Harpe laser

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2014
2014
Lycée Jean-Baptiste Say

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Origine du projet C.Génial
Nous avons conçu et expérimenté notre projet de harpe laser dans le cadre de notre
PPE (Sciences de l'ingénieur en Terminale S). Nous étions encadrés par notre professeur de
physique appliquée. Nos acquis en électricité et électronique n'étaient pas suffisants pour
concevoir la harpe laser mais notre professeur a su nous enseigner les bases nécessaires pour
notre projet. Ces savoirs indispensables pour concevoir ce projet font partie du programme
d'électricité et électronique de classe préparatoire scientifique de 1 ère année (ancien
programme). Ce sont donc des connaissances assez générales que tout étudiant en sciences
appliquées apprend durant ses études.
La finalité de notre PPE est plus industrielle que scientifique. En effet le coût total des
composants électroniques, lasers et bois ne dépasse pas 100 € alors qu'actuellement il existe
déjà sur le marché des harpes laser qui avoisinent les 800 €, sans compter qu'elles doivent être
accompagnées d'un synthétiseur.
Beaucoup de harpes laser ont été réalisées à l’unité, sur commande par des musiciens
prestigieux comme Jean-Michel Jarre pour leurs concerts.
Il existe deux technologies de harpe laser, celles à rayons infinis et celles à rayons finis.
La technologie de notre harpe est à rayons finis. En effet chaque laser attribué à une note vient
pointer sur un capteur photo sensible. Quand la main du musicien vient couper le laser, la note
est jouée.
La partie électrique de notre harpe laser est réalisée avec seulement six composants
différents : résistances, condensateurs, photodiodes, diodes, amplificateurs opérationnel et
lasers. Nous présenterons à la fin une historique de ces composants et conclurons que dès les
années 60, notre harpe laser était réalisable !
I. Point de départ pour la création de la harpe laser
Pour créer une Harpe laser nous avions besoin d'un composant de l'optoélectronique.
Parmi les détecteurs sensibles à la lumière nous avons la photorésistance, le phototransistor et
la photodiode.
Notre professeur nous a conseillé la photodiode silicium car elle donne un courant
proportionnel à l'éclairement et elle s'utilise très facilement avec un montage convertisseur
courant-tension à amplificateur opérationnel. Elle a l’avantage aussi d’avoir un très faible
courant d’obscurité contrairement à la photodiode germanium.

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Montage convertisseur courant-tension
La tension V1 de sortie de ce montage est V1=R*I et le courant I dépend de
l'éclairement de la photodiode.
On ajustera la sensibilité optimale de ce montage par le bon choix de la résistance R
lors du test avec les lasers.
Après des tests dans plusieurs lieux présentant des luminosités différentes, le choix de
100 kΩ pour R était un bon compromis.
Une limitation de notre harpe est qu’elle ne peut pas être utilisée en extérieur si la
luminosité change beaucoup (alternance soleil nuages).
II. Filtrage du signal V1 proportionnel à l’éclairement
Les photodiodes sont situées sur la partie supérieure de la harpe.
Neuf longs fils sont nécessaires pour amener les courants de chaque photodiode vers la
maquette située en partie inférieure. Ces fils ont un rôle indésirable d'antenne et les huit
tensions V1 présentaient des composantes haute fréquence indésirables.
Notre professeur nous a conseillé d'ajouter un filtre passe-bas composé d'une
résistance et d'un condensateur. La fréquence d’action des mains du musicien ne dépasse
guère quelques hertz, nous avons donc choisit un filtre passe-bas qui laisse passer les
fréquences jusqu'à :
 soit 

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III. Circuit comparateur
La tension V2 que nous obtenons en sortie de filtre est proportionnelle à l'éclairement.
Il était nécessaire de définir un seuil d'éclairement de la diode par le laser afin de jouer ou non
la note attribué au laser. Un montage comparateur de tension à amplificateur opérationnel est
utilisé. Vref (entrée - de l'AO) est obtenue par un diviseur de tension par 2.
Le comparateur donne :
V3= Vsat (≈15V) si V2 > Vref et
V3= -Vsat (≈ -15V) si V2< Vref
Le filtre bas-bas et le comparateur de tension
IV. Oscillateur: le montage astable avec A.O.
C'est un montage étudié en 1ere année de classe préparatoire. Ce montage est aussi
appelé multivibrateur astable. Il comporte une fonction comparateur à 2 seuils (hystérésis) et
un circuit RC bouclé sur l'entrée moins (-) de l'AO.
Nous ne détaillerons pas l'étude présente dans tout livre de prépa.

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Le montage multivibrateur astable
Nous retiendrons que la période de cet oscillateur est :
Avec    
Cette formule est nécessaire pour fixer les 8 fréquences de nos 8 oscillateurs.
β = 
 car R1 = R2 = 33 kΩ
=> T = 2×ln3× RC = 2,2RC
On fixe C = 100 nF
Pour le DO3 à 261,6 Hz
On a   
Soit R = 17,38 kΩ
On prend une résistance de 10kΩ en série avec un potentiomètre de 10kΩ que nous avons
ajusté en lisant la fréquence du signal à l’oscilloscope.
Ce montage présente deux tensions à la fréquence du Do3 (261,6 Hz).
La tension V4 en sortie d’AO et la tension Vc aux bornes du condensateur.
V4 est une tension créneaux, c’est un signal très (trop !) riche en harmoniques.
VC est une tension proche d’un triangle (portion d’exponentielle), c’est un signal modéré en
harmonique, doux à l’oreille.
Rappelons que tout signal périodique de fréquence f peut se décomposer en un signal
sinusoïdal de fréquence f (appelé fondamental) et d’une somme de signaux sinusoïdaux de
fréquences multiples de f (appelés harmoniques).
Un son trop riche en harmonique donne une note très aigue : son métallique !
Nous choisirons donc la tension VC du condensateur à acheminer jusqu’aux haut-parleurs.
Nous verrons après que les tensions Vc de chaque oscillateur alimenteront les entrées
de deux sommateurs.