Cinq expériences à réaliser avec le spectrogramme de FizziQ Web

Le spectrogramme est un outil d'analyse sonore qui permet de visualiser simultanément les fréquences présentes dans un son et leur évolution au cours du temps. Longtemps réservé aux laboratoires de recherche, il est aujourd'hui accessible directement depuis un navigateur web grâce à FizziQ Web. Cet article présente cinq activités concrètes que les enseignants de physique-chimie peuvent proposer à leurs élèves au collège et au lycée, en lien avec les notions de fréquence, de spectre sonore et de propagation des ondes au programme.

Qu'est-ce qu'un spectrogramme ?

Un son est une vibration mécanique qui se propage dans l'air sous forme d'onde. Cette onde peut être décrite par sa fréquence, son amplitude et sa forme. Pour des sons simples comme un son pur, une représentation de la pression en fonction du temps suffit. Mais pour des sons complexes comme la voix, un instrument de musique ou un chant d'oiseau, cette représentation devient rapidement illisible car de nombreuses fréquences sont présentes simultanément.

Le spectrogramme répond à ce problème en représentant le son en trois dimensions : le temps sur l'axe horizontal, les fréquences sur l'axe vertical, et l'intensité de chaque fréquence représentée par une couleur. Une couleur chaude ou intense indique une fréquence fortement présente dans le son à un instant donné. Une couleur froide ou absente indique que cette fréquence n'est pas présente.

Le spectrogramme est calculé à partir de la transformée de Fourier à court terme. Le signal sonore est découpé en fenêtres temporelles très courtes, de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes, et pour chacune d'elles on calcule le spectre de fréquences par transformée de Fourier. L'ensemble de ces spectres mis bout à bout forme le spectrogramme. Ce calcul, autrefois très coûteux en temps de calcul, est aujourd'hui réalisé en temps réel par les processeurs des smartphones et des ordinateurs modernes.

Utiliser le spectrogramme dans FizziQ Web

FizziQ Web est accessible depuis n'importe quel navigateur à l'adresse fizziqweb.web.app, sans installation, sur ordinateur ou tablette. L'application propose un module d'analyse audio complet qui inclut la visualisation des ondes sonores, le calcul de la fréquence fondamentale et le spectrogramme, qui est l'outil que nous allons utiliser dans cet article.

Pour accéder au spectrogramme, ouvrir le module Analyse Audio, puis sélectionner une source sonore : on peut importer un fichier audio au format mp3 ou wav, enregistrer un son directement depuis le microphone, ou utiliser un des fichiers de la bibliothèque de sons intégrée à FizziQ Web, qui propose plus d'une trentaine de sons différents utilisables directement en classe. Une fois la source ouverte, plusieurs types d'analyse sont disponibles : amplitude, fréquence fondamentale, et spectrogramme. En sélectionnant Spectrogramme, le graphique s'affiche avec le temps en abscisse, les fréquences en ordonnée, et l'intensité de chaque fréquence représentée par une couleur.

La fonctionnalité d'import de fichiers audio est particulièrement utile en classe : l'enseignant peut préparer les enregistrements à l'avance, les partager avec les élèves, et chaque groupe travaille sur les mêmes données. Cela évite les problèmes liés au bruit ambiant et garantit la reproductibilité des résultats.

Plusieurs paramètres peuvent être ajustés selon le type de son analysé. La plage de fréquences affichée peut être modifiée avec le bouton Echelle : une plage de 0 à 4000 Hz est adaptée à l'analyse de la voix humaine, tandis qu'une plage allant jusqu'à 8000 ou 10 000 Hz sera nécessaire pour analyser le chant de certains oiseaux. Le bouton Fenêtre permet de modifier l'échelle temporelle sur laquelle on étudie le signal, et l'échelle verticale peut également être ajustée pour se concentrer sur une plage de fréquences particulière. Finalement le bouton Sensibilité permet d'ajuster la sensibilité lors de l'affichage de la couleur.

Une fois le spectrogramme affiché, on peut cliquer directement sur le graphique pour lire la fréquence et l'intensité en un point donné. Les données peuvent ensuite être exportées vers le cahier d'expérience, qui peut contenir un nombre illimité de mesures et de représentations du spectrogramme. Les exportations sont possibles sous forme d'image, pour conserver une capture du spectrogramme, ou sous forme de tableau avec les intensités associées à chaque fréquence du spectre. Une fois dans le cahier d'expérience, les données peuvent être étudiées, analysées, organisées et partagées, ce qui en fait un outil central pour la restitution et le débriefing en classe.

Le chant des oiseaux

Le chant des oiseaux est l'une des applications les plus accessibles et les plus visuellement parlantes du spectrogramme. Chaque espèce produit un chant qui lui est propre, composé de séquences sonores répétées avec une remarquable régularité. Sur le spectrogramme, ces séquences apparaissent comme des motifs visuels caractéristiques qui se répètent à intervalles réguliers, formant une véritable signature acoustique de l'espèce. C'est précisément ce principe que les applications de reconnaissance d'oiseaux comme Merlin ou BirdNET utilisent : en analysant les fréquences et la structure temporelle du chant, un algorithme peut identifier l'espèce avec une fiabilité remarquable, de la même façon qu'un lecteur de code-barres reconnaît un produit.

Pour réaliser cette activité, les élèves peuvent se procurer des enregistrements de deux façons. La première consiste à enregistrer directement un oiseau dans la nature avec le microphone d'un smartphone, ce qui présente l'avantage de rendre l'activité concrète et de connecter l'expérience au terrain. La seconde consiste à télécharger un enregistrement depuis un site spécialisé. Le site chant-oiseaux.fr propose par exemple des enregistrements de très bonne qualité pour de nombreuses espèces communes, comme le rossignol philomèle dont le chant est disponible à l'adresse chant-oiseaux.fr/rossignol-philomele. Le site Xeno-Canto (xeno-canto.org) est une autre ressource de référence, avec plusieurs centaines de milliers d'enregistrements disponibles sous licence Creative Commons, donc utilisables librement en contexte scolaire.

Une fois le fichier audio importé dans FizziQ Web, les élèves ouvrent le module Analyse Audio et sélectionnent le Spectrogramme. On pourra ajuster la plage de fréquences avec le bouton Echelle,

certaines espèces produisent des sons très aigus qui dépassent la plage vocale humaine. Le rossignol, par exemple, utilise une gamme de fréquences allant approximativement de 1000 à 8000 Hz, avec des modulations très rapides qui produisent sur le spectrogramme des motifs en courbes et en arabesques caractéristiques. On peut également ajuster la sensibilité de la détection avec le bouton Sensibilité.

Spectrogramme du chant du rossignol

L'activité demande aux élèves d'analyser le spectrogramme de façon méthodique. Ils identifient d'abord les différentes séquences du chant, c'est-à-dire les groupes de sons séparés par des silences, et mesurent leur durée. Ils observent ensuite si certaines séquences se répètent, et avec quelle périodicité. Ils mesurent les fréquences minimale et maximale utilisées par l'oiseau, et décrivent la forme des motifs : une fréquence qui monte, qui descend, qui oscille rapidement, ou qui reste stable. L'ensemble de ces paramètres, fréquences utilisées, durée des séquences, nombre de répétitions, structure interne des motifs, constitue ce que l'on peut appeler la signature spectrale du chant de l'espèce.

Pour aller plus loin, on peut proposer aux élèves de comparer le spectrogramme de deux espèces différentes, par exemple le rossignol et la mésange charbonnière, dont le chant est au contraire très simple et répétitif, composé de deux ou trois notes seulement. La différence visuelle entre les deux spectrogrammes est immédiate et permet de comprendre intuitivement pourquoi un algorithme peut distinguer les deux espèces sans ambiguïté.

Cette activité s'inscrit dans la partie ondes et signaux du programme de seconde, autour des notions de fréquence, de spectre et de périodicité d'un signal. Elle présente également un lien naturel avec les sciences de la vie et de la Terre, et peut être proposée en activité interdisciplinaire. Elle a enfin l'avantage de ne nécessiter aucun matériel particulier au-delà d'un ordinateur avec un navigateur, et de pouvoir être réalisée entièrement en classe à partir de fichiers audio préparés à l'avance par l'enseignant.

Expérience 2 : l'effet Doppler

Nous avons décrit dans un autre article les nombreuses expériences que l'on peut réaliser sur l'effet Doppler avec FizziQ. Le spectrogramme apporte ici une dimension visuelle qui complète avantageusement la simple mesure de fréquence et qui rend le phénomène immédiatement compréhensible pour les élèves.

Lorsqu'une source sonore en mouvement passe devant un observateur, le spectrogramme montre clairement la variation de fréquence : une ligne horizontale dont la hauteur diminue progressivement lorsque la source s'éloigne, avec une transition nette au moment du passage. Cette visualisation illustre directement le lien entre le mouvement de la source et le décalage de fréquence perçu, bien plus efficacement qu'une courbe de fréquence en fonction du temps.

Pour réaliser cette expérience, on fixe une enceinte connectée émettant un son pur, par exemple à 1000 Hz généré par le synthétiseur de FizziQ, sur un vélo ou on la tient à la main lors d'un passage rapide et on enregistre la séquence avec un smartphone. L'enregistrement peut ensuite être analysé en classe. On peut également utiliser le son "Effet Doppler" de la bibliothèque de sons de l'application FizziQ Web.

Sur le spectrogramme, les élèves mesurent la fréquence avant le passage et après le passage. En appliquant la formule de l'effet Doppler, Δf = f × Vmobile / Vonde, ils peuvent calculer la vitesse du mobile. Cette vitesse peut être comparée à une mesure GPS réalisée simultanément avec le mode Duo de FizziQ, ce qui permet de valider les résultats expérimentaux.

Effet Doppler - source FizziQ Web

Cette activité s'inscrit dans la partie ondes et signaux du programme de seconde, et permet d'aborder de façon expérimentale la dépendance entre la fréquence perçue et le mouvement relatif de la source et de l'observateur.

Expérience 3 : voyelles, formants et harmoniques

Lorsqu'on prononce une voyelle, deux mécanismes acoustiques entrent en jeu simultanément. Les cordes vocales vibrent et produisent un son riche en harmoniques, qui constitue la source sonore brute. Ce son traverse ensuite les cavités de la bouche, du pharynx et du nez, qui agissent comme des filtres acoustiques en amplifiant certaines fréquences et en en atténuant d'autres. Ces zones d'amplification caractéristiques s'appellent les formants, et c'est précisément la position des formants qui permet à notre oreille de distinguer les voyelles les unes des autres, indépendamment de la hauteur de la voix ou du locuteur.

Le spectrogramme est l'outil idéal pour visualiser ces formants. Pour chaque voyelle tenue, on observe sur le spectrogramme une fréquence fondamentale, qui correspond à la vibration des cordes vocales, accompagnée de bandes horizontales plus intenses à certaines fréquences : ce sont les formants. La voyelle "i" présente typiquement un pic autour de 250 à 300 Hz. La voyelle "o" au contraire présente deux harmoniques rapprochés, autour de 200 Hz et 400 Hz. La voyelle "a" montre un grand nombre d'harmoniques, signe de la résonance du son dans la cavité bucales, nasale et la poitrine.

Pour mener cette activité en classe, chaque élève enregistre sa voix directement dans FizziQ Web en prononçant successivement les voyelles A, E, I, O, U tenues pendant deux à trois secondes chacune. On peut également utiliser des enregistrements préparés à l'avance par l'enseignant pour garantir une meilleure qualité sonore. Pour cette analyse, une plage de fréquences de 0 à 4000 Hz est suffisante. Il est conseillé de régler l'échelle verticale pour bien distinguer les harmoniques, et d'utiliser le bouton Fenêtre pour zoomer sur une portion du signal et identifier les formants avec précision.

Spectrogramme pour les voyelles "i", "o" et "a"

Les élèves comparent ensuite les spectrogrammes de chaque voyelle et relèvent la position des deux premiers formants. Ils peuvent construire un tableau récapitulatif avec les fréquences mesurées pour chaque voyelle, et constater que ces valeurs sont relativement stables d'un élève à l'autre malgré des voix très différentes. C'est un résultat fort pédagogiquement : il montre que c'est la forme du conduit vocal, et non la hauteur de la voix, qui détermine la voyelle perçue.

Une observation supplémentaire intéressante concerne la richesse harmonique des voyelles. Les voyelles "i" et "e", dont le second formant est très élevé, amplifient davantage les composantes hautes fréquences du spectre et produisent un spectrogramme visuellement plus dense que les voyelles "o" et "u". C'est pour cette raison que ces voyelles portent mieux dans le chant, un phénomène que les chanteurs exploitent de façon intuitive en adaptant la forme de leur cavité buccale selon les exigences de la projection vocale.

Cette activité est décrite en détail dans la fiche pédagogique disponible sur https://www.fizziq.org/team/les-voyelles, téléchargeable également depuis le catalogue d'activités de l'application FizziQ. Elle s'inscrit dans le programme de seconde autour des notions de spectre sonore, de fréquence et de timbre, et ouvre naturellement sur une discussion interdisciplinaire avec les sciences du langage et la phonétique.

Expérience 4 : les instruments de musique

Le spectrogramme permet de comprendre de façon visuelle pourquoi une même note jouée par deux instruments différents produit des sons que l'on reconnaît immédiatement comme distincts, alors que la fréquence de la note est identique. Cette propriété, appelée timbre, est directement liée à la distribution des harmoniques dans le spectre sonore.

Lorsqu'un instrument joue une note, il produit une fréquence fondamentale accompagnée de ses harmoniques, mais l'intensité relative de ces harmoniques varie d'un instrument à l'autre. Une flûte produit un son relativement pur, avec peu d'harmoniques intenses. Une guitare présente un spectre harmonique riche qui s'atténue progressivement avec le temps. Un violon produit un spectre également riche mais avec une distribution des harmoniques très différente, et avec une attaque caractéristique visible sur le spectrogramme.

Pour trouver des enregistrements d'instruments, le site Freesound.org propose des milliers de fichiers audio sous licence Creative Commons. Il est conseillé de filtrer les résultats sur les licences CC0 ou CC BY pour un usage en classe sans contrainte. On peut également utiliser des sites comme la bibliothèque sonore de l'Université de Iowa (theremin.music.uiowa.edu) qui propose des enregistrements de haute qualité de notes isolées jouées par de nombreux instruments.

Les élèves comparent les spectrogrammes de la même note jouée par différents instruments, identifient la fréquence fondamentale, comptent les harmoniques visibles, et observent les différences dans la distribution des intensités. Ils peuvent également observer l'évolution temporelle du son, en notant par exemple que les harmoniques aigus d'une corde pincée s'atténuent plus rapidement que les harmoniques graves.

Cette activité est directement en lien avec le programme de seconde sur les ondes sonores et la notion de spectre, et permet une approche concrète de la décomposition d'un son en fréquences.

Expérience 5 : l'effet Shepard

L'effet Shepard est une illusion acoustique imaginée dans les années 1960 par le psychologue Roger Shepard et prolongée par le chercheur en informatique musicale Jean-Claude Risset. Le son donne l'impression de monter indéfiniment, sans jamais atteindre de sommet, un peu à la façon dont l'escalier de Penrose semble monter sans fin visuellement. Le spectrogramme est l'outil idéal pour comprendre le mécanisme de cette illusion, que la seule écoute ne permet pas de percevoir.

L'illusion est créée en superposant plusieurs sons purs espacés d'une octave et en les faisant monter ensemble. Au fur et à mesure de cette montée, les composantes les plus aiguës s'atténuent progressivement et disparaissent, tandis que de nouvelles composantes graves apparaissent discrètement en bas du spectre. Notre cerveau, qui se concentre sur les fréquences intermédiaires auxquelles l'oreille est la plus sensible, perçoit une montée continue sans jamais détecter le moment où la séquence boucle.

Le son de l'effet Shepard est disponible directement dans FizziQ depuis le menu Outils, rubrique Bibliothèque de sons. On l'importe ensuite dans FizziQ Web pour l'analyser avec le spectrogramme. Ce que l'on observe est immédiatement parlant : on voit apparaître plusieurs lignes obliques qui montent en parallèle, s'atténuent en haut du spectre et réapparaissent en bas, dans un fondu enchaîné parfaitement réglé. La mécanique de l'illusion, invisible à l'oreille, devient entièrement lisible sur le spectrogramme.

Pour compléter l'analyse, on peut afficher la fréquence fondamentale du son en parallèle du spectrogramme. On observe alors que la fréquence ne monte pas indéfiniment : elle monte régulièrement jusqu'à environ 650 Hz, puis chute brusquement avant de recommencer le cycle. C'est la preuve que le son boucle, alors même que notre perception ne détecte aucune discontinuité.

Cette activité est particulièrement efficace pour introduire la notion de spectre sonore et de composition harmonique d'un son, dans la mesure où elle montre de façon très concrète que ce que nous percevons n'est pas toujours le reflet fidèle de la réalité physique du signal. Elle peut aussi ouvrir une discussion plus large sur la psychoacoustique et sur les limites de notre système auditif. Pour une description complète de l'effet Shepard et des activités complémentaires, nous renvoyons à l'article dédié : https://www.fizziq.org/post/l-effet-shepard-une-illusion-sonore-à-explorer-avec-fizziq.

Conclusion

Le spectrogramme de FizziQ Web est un outil polyvalent qui permet d'aborder de nombreuses notions du programme de seconde de façon expérimentale et visuelle. Qu'il s'agisse d'analyser le chant des oiseaux, de visualiser l'effet Doppler, de comprendre la structure de la voix humaine, de comparer les timbres des instruments ou d'explorer les sons de l'environnement, le spectrogramme rend visibles des phénomènes qui restent abstraits lorsqu'ils sont abordés uniquement par le calcul ou la description théorique.

L'un des avantages majeurs de FizziQ Web est la possibilité de travailler sur des fichiers audio importés, ce qui permet à l'enseignant de préparer des activités reproductibles et indépendantes des conditions sonores de la salle de classe. Les ressources disponibles sur chant-oiseaux.fr/ ou xeno-canto.org/ pour le chant des oiseaux et la bibliothèque de sons de l'application FizziQ pour les effets Doppler ou l'effet Shepard permettent une analyse facile en classe ou à la maison, et même sur le terrain.