ANALYSE DE SIGNAUX PERIODIQUES APPLIQUEE AUX SONS

Document du professeur 1/9
Niveau 2de
Physique – Chimie
THEME : LA SANTE
ANALYSE DE SIGNAUX PERIODIQUES
APPLIQUEE AUX SONS
Programme : BO n° 4 du 29 avril 2010
LA SANTÉ
NOTIONS ET CONTENUS
COMPÉTENCES ATTENDUES
Le diagnostic médical : l’analyse de signaux périodiques, l’utilisation de l'imagerie et des analyses médicales
permettent d’établir un diagnostic. Des exemples seront pris dans le domaine de la santé
(électrocardiogramme, électroencéphalogramme, radiographie, échographie, fibroscopie, …). L’observation
de résultats d’analyses médicales permet d’introduire les notions de concentration et d’espèces chimiques
ainsi que des considérations sur la constitution et la structure de la matière.
Signaux périodiques : période, fréquence, tension
Connaître et utiliser les définitions de la période et de la
maximale, tension minimale.
fréquence d’un phénomène périodique.
Identifier le caractère périodique d’un signal sur une
durée donnée.
Déterminer les caractéristiques d’un signal périodique.
Ondes sonores, ondes électromagnétiques.
Domaines de fréquences.
Extraire et exploiter des informations concernant la
nature des ondes et leurs fréquences en fonction de
l’application médicale.
Pré requis
o Utilisation de l'oscilloscope numérique
o Utilisation d’un tableur recommandée mais non obligatoire.
Mots-clé
o Son
o Audition
o Niveau sonore
Liste de matériel :
Poste élève
o Microphone à électret (+ pile)
o Adaptateur micro-oscillo de sécurité
o Adaptateur BNC / Bananes
o Cordon BNC / Bananes mâles de sécurité sans reprise arrière
o GBF Amplifié 4 MHz
o Oscilloscope numérique 2 x 50 MHz
o Diapason
o Sautereau
o Casque audio
o Un lecteur MP3
o Un poste informatique avec tableur et connexion Internet.
Poste professeur
o Sonomètre
o Planche didactique : les niveaux sonores
o Un instrument de musique : exemple guitare
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Ref. : 03061
Ref. : 02306
Ref. : 02318
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Ref. : 02115
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Ref. : 08768
Ref. : 06279
Ref. : 09745
Analyse de signaux périodiques (page 1)
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Remarques et astuces :
o
Concernant le relevé de la sensibilité de l’oreille, il faut bien mettre en garde contre le fait qu’il ne
s’agit aucunement d’un audiogramme médical !
o
La partie 3 relative au niveau sonore des baladeurs MP3 est très prisée des élèves et permet de les
sensibiliser aux dangers d'une écoute à niveau sonore élevé.
o
Le fichier mosquito.mp3 est téléchargeable sur le site www.pierron.fr
Prolongement
o
En liaison avec le professeur de S.V.T. le professeur peut présenter la structure de l’oreille
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Analyse de signaux périodiques (page 2)
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Physique – Chimie
Nom :
Prénom :
Classe :
Date :
Thème : La Santé
ANALYSE DE SIGNAUX PERIODIQUES
APPLIQUEE AUX SONS
Objectifs :
-
Analyse d'un son : comprendre ce qui distingue un son simple d'un son
complexe
Découvrir ce que l'oreille humaine peut entendre
Protéger ses oreilles des niveaux sonores trop élevés
Apprendre à utiliser un oscilloscope numérique
ACTIVITÉ 1 : Analyse d'un son
Montage :
Un microphone délivre une tension très faible. Pour pouvoir exploiter ce signal, il est nécessaire de
l'amplifier. Vous disposez du matériel suivant :
Microphone à électret
Adaptateur micro-oscillo de
sécurité
Adaptateur BNC / bananes
GBF avec amplificateur intégré
Cordon BNC / Bananes
Oscilloscope Numérique
- Relier le microphone à l'entrée de l'amplificateur utilisé. Relier la sortie de l'amplificateur à la voie 1 de
l'oscilloscope.
- Faire vérifier le montage par le professeur.
1. Analyse du son émis par un diapason :
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Analyse de signaux périodiques (page 3)
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On dispose d’un diapason monté sur sa caisse de résonance et d’un sautereau pour le frapper :
Diapason
Sautereau
-
Mettre le balayage de l'oscilloscope numérique en mode « normal » c’est à dire en acquisition
permanente.
Dans ce mode, on figera l'écran en appuyant sur la touche " Run/Stop "
-
Introduire le microphone dans la caisse de résonance du diapason et frapper ce dernier avec le
sautereau
Ajuster les réglages de sensibilité verticale et de base de temps pour obtenir une courbe utilisable à
l'écran
Refaire la manipulation et figer le signal sur l'écran.
Sauvegarder l'écran sous forme d'image au format BMP :
-
1. Quelle est l'allure de la tension observée ?
On observe une tension périodique sinusoïdale
2. A l'aide de l'outil "Curseurs" mesurer sa période T et sa fréquence f :
T = 2, 28 ms ; f = 1/T soit f = 437 Hz
3. L'oscilloscope dispose d'un outil d'analyse des fréquences FFT disponible dans le menu
"Math". Activer ce mode et choisir une fenêtre d'analyse de type Hanning.
Combien de pics de fréquence observe-t-on sur ce graphe ?
Activer le curseur sur la source FFT pour mesurer la valeur de cette fréquence :
On lit f = 440 Hz
4. La note émise par ce diapason est un LA 440. Justifier cette appellation :
440 représente la fréquence du son émis soit 440 Hz
Oscillogramme observé :
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2. Analyse du son émis par un instrument de musique :
On reprend le principe de la manipulation précédente, en plaçant le microphone à proximité ou dans
la caisse de résonance d'un instrument de musique émettant la même note. Sur une guitare, il faudra
pincer la première corde, la plus fine, en case 5.
1. Quelle est l'allure de la tension observée ?
La tension observée est périodique mais non sinusoïdale
2. A l'aide de l'outil "Curseurs" mesurer sa période T’ et sa fréquence f’:
T’ = 2, 28 ms ; f’ = 1/T’ soit f’= 437 Hz
3. Combien de pics de fréquence observe-t-on sur ce graphe ?
A l'aide du curseur activé sur la source FFT mesurer les valeurs de ces différentes fréquences :
On lit 440Hz, puis 880 Hz, 1320 Hz……. 4400 Hz
4. Que remarque-t-on en ce qui concerne ces fréquences ?
Ce sont des multiples entiers de la fréquence de base (440 Hz)
Un exemple d'oscillogramme obtenu : le curseur B est placé en différents pics
Compléter la conclusion 1 ci-dessous avec les mots : complexe, fréquence, sinusoïdal
Conclusion 1
Un son pur, cristallin, comme celui émis par le diapason, est un son d'allure sinusoïdale constitué
d'une seule fréquence.
Le son émis par un instrument de musique est un son complexe constitué de plusieurs fréquences
multiples de la fréquence fondamentale. Ces fréquences multiples s’appellent des harmoniques.
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ACTIVITÉ 2 : Les sons audibles
1. La sonnerie "anti-jeunes" (ou "anti-profs"… ou anti-moustiques !)
Extrait d'un article trouvé sur le site du journal Libération :
Comment faire fuir à coup sûr, en moins de dix minutes, une bande de jeunes quelque peu excités,
sans sortir son fusil de chasse, ni même menacer d'appeler la police ? La solution s'appelle Mosquito.
Une invention britannique qui suscite une belle polémique en Belgique. De quoi s'agit-il ? Mosquito
est un émetteur de sons ultra-aigus. Physiquement, c'est un petit boîtier muni d'un haut-parleur. Mais
il a surtout une particularité : le son qu'il diffuse est inaudible pour les plus de 25 ans, mais
insoutenable pour les oreilles des adolescents. Difficile à croire ? Non, le phénomène est classique,
répondent les spécialistes. «Un bébé entend des fréquences de 20 000 hertz. Dès 20 ans, ces sons
aigus deviennent progressivement inaudibles. Au-delà de 8 000 hertz, on ne les entend plus à l'âge
adulte», explique l'oto-rhino-laryngologiste (ORL) Phillipe MAHILLON. D'où l'idée de la société
britannique Compound Security Systems d'utiliser ce vieillissement auditif inéluctable pour imaginer
un répulsif sonore anti-jeunes.
On va maintenant analyser le son anti-jeune : brancher un casque audio sur la sortie casque de
l'ordinateur. Charger le fichier " mosquitone.mp3 ".
1. Entendez-vous le son émis ?
Oui en principe pour les adolescents
2. Votre professeur l'entend-il ?
Cela dépend de son âge…mais la réponse est sûrement non !
Placer le microphone contre l'une des oreillettes du casque audio et analyser le son émis à l'aide de
l'oscilloscope.
3. Quelle est l'allure de la tension observée ?
La tension observée est sinusoïdale
4. A l'aide de l'outil " Curseurs " mesurer sa période et sa fréquence :
T = 5,8 × 10-5 s ; f = 17,2 kHz
5. Qu'est-ce qui distingue le son émis par le diapason de celui émis par le boitier anti-jeunes ?
Le son émis par le diapason a une fréquence beaucoup plus faible
Oscillogramme obtenu :
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2. Réalisation d'un test d'audition :
Aller sur le site http://www.phys.unsw.edu.au/jw/hearing.html
(University New South Wales en Australie).
Dans le tableau présenté à l'écran, un clic sur un des petits rectangles génère sur la sortie audio
un son : un son à 0 dB (décibel) est très fort ; un son à -99 dB est très faible.
A chaque colonne correspond une fréquence (de 30 Hz à 16 kHz) et à chaque ligne correspond un
niveau sonore (de 0 dB à -99 dB).
NE JAMAIS DEMARRER UNE COLONNE EN CLIQUANT UNE DES CASES DU
PREMIER TIERS SUPERIEUR !
1. Placer le casque audio sur ses oreilles.
2. Choisir dans la colonne 1 kHz un niveau qui donne un ressenti confortable : son ni trop fort ni
trop faible. Ce niveau ressenti sert alors de référence.
3. Passer à la colonne 750 Hz et chercher le niveau qui donne le même ressenti.
4. Continuer ainsi jusqu'à la colonne 30 Hz en se référant toujours au ressenti à 1 kHz
5. Recommencer le travail pour les hautes fréquences.
6. Compléter le tableau ci dessous qui a ici été rempli par le professeur :
f(Hz)
30
45
60
90
125
187
250
375
500
Niveau
(dB)
0
-9
-18
-30
-30
-33
-33
-33
-33
f(Hz)
750
1000
1500
2000
3000
4000
6000
8000
12000 et
16000
Niveau
(dB)
-33
-33
-33
-45
-45
-36
-33
-33
0
7. Rentrer ces données dans un tableur et tracer la courbe du niveau en fonction de la
fréquence. L'axe des fréquences sera choisi en unité logarithmique.
8. Imprimer cette courbe dans le cadre ci-après
Un exemple de résultat :
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Analyse de signaux périodiques (page 7)
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et sa transcription dans le tableur :
Remarque importante : ce test ne doit pas être pris comme un véritable audiogramme réalisé en
cabinet médical. En effet, les résultats peuvent être altérés par les caractéristiques de la carte son
de l'ordinateur et celles du casque audio utilisé.
Conclure sur la sensibilité de l'oreille aux différentes fréquences :
Conclusion
La sensibilité de l'oreille n'est pas la même à toutes les fréquences : l'oreille est plus sensible aux
fréquences comprises entre 1 et 4 kHz. Cette sensibilité évolue aussi avec l'âge.
3. Niveau sonore d'un lecteur MP3 :
-
Régler le volume de votre MP3 à votre valeur d'écoute habituelle avec votre morceau de musique
préféré.
Retirer l'oreillette de l'oreille et placer le microphone du sonomètre numérique contre l'oreillette.
Mesurer le niveau sonore
-
Situer ce niveau sur l'échelle des niveaux sonores représentés sur la planche didactique :
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-
Refaire la manipulation avec le volume réglé à sa valeur maximum :
Mesurer le niveau sonore
Conclusion
Il y a grand danger à écouter un baladeur MP3 avec le son réglé au maximum.
Les risques de surdité précoce sont très importants par destruction de l’oreille interne
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