Attention ça raisonne!. - Olympiades de Physique

ATTENTION C¸ A RAISONNE !
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Table des mati`eres
1 Qu’est-ce qu’un son ? 5
1.1 Le son : une onde m´ecanique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Le son : un signal p´eriodique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Comment caract´eriser un son ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Lafr´equence. .................................... 7
1.3.2 Leniveausonore................................... 7
1.3.3 Letimbre....................................... 10
2 La sensation de r´esonance est-elle un ph´enom`ene de r´esonance acoustique ? 12
2.1 Mise en ´evidence d’une r´esonance acoustique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.1 Exp´erience historique du tube de Kundt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.2 V´erification exp´erimentale au lyc´ee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 Mod`ele du tuyau sonore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Mod`ele de la boite parall´el´epip´edique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Premier essai avec une boite en carton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Deuxi`eme essai avec du sel au fond de la boite. . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Troisi`eme essai avec une nouvelle boite en carton. . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.4 Exp´erience avec une boite en bois. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Application `a une pi`ece. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Comment caract´eriser la qualit´e acoustique d’une pi`ece ? 22
3.1 Comment quantifier la r´everb´eration d’une pi`ece ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Comment estimer le temps de r´everb´eration d’une pi`ece ? . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Comment mesurer le temps de r´everb´eration ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Comment peut-on am´eliorer la qualit´e acoustique d’une pi`ece ? . . . . . . . . . . . . . 26
A Exp´erience du tube de Kundt 30
B Exp´erience de la flˆute de pan 31
C R´esonance d’une boite en carton 34
D´ Etude du micro `a ´electret 41

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R´esum´e
Sujet : ´ Etude de l’acoustique d’une pi`ece.
Probl´ematique : Pourquoi certaines pi`eces r´esonnent-elles ?
R´esum´e :
Nous sommes trois ´el`eves du lyc´ee Newton de Clichy. Passionn´es de musique, nous avons entrepris
d’´etudier les ph´enom`enes physiques qui entrent en jeu dans l’acoustique des pi`eces. Nous essayons en
particulier d’expliquer l’origine physique de ce que l’on appelle commun´ement ≪la r´esonance d’une
pi`ece ≫: Est-ce r´eellement un ph´enom`ene de r´esonance acoustique ou un effet dˆu `a la r´everb´eration
du son sur les murs ?
Nous avons donc d’abords r´ealis´e des exp´eriences au laboratoire de physique du lyc´ee pour no-
tamment ´etudier les modes de r´esonance de tuyaux sonores de diff´erentes tailles et ceux d’une boite
parall´el´epip´edique.
Il semblerait alors que ce soit la r´everb´eration du son contre les murs qui influe majoritairement
sur la qualit´e acoustique d’une pi`ece de grande taille.
Nous avons alors contact´e Olivier Warusfel, directeur de l’´equipe de recherche ≪espace acoustique
et cognitif ≫`a l’IRCAM, qui nous a aid´e `a mesurer le temps de r´everb´eration d’une pi`ece. Nous avons
donc fait diff´erentes mesures de temps de r´everb´eration au lyc´ee ainsi qu’au conservatoire de Clichy.
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El`eves :
– Nofoume Ben Ahmed Aly
– Paul Chassagne
– Alban Teytaud

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Introduction
Nous sommes trois ´el`eves du lyc´ee Newton de Clichy. Passionn´es de musique, nous avons entrepris
d’´etudier les ph´enom`enes physiques qui entrent en jeu dans l’acoustique des pi`eces. Nous essayons en
particulier d’expliquer l’origine physique de ce que l’on appelle commun´ement ≪la r´esonance d’une
pi`ece ≫.
Pour ce faire, nous nous sommes pos´e la question suivante :
Pourquoi certaines pi`eces r´esonnent-elles ?
Pour r´epondre `a cette question, nous nous sommes d’abord int´eress´es `a la propagation d’un son :
sa nature et ses caract´eristiques. Nous avons ensuite r´ealis´e une s´erie d’exp´eriences au laboratoire de
physique du lyc´ee et au conservatoire de musique de Clichy afin d’´etudier le ph´enom`ene de r´esonance
des salles.
Nous avons enfin essay´e de caract´eriser la qualit´e acoustique d’une pi`ece en lien avec son utilisa-
tion.

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1 Qu’est-ce qu’un son ?
1.1 Le son : une onde m´ecanique.
Notre premi`ere exp´erience consiste `a installer une bougie pr`es d’un haut-parleur lui-mˆeme branch´e
`a un g´en´erateur basses fr´equences (ou GBF). Lorsque l’on r`egle le GBF vers 10 Hz, on remarque
une oscillation de la bougie synchronis´ee avec les vibrations de la membrane du haut-parleur. La
vibration de cette membrane entraˆıne la vibration des tranches d’air voisines qui se propage de
proche en proche jusqu’`a la bougie.
Cette exp´erience illustre le fait que le son est une onde m´ecanique progressive, c’est `a dire
la propagation d’une perturbation `a travers un milieu mat´eriel sans transport de mati`ere mais avec
transport d’´energie.
Figure 1 – L’exp´erience de la bougie.
Pour recevoir et analyser un son, nous utilisons nos oreilles.
Figure 2 – Le syst`eme auditif. (source : auditionprivatgandon.com)