Terminale spécialité_Thème 2_SON ET MUSIQUE Instruments de musique_AE 6

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LES INSTRUMENTS ELECTRONIQUES

Les haut-parleurs produisent des ondes sonores à partir d’une bobine plongée

dans un champ magnétique. Les sons peuvent donc être produits à partir d’électricité

(de façon analogique c’est-à-dire continu ou numérique) à l’instar de la thérémine.

Datant de 1919, il s’agit d’un des plus anciens instruments de musique électronique au

monde. Il fut inventé par le russe L. Termen (connu sous le nom de Léon Theremine) et

très prisé par Lénine, ce qui contribua à sa renommée mondiale. Il est composé d’un

boîtier électronique équipé de deux antennes.

http://www.youtube.com/watch?v=XPL8u8gJL0A&hd=1 http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=pyZKNVfXDyQ#

Expliquer le principe de fonctionnement :

I. Comment un circuit électrique peut-il générer un signal à l’origine d’un son ?

L’exemple de la thérémine montre qu’un son peut être produit à l’aide d’une bobine contenu dans

l’appareil et d’un condensateur, rôle de la main. On peut alors réaliser un montage électrique équivalent avec ces

deux dipôles qui s’échangent alors l’énergie fournie par une pile.

Rq : Une bobine et un condensateur sont des dipôles

caractérisés, respectivement, par une inductance L, qui

s’exprime en henry (H) et une capacité C, qui s’exprime en

farad (F).

Repérer le commutateur K à 2 positions sur le

boîtier de l’interface d’acquisition d’Orphy. Il

permet de basculer en position (1) ou (2).

Voici le montage à réaliser :

Suivre le protocole d’utilisation d’Orphy.

1. La tension enregistrée aux bornes du condensateur est-elle périodique ? Si non, la qualifier.

2. Patrick, élève du lycée du Grésivaudan à Meylan, propose trois formules pour caractériser le signal précédent :

T = 𝑘. 𝜋. √𝐿

𝐶 T = 𝑘. 𝜋. √

𝐶

𝐿 T = 𝑘. 𝜋. √𝐿𝐶

a. Quel nom peut-on donner à T ?

b. Proposer des expériences pour éprouver les différentes formules et déterminer la bonne. Les réaliser.

c. k est un entier. Déterminer expérimentalement sa valeur.

To help … : Une bobine a une inductance L qui augmente grâce à l’introduction d’un noyau de fer doux ; des

condensateurs montés en parallèle ont des capacités qui s’additionnent.

E2

K

E1

C L

R1

E

E : pile de 4,5 V condensateur de capacité : C = 9,4 µF R1 = 5 kΩ bobine d’inductance : L = 1H

EA0 M

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Le travail précédent permet de comprendre le principe de fonctionnement des anciens synthétiseurs : les

échanges d’énergie entre les dipôles amènent une pseudo-périodicité qui induira les oscillations d’un haut-parleur

par exemple, et donc un son.

Qu’en est-il pour les signaux numériques présents dans les générateurs de sons électroniques ?

Document 1 : Quelle est la différence entre un signal analogique et numérique ?

L’analogique et le numérique sont deux procédés pour transporter et stocker des données, de type audio, photo, vidéo … L’analogique est né avec le début de l’électricité tandis que le numérique est apparu plus récemment avec l’ère de l’informatique.

Le principe de l’analogique est de reproduire le signal à enregistrer sous forme similaire sur un support (magnétique en général). Par exemple, lorsque l’on enregistre un signal audio sur un système analogique le signal présent sur la bande suivra les mêmes amplitudes (" la même courbe ") que l’onde sonore (avec plus ou moins de fidélité) : les variations de pressions caractéristiques d’une onde sonore seront traduites en variations de tension d’un signal électrique. Ainsi l’amplitude électrique du signal analogique sera à l’image du signal à enregistrer.

En numérique, le signal analogique à enregistrer est converti en numérique grâce à un convertisseur analogique-numérique (CAN). Après cette conversion, le signal n’est plus qu’une suite de bits : " 0 " et de " 1 ", c’est à dire un signal à deux amplitudes au lieu d’une infinité en analogique.

Les controverses existent sur le choix entre des supports numériques (l’information reste continue) ou analogiques (l’information est rendue discontinue, discrète). Certains mélomanes critiquent l’arrivée du son numérique depuis 1982 avec l’apparition du CD. Ils soulignent en effet la qualité et les spécificités du disque vinyle (analogique) par rapport au Compact Disc audio puisque la conversion en numérique produit une perte d’information liée à la discontinuité du signal. Cependant, les capacités de stockage en numérique reste indéniable.

II. Comment synthétiser, reproduire un son à partir d’un signal électrique ?

Nous avons déjà vu que les sons produits par des instruments sont ………………… . Le signal

électrique correspondant n’est donc pas …………………………… . Néanmoins, il est décomposable en une

………………………………………………………… .

Précédemment, nous venons de voir qu’il était possible de générer des signaux périodiques à partir de montage

électrique. En additionnant ces différents montages, l’électronicien parvient alors à reproduire fidèlement les signaux

complexes correspondant à des sons émis par des instruments. En voici le principe :

Ecouter, à l’aide du logiciel Audacity, le son guitare préenregistré.

Ecouter ensuite le son de la guitare traité numériquement avec un effet wah-wah à

l’aide des fonctionnalités du logiciel (cf barre des menus).

Tracer le spectre en fréquence des deux signaux. (Analyse → Tracer le spectre)

Représenter l’allure des spectres en fréquence sur votre compte-rendu et préciser les modifications apportées

par la pédale wah-wah.

Et pour le plaisir : Reproduire le son émis par la guitare en additionner des signaux numériques afin de générer un son complexe .

Pour produire des signaux d’une fréquence et d’une amplitude choisies, suivre le protocole suivant :

Fichier → Nouveau → Pistes → Ajouter nouvelle (son mono ou stéréo)

Générer Son (Choisir la fréquence et l’amplitude)

Pour additionner les signaux, utiliser dans Pistes la fonction Mixage et rendu. Conclure sur les sons émis par les instruments électroniques en mode guitare.

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Utilisation de l’interface Orphy

Les tensions sont enregistrées à l'aide de l'interface Orphy qui transmet à l’ordinateur les valeurs mesurées, traitées ensuite sur le logiciel Regressi®. Les branchements de l'interface suivent le même principe que ceux d'un oscilloscope : les deux points entre lesquels on veut mesurer une tension doivent être reliés, l'un à une entrée, l'autre à la référence de l'interface.

Toujours procéder de la même façon :

Réaliser le montage principal puis effectuer les branchements de l’interface Orphy en dernier.

Prendre 1 fil rouge pour EA0 et 1 fil noir pour la référence de l’interface, la borne bleue.

Mettre le boitier sous alimentation.

Ouvrir le logiciel ORPHY, GTSII, et faire les réglages suivants :

Dans la fenêtre Mode, cliquer et choisir le mode temporel axe vertical

Dans les fenêtres de Choix des voies en bas à droite (clic)

Pour la première Voie, sélectionner EA0 mesure de uc en Volts -5V à 5 V Activez

Désactiver les autres voies.

Dans la fenêtre Synchronisation (clic), choisir par front, cochez EF0 et vérifier EF0 sur le boîtier ORPHY.

Dans Balayage , Fixer une durée de 400ms.

Choisir Nombre : 400 points de mesure

Faire vérifier votre montage et vos réglages Réalisation des enregistrements : Se placer en position (1) et faire mise à zéro avec le symbole

Basculer en position (2).

Toujours refaire une mise à zéro avant basculement de E1 vers E2

Rq : En cas d’absence de réponse, choisir, dans la fenêtre Synchronisation, déclenchement au clavier et cliquer

sur Acquisition en même temps que vous basculez de E2 vers E1.

Pour le plaisir :

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CORRECTION : Les instruments électroniques

Le joueur de thérémine fait varier, sans contact (!), :

- avec sa main droite, la fréquence donc la hauteur du son (selon la distance entre la main et l’antenne verticale) ;

- avec sa main gauche, le volume donc le niveau d’intensité sonore (selon la distance entre la main et l’antenne verticale).

Le corps possède la capacité à laisser passer plus ou moins le courant. En approchant la main de l’antenne, on interfère

en modifiant le champ électrique car le corps va récupérer un peu de l’énergie de l’appareil. (Le corps joue alors le rôle de

condensateur). Selon la distance entre la main et l’antenne, la capacitance due au corps est plus ou moins grande, le montage

électrique voit donc sa capacité varié et le son présente alors une fréquence variable car dépendant de la capacité C. C’est ce que

nous mettons en évidence par la suite (il s’agit donc d’une modulation en fréquence).

I. Comment un circuit électrique peut-il générer un signal électrique périodique ?

1. On obtient une tension dont l’alternance entre les valeurs positives et négatives se fait de manière périodique. Cependant l’amplitude des oscillations diminue au cours du temps. Le signal est alors dit pseudo-périodique.

Le condensateur qui a emmagasiné de l’énergie au cours de sa charge restitue cette énergie à la bobine qui à

son tour emmagasine cette énergie et la lui restitue, et ainsi de suite charge, décharge, charge en sens opposé, décharge … On a ainsi un oscillateur électrique dont l’énergie est dissipée petit à petit à travers la résistance de la bobine par conséquent la tension aux bornes du condensateur n’est pas périodique puisque l’amplitude diminue au cours des oscillations.

AU BUREAU : Faire montage avec résistance négative (AO inverseur) pour montrer que l’on peut éviter l’amortissement du signal !!!

2. a. T s’appelle la pseudo-période.

b. Les 3 formules proposées se différencient selon les grandeurs L et C qui sont soit au numérateur soit au

dénominateur. Pour étudier leur influence :

- on fixe tous les paramètres ;

- puis, on fait varier, par exemple, la capacité C du condensateur en l’augmentant. Si la pseudo-

période T augmente alors C apparaît au numérateur dans la formule reliant les deux grandeurs. Si T diminue

alors C est au dénominateur ;

- on procède de la même façon avec l’inductance L de la bobine en laissant tous les autres

paramètres dont C constants.

Rq : Pour déterminer la pseudo-période T avec précision, on note le temps correspondant à 10.T sur la courbe obtenue à l’aide du logiciel Orphy.

=> Expérimentalement, on note que T augmente si L augmente et si C augmente aussi.

La bonne relation est donc : T = 𝒌. 𝝅. √𝑳𝑪

c. Dans le montage initial, on trouve : 10.T = 230 ms. On peut alors en déduire k :

k = T / (𝜋. √𝐿𝐶) = 23.10-3 / (𝜋 √1 9,4.10−6 ) = 2 (Attention aux unités & k entier)

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II. Comment synthétiser, reproduire un son à partir d’un signal électrique ?

Nous avons déjà vu que les sons produits par des instruments sont complexes. Le signal électrique

correspondant n’est donc pas sinusoïdal. Néanmoins, il est décomposable en une somme de signaux sinusoïdaux (tous

les signaux aussi complexes soient-ils sont décomposables en somme de signaux pure).

Voici les deux spectres obtenus : Choisir une « taille » de 8096 ou plus permet de mieux visualiser les pics de

chaque harmonique dont on repère les fréquences en déplaçant la souris sur le pic et

en lisant la valeur « Crête » en hertz. Que modifie la pédale wah-wah ?

Les mêmes harmoniques demeurent sur les deux spectres en fréquences et notamment le fondamental. La hauteur (= la fréquence) du son ne varie donc pas.

Cependant, les différents harmoniques présentent des amplitudes relatives qui varient. Le timbre du son varie donc ! On parle alors de distorsion du son.

Addition de signaux numériques

Ci-contre sont ajoutés trois sons de fréquence 440 Hz, 880 Hz et 1320Hz avec des amplitudes différentes. Cela met en évidence que l’électronique permet de reconstituer le timbre d’un instrument comme la guitare (son complexe) en additionnant plusieurs signaux sinusoïdaux (son pur). Il s’agit juste d’un travail de programmation sur lequel repose les instruments électroniques comme les synthétiseurs qui, comme leur nom l’indique, synthétise des sons complexes à l’aide de sons purs.

Exo bonus : Guitare électrique et distorsion

a. 2.T = 3,6 ms => f = 1 / T = 1 / (3,6.10-3/2) = 5,6.102 Hz

Le spectre correspondant possède plusieurs fréquences (appelées harmoniques) car le son n’est pas pur car non sinusoïdal.

b. Les deux sons présentent des signaux de même période (ce que confirme le spectre en fréquence puisque les deux signaux présentent le même fondamentale). Les deux sons possèdent donc la même fréquence fondamentale, il s’agit donc de la même note jouée, qu’elle soit avec ou sans distorsion.

c. Les deux notes possèdent la même hauteur mais des timbres différents car elles possèdent la même fréquence fondamentale mais les amplitudes relatives des différents harmoniques ne sont pas identiques.

d. D’après le premier graphique avec les courbes u = f(t), le niveau sonore avec distorsion augmente car l’amplitude passe de umax sans distorsion ≈ + 6 mV à umax avec distorsion ≈ + 8 mV soit environ 25 % d’augmentation.

Spectre de la guitare sans effet

Spectre de la guitare avec effet wah-wah