PIERRET Geoffroy TS2 SIMON Bastien TS1 TAULET Vincent TS2
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PIERRET Geoffroy TS2 SIMON Bastien TS1 TAULET Vincent TS2 TPE La guitare électrique : Fonctionnement, acquisition du son et transformations Introduction : Le son produit par un amplificateur de guitare électrique n'a pas un rapport direct avec le son émis par les cordes ; une vibration est captée, puis subit maintes transformations avant que l'on aboutisse au son final dégagé par l'amplificateur. Sans phénomène acoustique, comment est-il possible que la guitare électrique produise un son ? Au cours de cet exposé, nous verrons comment, à partir d'une simple corde que l'on fait vibrer, on peut obtenir une grande variété d'ondes différentes qui seront captées à l'aide de micros spécifiques, puis transformées électriquement avant de sortir par les haut-parleurs pour donner le son que l'on a l'habitude d'entendre. Problématique : Sans phénomène acoustique, comment est-il possible que la guitare électrique produise un son ? Plan : I. Le fonctionnement d'une guitare électrique: 1) Les cordes: a) Les fréquences: b) Le calcul de la longueur des cases: 2) Le passage d'un phénomène magnétique à une tension électrique se fait grâce aux micros: II. La métamorphose et la sortie du son capté par les micros: 1) Un effet très répandu: la distorsion: a) L'amplification de la tension: b) L'écrêtage: c) La distorsion peut être simulée virtuellement 2) L'ampli 3) Le fonctionnement d'un haut-parleurI. Le fonctionnement d'une guitare électrique : 1) Les cordes : a) Les fréquences : La note de référence est appelée « diapason » et fait référence au « la », dont une des fréquences est 440 Hertz (cette fréquence est celle du la 3). A la même note correspondent en effet plusieurs fréquences, dont l'une est toujours le double de sa précédente; par exemple le la3 joué une octave au-dessus a une fréquence de 880 Hz. Les deux sont séparées par ce que l'on appelle une octave. ... SOL LA SI DO RÉ MI FA SOL LA SI ... La partie soulignée correspond à la gamme de la mineur, et contient 8 notes séparant les deux notes à l'octave (en comptant celles-ci). Du premier au deuxième la, la fréquence à doublé. Dans le tableau ci-dessous sont présentées quelques notes et leur fréquence : Note mi fa fa# sol sol la # la# si do do# ré ré# mi Fréquence Hz 165 175 185 196 208 220 233 247 262 277 294 311 330 Note mi fa fa# sol sol la # la# si do do# ré ré# mi Fréquence Hz 330 349 370 392 415 440 466 494 523 554 587 622 659 Note mi fa fa# sol sol# la 880 Fréquence Hz 659 698 740 784 831 Il faut savoir que dans notre culture, on trouve entre une note et son octave 12 demitons, et une gamme se compose de 7 notes (on enlève 5 demi-tons au total). Voici une gamme de Do majeur, sur laquelle on fait figurer les écarts entre les notes : DO (1 ton) RÉ (1 ton) MI (½ ton) FA (1 ton) SOL (1 ton) LA (1 ton) SI (½ ton) DO Comme, d'un demi-ton à un autre, on multiplie la fréquence par un coefficient que l'on nommera a. On a donc affaire à une suite géométrique de raison a. Etant donné que pour passer d'une octave à une autre on multiplie la fréquence par deux, on peut poser l'équation : a12 = 2 <=> a = 12√2 On trouve ainsi que la valeur du coefficient séparant deux demi-tons consécutifs est de 1,0595. L'oreille humaine ne peut percevoir tous les écarts de fréquence, aussi a-t-on appelé l'écart perceptible le plus petit un comma. Entre deux tons, on compte 9 commas. Entre deux demi-tons, on compte par convention 4 commas (on évite de diviser le comma). Sur une guitare, électrique ou non, on obtient entre chaque note un écart minimum de ½ ton (si l'on ne déforme pas la corde). Voyons maintenant comment calculer la taille de chaque case sur une guitare. b) Le calcul de la longueur des cases : Le manche d'une guitare est divisé en plusieurs cases, chacune séparée par une barrette (également appelée frette). Lorsque l'on souhaite jouer une note sur une guitare, on peut appuyer sur une des cordes au niveau d'une case. L'organisation des barrettes est telle que d'une case à l'autre la fréquence varie d'un demi-ton. Il s'agit donc, lorsque l'on fabrique un manche, de calculer avec une grande précision l'espace nécessaire entre chaque barrette. Le procédé de calcul correspond à une suite géométrique, telle que les cases seront d'autant plus petites qu'elles seront éloignées de la tête de la guitare. Comme entre chaque case la note varie d'un demi-ton, et que la longueur entre la frette et le chevalet est proportionnelle à la fréquence de la note, on a : ln = l0 (12√2)n . Ceci est l'expression de la suite géométrique de premier terme l0 (longueur de la corde entre le chevalet et le sillet) et définie par la relation : ln+1 = ln (12√2). 2) Le passage d'un phénomène magnétique à une tension électrique se fait grâce aux micros : Si l'on écoute un morceau de guitare électrique, on n'entend pas les parasites, les bruits extérieurs qui sont toujours présents lors d'un enregistrement : bruit des doigts contre le manche, voix, ... Cela est dû au fait qu'il est acquis, non par le biais d'un micro ordinaire, qui capte des phénomènes acoustiques, mais grâce à un « micro magnétique », qui capte les vibrations des cordes (qui sont justement en métal) avec l'aide d'un aimant, et qui génère une tension électrique correspondant au son capté. Comment fonctionne ce type de micro ? Ce micro est composé d'un aimant entouré d’une fine bobine de cuivre. L'aimant génère ainsi un champ magnétique qui varie en fonction de la position de la corde. La variation du champ magnétique engendrée par la vibration des cordes entraîne la génération d'un courant par induction électromagnétique dans la bobine, c’est une conséquence de la loi de Faraday : Loi de Faraday : Lorsqu'on fait varier, par un procédé quelconque, le flux d'induction magnétique qui traverse un circuit fermé conducteur, ce circuit est le siège d'un courant, dit courant induit. Il est possible de calculer la tension induite grâce à la loi de Lenz : Loi de Lenz: Le sens du courant induit est tel que le flux qu'il produit à travers les circuits qu'il parcourt tende à s'opposer à la variation de flux qui lui donne naissance. En ce cas, on démontre que la tension induite e, s'exprime ainsi, en fonction de la dérivée du flux du champ magnétique traversant les bobines du micro, par rapport eu temps t: e=-d/dt est le flux du champ magnétique, il s’exprime en Weber. Voici le champ magnétique, dessiné, de plusieurs types de micros : On peut y voir l’importance du champ magnétique dans le son capté : les micros de type « single coil » (un seul bobinage) captent la vibration de la corde sur une plus grande étendue, produisant un son plus équilibré que le « humbucker » (double bobinage) qui a un son plus nasillard mais produit moins de parasites. En modifiant la polarité des aimants couplés, on peut donc modifier le son capté. La guitare électrique génère donc sa propre tension qui peut varier de 300 à 600 mV, voire 1V ou plus (en valeur absolue) pour une attaque violente de la corde. Cependant, cette tension est beaucoup trop faible pour être transmise directement à un haut-parleur et être restituée de façon audible, d'où la nécessité d'un amplificateur. Le son que l'on obtient alors à la sortie est assez semblable au son d'une guitare acoustique, à la différence près qu'il est plus « métallique ». Il existe de nombreux effets qui font subir au son des transformations plus ou moins importantes et visant à rendre le son plus beau ou plus adapté au morceau joué. La plupart du temps, le son que l'on entend à la guitare électrique est différent, on y a au préalable appliqué un effet appelé « distorsion ». II. La métamorphose et la sortie du son capté par les micros : 1) Un effet très répandu: la distorsion : la distorsion est un effet très répandu, notamment dans la musique moderne. Elle est apparue vers le milieu du XXè siècle et fait « saturer » le son d'origine, appelé « son clair ». Elle permet, outre de transformer sensiblement le son, d'obtenir une durée de note plus longue, et ouvre la porte à de nombreuses techniques inefficaces avec un son clair. Elle repose en réalité sur un principe relativement simple. a) L'amplification de la tension : La première partie consiste à amplifier la tension d'une manière significative (* ?) sans modifier la fréquence pour que la note reste la même. En observant cette tension à l'oscilloscope, il en résulte que la sinusoïde du son clair est transformée en une sinusoïde ayant la même fréquence, mais une amplitude supérieure. Electroniquement, le composant capable de modifier la tension de base de cette manière est un amplificateur opérationnel accompagné du montage adéquat, comme dans le schéma ci-dessous : Le gain d'amplification A que l'on peut calculer en divisant R2 par R1 est le coefficient de proportionnalité reliant la tension de sortie à la tension d'entrée tel que Us = A * Ue. En choisissant les bonnes résistances, on peut ainsi modifier à volonté le gain d'amplification, et avec une résistance variable, on peut même le régler pendant le fonctionnement du montage. Lorsque l'on monte trop le volume d'un ampli, celui-ci sature, c'est-à-dire que le haut-parleur ne supporte pas une telle tension, et déforme le son de manière plus ou moins importante. La distorsion exploite cette propriété, qui est à l'origine un inconvénient, en faisant saturer le son de manière contrôlée grâce à l'écrêtage. b) L'écrêtage : Pour obtenir le son voulu, il ne reste plus qu'à écrêter le signal amplifié, ce qui permet de conserver un volume correct. Si le signal n'est pas écrêté, le son sera le même mais le volume sera beaucoup plus important. Ici, l'amplificateur opérationnel va procéder à un écrêtage basique au niveau de sa tension de saturation, mais des montages plus complexes vont accentuer, adoucir, « torturer » les crêtes. Voici deux signaux, l'un correspondant à un ampli à transistors, l'autre à un ampli à lampe (type d'ampli donnant une meilleure qualité de son) : L'ensemble des composants nécessaires à la distorsion est souvent intégré dans l'amplificateur (cf. 2). On peut toutefois acheter des pédales générant cet effet que l'on branchera entre la guitare et l'amplificateur. On les appelle « pédales de distorsion ». c) La distorsion peut être simulée numériquement : Il existe certains programmes informatiques permettant de transformer numériquement le son afin d'obtenir un résultat semblable à celui produit par un ampli ou une pédale, uniquement à partir de l'ordinateur lui-même qui simule l'effet, cependant l’intérêt reste limité car l’effet n’est pas aussi beau qu’avec un mécanisme électronique. Notons que tous les effets peuvent être simulés de cette manière. 2) L'ampli : deux fonctions principales : a) La préamplification : La tension provenant de la pédale varie entre 0 et 1 à 2V en valeur absolue, et l'ampli de puissance a besoin d'une tension « standard », ne dépassant pas les 1V en valeur absolue. C'est le préamplificateur qui sert à adapter la tension sortant de la guitare (ou d'une quelconque pédale d'effet) de manière à avoir une tension normalisée entrant dans l'amplificateur, que l'on appelle tension de « ligne ». Tous les réglages de fréquences que l'on trouve sur un ampli (ou une table de mixage) comme les aigus, médiums et graves, de même que les autres réglages comme celui du volume, du gain d'une distorsion ou d'un éventuel effet, correspondent en fait au bloc préamplificateur. Voici une photographie d'un montage préampli. b) L'ampli de puissance : Le son est maintenant normalisé, et c'est au tour de l'ampli de puissance d'amplifier la tension qu'il reçoit et de l'envoyer vers le haut-parleur. Seuls des réglages concernant le gain d'amplification peuvent se faire sur l'ampli de puissance (aucune égalisation n'est possible); le son est retransmis tel que la tension est reçue, ce qui justifie en partie l'utilité du préampli. Avec un amplificateur opérationnel possédant une tension de saturation élevée, on amplifie tout simplement la tension reçue un certain nombre de fois selon l'ampli et ses caractéristiques. Bien évidemment, le montage est plus complexe qu'un simple montage amplificateur non inverseur : le son est purgé de ses parasites grâce aux composants appropriés. Nous ne décrirons pas ici en détail le fonctionnement de ce montage, qui n'a pas de rapport direct avec le sujet. Notons que le préampli et l'ampli de puissance peuvent être séparés, ils ne font pas forcément partie d'un même bloc. Voici une photographie d'amplificateur de puissance : Le même, vu d'au-dessus : 3) Le fonctionnement d'un haut-parleur : Il repose sur un principe électromagnétique simple. Il est formé, pour rester à l’essentiel, d’un aimant, d’une fine bobine de cuivre reliée d’une part à une membrane, un « cône » en carton, et d’autre part, à l’amplificateur. L’aimant génère une force magnétique constante, le courant électrique traversant la bobine de cuivre a un sens et une intensité qui sont, eux, variables, et dépendent de la note jouée, comme nous l'avons vu. La loi de Laplace nous permet de donner la direction de la force mécanique (d’origine électromagnétique, en effet la bobine de cuivre va bouger sous l’effet de cette force) ainsi générée (on associe le sens du champ magnétique à l’index de la main gauche, le sens du courant électrique au majeur et le sens de la force mécanique au pouce). Deux cas de figure se présentent alors : Soit le courant va dans un sens, et la membrane avance (PUSH), soit le courant va dans l’autre sens, et la membrane recule (PULL). On remarquera que les PULL et les PUSH correspondent aux pics de tensions que l’on observe à l’oscilloscope, et correspondront en « force » et en fréquence au courant électrique traversant la bobine. Un PUSH entraînera une compression, un PULL une dépression dans l’air face à la membrane, et qu’est-ce que le son sinon une onde mécanique progressive longitudinale de compression/dépression ? Nous avons donc à l’arrivée une onde sonore qui respecte la fréquence de notre son de base. Conclusion : En conclusion, nous pouvons dire que le fonctionnement de la guitare électrique et la restitution du son qu'elle produit s'articule autour de six grandes parties : la guitare et les micros, les effets, le préampli, l'ampli de puissance, les hauts-parleurs. Les blocs sont souvent associés, par exemple : - préampli+ampli de puissance (souvent appelé simplement « ampli »), - effet+préampli (c'est le cas de la plupart des pédales) - guitare/micros+effet (dans le cas d'une guitare dite « active »), ... Résumons les différentes étapes dans un schéma : Schéma-Bilan: Matériel Phénomène Guitare Vibration de la corde Micro Tension Pédale d'effet Tension transformée Préampli Tension normalisée Ampli de puissance Tension amplifiée Sur ce schéma, on peut voir qu'à chaque bloc matériel correspond un phénomène physique. Le passage d'un phénomène à un autre est permis par chaque bloc. Notons que notre vibration est le plus souvent sous la forme d'une tension, beaucoup plus facile à manipuler.
