pour que le volume soit de 90 db. Quelle est cette nouvelle distance ? Quel est le rapport de ces distances ? A quelle distance devra se placer Emma de l'enceinte ? La théorie nous montre que quand on double la distance le niveau sonore est réduit de 6 décibels, l'expérience confirme-t-elle ce calcul ?
Les sons forts sont un danger pour notre audition et malheureusement les dommages sont irréversibles. Prenons-en soin ! Pour en savoir plus sur le son et ses dangers, vous pouvez réaliser cette activité : "Chloé au concert".
6. Mesurer la vitesse du son
Il y a plusieurs méthodes pour calculer la vitesse du son en utilisant un portable. Nous allons ici réaliser une expérience originale pour calculer cette vitesse en utilisant le synthétiseur de fréquence. On réalise cette expérience avec un appareil Android qui permet d'émettre un son et simultanément d'analyser le niveau sonore.
Comment réaliser cette expérience ?
Pour cette expérience on aura besoin d'un livre épais, d'une règle, et d'un petit livre format poche avec une couverture réfléchissante. Sur un tapis ou une moquette, ou mieux un isolant sonore, on place le portable sur un livre posé à plat pour qu'il soit un peu en hauteur. Puis on émet un son de fréquence 680 hertz avec le synthétiseur de l'onglet Outils et simultanément on analyse l'Amplitude du signal avec l'Oscillogramme de l'onglet Mesure.
On place le livre de poche verticalement en face du smartphone, puis on l'écarte jusqu'à ce que la mesure de l'amplitude soit la plus basse possible. On mesure alors la distance entre le smartphone et le livre. Cette mesure nous permet de calculer la vitesse du son par la formule : vitesse du son = fréquence*4*distance(cm)/100
Pourquoi cette expérience nous permet-elle de calculer la vitesse du son ? Le niveau sonore au niveau du micro est la somme de l'onde sonore venant du haut-parleur et de l'onde réfléchie par le livre. L'intensité de cette deuxième onde est faible mais suffisante pour créer une petite variation du volume au niveau du micro par interférence avec l'onde principale. Quand on place le livre au quart de la longueur d'onde, l'onde réfléchie est déphasée d'une demi-période par rapport à l'onde émise, et donc réduit l'intensité de cette onde au niveau du micro, proche du haut-parleur.
Cette expérience conduit en général à une surestimation de la vitesse du son. En effet, nous avons supposé que le micro et le haut parleur étaient au même endroit. En pratique ils peuvent être écartés de quelques centimètres. D'autre part, le micro lui-même n'est pas placé à la surface du smartphone, à partir d'où nous prenons les mesures. Le calcul de la vitesse est moins précis que d'autres méthodes mais les concepts abordés par cette expériences ouvrent des voies pédagogiques intéressantes !
Pour en savoir plus sur le calcul de la vitesse du son, vous pouvez consulter notre vidéo dédiée à ce sujet.
Conclusions
Le synthétiseur permet de réaliser de nombreuses expériences tout à fait intéressantes, à réaliser en classe dans le cadre d'une séance de TP, ou à la maison pour en savoir plus sur les sciences et l'acoustique. Les trois voix du synthétiseur de FizziQ offrent en outre de nouvelles possibilités pour l'expérimentation.