1 Lycée Guez de Balzac Angoulême 2 Sommaire I . Généralités Origine du thérémine Quelques caractéristiques du son II. Etude du module Tonalité Description du module Quel est le rôle de l’antenne ? Vérification expérimentale de la capacité d’un condensateur plan III. Comment l’onde sonore est-elle perçue par l’oreille ? IV. Etude du module Volume sonore Principe Etude du convertisseur fréquence – tension Comment obtenir un son de fréquence et d’intensité variable ? V. Comment des sons d’intensités différentes sont-ils codés au niveau de l’oreille ? 3 I Généralités 1. Origine du thérémine Le thérémine est l’ancêtre des instruments de musique électronique. Cet instrument a été inventé en 1919 par le physicien russe Léon Theremin. Il a réalisé son instrument en utilisant les composants électroniques de l’époque (essentiellement des tubes électroniques à vide). Léon Thérémin devant son instrument Pour jouer d’un tel instrument il suffit de déplacer ses doigts dans l’air en éloignant ou en rapprochant sa main droite d’une antenne verticale et sa main gauche d’une boucle horizontale. Le HP de l’instrument émet alors un son audible dont la fréquence dépend de la position de la main droite et dont l’intensité sonore dépend de la position de la main gauche. Tout l’art du musicien est de connaître le rapport entre la position de ses mains et la note qu’il veut produire. Aujourd’hui, exhumé par les musiciens à la mode, cet instrument à l’allure techno est de nouveau entendu dans des chansons comme Cyber de Zazie ou encore Chère inconnue de Benjamin Biolay. Image extraite de Pour la Science Novembre 2009 4 Comment peut-on émettre un son sans toucher l’instrument ? Comment l’oreille perçoit-elle ce son ? Afin de répondre à ces problématiques, on a construit un thérémine en utilisant l’électronique analogique contemporaine et on a analysé de façon didactique son fonctionnement. Notre dispositif comprend deux modules : le module tonalité et le module volume sonore. On a ensuite étudié l’organisation de l’oreille afin d’en comprendre son fonctionnement. Avant d’étudier de façon exhaustive ces modules rappelons quelques caractéristiques de l’onde sonore. 2. Nature du son Le son est produit par la mise en vibrations rapides d’un corps matériel (membrane du HP, branches d’un diapason, corde d’une guitare,etc..) Cette vibration se propage de molécules à molécules d’une manière un peu analogue à ce qui se passe dans un ressort très long dont on frappe brutalement une extrémité. La zone des premières spires comprimées se détend, en transmettant aux spires voisines la compression, qui se propage le long du ressort. Ondes élastiques longitudinales en propagation dans un ressort et dans un tuyau sonore Une telle propagation est une onde élastique longitudinale, car les vibrations qu’elle communique là où elle passe ont lieu dans le sens même de la propagation. 3. Caractéristiques du son 5 La célérité du son dépend du milieu de propagation. Plus le milieu est condensé, plus la célérité du son est grande. Célérité du son dans l’air sec à 25°C : 340m/s Célérité du son dans le fer à 20°C : 5950 m/s Les ondes sonores ne sont perçues par l’oreille humaine que si leur fréquence est située à l’intérieur d’une plage étroite sons très graves sons très aigus Ces limites correspondent à une moyenne établie sur l’ensemble des tranches d’âge de la population, mais la sensibilité de l’oreille diminue avec le temps. L’oreille d’un très jeune enfant réagit bien souvent au-delà de 20 000 Hz, alors qu’un adulte de plus de quarante ans peut ne pas déceler les fréquences supérieures à 12 000 Hz. 4. Le son de la voix véhicule peu d’énergie Envisageons une conversation normale. Le niveau sonore vaut alors 60dB. L’intensité sonore (énergie transmise par unité de surface et par unité de temps) est de 10-6W/m2 et correspond à des déplacements des couches d’air d’à peine 20nm (20 milliardièmes de mètre). La tâche de l’oreille ne s’annonce pas facile. Cependant cette énergie, si petite soit-elle, est suffisante pour faire vibrer très légèrement une vitre. On peut, à l’aide d’un laser, détecter ces faibles vibrations et reconstituer à l’aide d’un dispositif optique simple les paroles de la conversation. Le photodétecteur utilisé est une photodiode. On va d’abord rappeler à l’aide de l’expérience décrite ci-dessous les propriétés essentielles de ce capteur d’éclairement. Expérience 1 Appliquons entre les bornes de modulation d’une diode laser une tension alternative sinusoïdale délivrée par un générateur de signaux. Disposons une photodiode, polarisée en inverse, sur le trajet du faisceau laser. HP 10k Diode laser + + + suiveur i Voie 2 Amplificateur de puissance Voie 1 6 Appliquons à l’une des voies de l’oscilloscope la tension produite par le générateur de signaux et sur l’autre voie la tension aux bornes du conducteur ohmique 10k. Les tensions visualisées sur les deux voies ont même allure et même fréquence. La tension appliquée à la diode laser permet de moduler la puissance lumineuse délivrée par celle-ci. L’intensité i du courant électrique produit dans la photodiode par le faisceau lumineux qu’elle reçoit reproduit les variations de la puissance de ce dernier, et donc les variations de la tension de modulation appliquée à la diode laser. On peut moduler la puissance lumineuse délivrée par la diode laser en lui appliquant la tension aux bornes d’un microphone. Le haut-parleur restitue le son de la voix. Expérience 2 : « Comment espionner une conversation avec un laser » On a placé à l’intérieur d’une boite en plexiglas un poste radio allumé. On dirige le faisceau lumineux, émis par un laser, sur un petit miroir plan collé sur une des faces de la boite. Cette dernière est placée dans une enceinte recouverte d’un isolant acoustique (granulés de liège fixés sur une plaque de bitume) Le haut- parleur restitue le son émis par le poste radio. laser Boite en plexiglass 10k + + Poste radio i + Voie 2 Le son émis par le poste radio fait vibrer les parois de la boite. En raison de ces vibrations, le faisceau laser subit des déplacements devant la photodiode et l’intensité lumineuse reçue par cette dernière varie. La tension électrique aux bornes du conducteur ohmique, amplifiée, est dirigée vers un haut-parleur. On peut ainsi espionner une conversation dans une pièce en ciblant simplement la vitre et en utilisant un faisceau laser infrarouge ! De quoi susciter l’intérêt des services secrets ! 7 Déjà en 1880, Graham Bell, avait construit un appareil, appelé photophone, destiné à produire une onde sonore à partir de la lumière solaire. Cette dernière est réfléchie par un miroir plan et converge vers une lame de verre très fine que l’on fait vibrer en parlant devant. Le faisceau lumineux est ainsi modulé par la parole. Ce faisceau modulé vient converger sur un récepteur photoconducteur à base de sélénium. Sa résistance varie en fonction de l’intensité reçue. La parole sera donc transmise dans le téléphone récepteur. II Etude du module Tonalité 1. Description du module Ce module comprend un oscillateur sinusoïdal relié à une antenne, un multiplieur, un suiveur un amplificateur de tension suivi d’un filtre passe – bas. (Voir schéma page 15) a. Etude de l’oscillateur sinusoïdal Un oscillateur sinusoïdal est un dispositif délivrant une tension alternative sinusoïdale lorsqu’il est alimenté par une source d’énergie continue. L’oscillateur utilisé est un circuit oscillant (circuit LC) où les oscillations électriques sont entretenues par un dispositif électronique à base d’un amplificateur opérationnel alimenté sous la tension +15V,-15V. Dans un tel circuit oscillant la fréquence des oscillations est inversement proportionnelle à la racine carrée de la capacité C ( f = 1 2π LC par une variation de fréquence. ).Toute variation de capacité se traduit donc 8 antenne 100 Ω CH1 10k 2,2mH + A C uC 10k 10k Visualisation de la tension aux bornes du condensateur b. Quel est le rôle de l’antenne ? L’antenne est constituée d’une plaque métallique reliée à la borne A du condensateur de capacité C du circuit oscillant. Afin de comprendre l’utilité de l’antenne, réalisons l’expérience de condensation de charges électriques (expérience de Volta). On charge un électroscope négativement par contact avec un tube PVC frotté avec un chiffon. L’aiguille de l’électroscope dévie. Les électrons se répartissent uniformément sur le plateau, la tige et l’aiguille de l’électroscope. L’aiguille dévie du fait de la répulsion des charges portées par la tige et l’aiguille. 9 Approchons du plateau P1 de l’électroscope une armature métallique P2 reliée à la Terre. P2 P1 On constate que l’aiguille de l’électroscope se rapproche de la position verticale au cours de l’opération. Lors de l’approche du plateau P2, les charges portées par l’électroscope ont tendance à migrer vers le plateau P1. Il y a accumulation (condensation) de charges électriques sur les armatures en regard. Ce dispositif est un condensateur plan Un condensateur est caractérisé par son aptitude (sa capacité) à emmagasiner des charges électriques sur ses armatures en regard. Un condensateur est caractérisé par une grandeur, appelée la capacité C (sous entendu capacité à emmagasiner des charges électriques). L’unité de capacité est le farad (F). Un condensateur peut être représenté par deux plaques métalliques (les armatures) séparées par un isolant (le diélectrique). La capacité C d’un condensateur plan est donnée par l’expression C= ε0S e ε 0 = 8,85 .10 −12 F .m −1 est la permittivité du vide ou de l’air, S est la surface des armatures en regard et e la distance entre les armatures. c. Vérification expérimentale de la capacité du condensateur plan Considérons deux plaques métalliques de surface S et séparées de la distance e. On se propose de déterminer l’influence de la distance e et de la surface S des armatures en regard sur la valeur de la capacité. RLC mètre On mesure la capacité de ce condensateur plan à l’aide d’un RLC mètre. Influence de la distance e entre les plaques Surface S des armatures en regard S = 50×25 = 125cm2 = 0,125m2 Condensateur plan Plaques métalliques 10 Tableau de mesures Distance e entre les plaques ( cm) 1 0,5 Valeur de la capacité C mesurée en pF 150 310 Conclusion : Si la distance entre les plaques est divisée par 2, la capacité est pratiquement doublée. Influence de la surface des armatures en regard Distance entre les plaques e = 0,5 cm Tableau de mesures Surface S des armatures en regard en m2 0,125 0,075 Valeur de la capacité C mesurée en pF 310 160 Conclusion : Si la surface des armatures en regard est divisée par 2, la capacité est elle aussi pratiquement divisée par 2. Valeur théorique de la capacité du condensateur plan = 110 pF Prenons e = 1 cm S = 0,125m2 La valeur expérimentale est supérieure à la valeur théorique. En réalité intervient les effets de bord. La densité surfacique de charges est plus grande aux extrémités du condensateur plan que dans sa partie centrale. Influence du diélectrique : Plaçons entre les armatures en regard un matériau diélectrique (isolant acoustique utilisé précédemment) d’épaisseur e = 1cm, la surface des armatures en regard étant de 0,125 m2. La capacité du condensateur mesurée au RLC mètre vaut 420 pF, soit une valeur environ trois fois plus grande qu’avec l’air comme diélectrique. Remarques : 1. Pour mesurer la capacité du condensateur plan, on a utilisé un oscillateur à relaxation dont la période T dépend de la valeur de la capacité. Montage utilisé 11 Voie 1 R=100k C ud - S + uC i R1i Voie 2 R1 uS R1 = 10k Dans ce montage l’amplificateur opérationnel fonctionne en régime saturé. L’oscillogramme représentant l’évolution des tensions uC et uS est représenté cidessous. On obtient donc une succession de charges et de décharges du condensateur interrompue par le basculement de l’amplificateur. La période T des oscillations est donnée par l’expression T = 2RCln3 La mesure de la période des oscillations permet d’en déduire la valeur de la capacité C. La capacité C du condensateur étant très faible, la capacité d’entrée de l’oscilloscope ainsi que la capacité du câble coaxial qui permet d’appliquer la tension aux bornes de l’oscilloscope sont loin d’être négligeables. Il faut donc en tenir compte. Les résultats expérimentaux obtenus sont concordants avec ceux obtenus avec le RLC mètre. 2. Condensateurs à air à capacité réglable 12 Dans le module Tonalité, le condensateur de l’oscillateur sinusoïdal est un condensateur à air, semblable à celui représenté ci-dessous. Ces condensateurs ont toujours des capacités très faibles (100 à 1000 pF). d. Que se passe –t-il lorsque l’on rapproche la main de l’antenne reliée au circuit oscillant? L’antenne et la main peuvent être assimilées à un condensateur plan de capacité C’. A C’ C e Déterminons l’ordre de grandeur de cette capacité C’. Surface de la main (surface des armatures en regard) S = 200 cm2 = 2.10-2 m2 e = 10cm C’ = 1,8 pF. Lorsque l’on rapproche la main de l’antenne, la distance e diminue donc la capacité C’augmente. La main de l’opérateur joue le même rôle que le plateau P2 de l’électroscope dans l’expérience précédente. Le condensateur (plaque, main) est placé en dérivation aux bornes du condensateur de capacité C du circuit oscillant. La plaque est reliée à la borne A du condensateur, la main est reliée au sol. Ces deux condensateurs placés en dérivation sont donc équivalents à un condensateur unique de capacité C+C’. Lorsque l’on approche la main de l’antenne, on modifie la capacité du circuit oscillant donc sa fréquence d’oscillation. La capacité du condensateur équivalent va augmenter, la fréquence d’oscillation va donc diminuer. Remarque : Cette variation étant très faible, il est très difficile de l’apprécier à l’oscilloscope. e. Peut-on réaliser sur cette base un instrument de musique ? 13 Les fréquences audibles sont situées entre 20 Hz et 20kHz. Les variations de capacité sont de quelques pF, donc les fréquences induites par le déplacement de la main seront faibles. Prenons une fréquence d’oscillation située dans le domaine audible, par exemple f = 1000Hz. Quelle doit être la capacité du circuit oscillant si l’inductance de la bobine vaut L = 2,2 mH ? C= 1 4π f L 2 2 = 1 4π .10 .2,2.10 −3 2 6 = 11µF Quelle sera approximativement la variation de fréquence de l’oscillateur lorsque l’on approche la main ? La capacité de l’oscillateur augmente alors d’environ 2pF. La fréquence d’oscillation diminue d’une vingtaine de hertz. Cette variation de fréquence, très faible, sera à peine perçue et sera donc sans intérêt musical. Pour obtenir une variation de fréquence importante, il faudra choisir une fréquence de référence élevée. Pour une fréquence d’oscillation de 1MHz, la diminution de fréquence lorsque l’on approche la main de l’antenne est de l’ordre de 20 kHz ! Mais on reste dans le domaine non audible. 2. Comment obtenir des fréquences audibles ? Pour obtenir des fréquences audibles on va associer deux oscillateurs électriques (1) et (2) oscillant à des fréquences voisines f1 et f2 (fréquence de l’ordre du MHz) L’oscillateur (1) (circuit oscillant) relié à l’antenne délivre une tension u1 de fréquence f1, fréquence qui dépend de la position de la main u1 = U1m cos 2πf1t L’oscillateur (2) (générateur de signaux) délivre une tension alternative sinusoïdale u2 de fréquence f2 fixe u 2 = U 2m cos 2πf 2 t Ces deux tensions u1 et u2 sont ensuite multipliées à l’aide d’un multiplieur analogique. La tension obtenue est u 3 = ku1u 2 = kU1mU2m cos 2πf1t cos 2πf 2 t u3 = kU1mU 2m [cos 2π( f1 + f2 )t + cos 2π(f1 − f2 )t ] 2 k est de l’ordre de 0,1V-1 pour le multiplieur utilisé. On obtient un signal HF de fréquence f1+f2, modulé par un signal BF de fréquence f1-f2. Cette différence de fréquence est dans le domaine audible. Signal HF 14 L’enveloppe correspond au signal BF A l’aide d’un filtre passe - bas, on peut éliminer le signal HF et extraire le signal dont la fréquence est la différence de celles des deux oscillateurs. Ce signal audible, filtré, amplifié, va alimenter le haut parleur. Synoptique du montage HP Oscillateur (1) (circuit oscillant) Filtre Passe-bas u1 Oscillateur (2) GDS Ampli u3 u2 L’oscillateur (2) est dans notre étude un générateur de signaux qui délivre une tension alternative sinusoïdale de fréquence f2 voisine de f1. Etude du filtre passif passe bas (circuit RC) RRRR ue C uS L’amplitude de la tension de sortie uS dépend de la fréquence de la tension d’entrée ue. 15 Ce filtre atténue fortement les signaux dont la fréquence est supérieure à la 1 fréquence de coupure (Fréquence de coupure fc = ) 2πRC Signal filtré Le signal filtré est un signal sinusoïdal de fréquence réglable selon la position de la main mais audible . En Résumé III. Comment l’onde sonore est-elle perçue par l’oreille ? 16 Expérience : Modélisation du tympan de l’oreille à l’aide d’un disque piézoélectrique Le disque est constitué d’un cristal de quartz. Ce dernier soumis à une pression mécanique présente une tension U entre ses faces. F - -q + F q En comprimant le cristal, on engendre un faible déplacement relatif des ions positifs et négatifs. Ce déplacement équivaut à une polarisation du cristal et engendre une tension U entre les faces opposées de celui-ci. La charge q qui apparaît sur une des faces est proportionnelle à l’intensité F de la force de compression q =kF k est un coefficient de proportionnalité qui dépend de la nature du matériau. L’effet piézoélectrique a été découvert par les frères Pierre et Jacques Curie en 1880. Lame de quartz Le son émis par le haut-parleur fait vibrer le quartz. Le quartz modélise de façon sommaire le tympan. Pour comprendre comment le son émis par le thérémine va être entendu, il faut savoir comment est transmis ce son dans l’oreille humaine. L’onde sonore vibre dans l’air puis parcourt l’oreille externe. En effet, elle arrive au niveau du pavillon, traverse le conduit auditif (qui va servir de caisse de résonance) pour atteindre le tympan. Cette vibration mécanique du tympan se propage à l’ensemble de la chaîne des osselets de l’oreille moyenne. 17 C’est un système mécanique de levier qui permet d’amplifier la pression afin de compenser la perte auditive liée au passage de la vibration sonore d’un milieu aérien à un milieu liquide au niveau de l’oreille interne. Dans l’oreille interne, la transmission de l’onde à l’endolymphe se fait par la fenêtre ovale. Cette vibration se propage le long de la cochlée parcourant la périlymphe présente dans la rampe vestibulaire. Ceci crée une onde de pression dans le canal cochléaire, entraînant une dépression de la membrane basilaire sur laquelle repose l’Organe de Corti. Celui-ci est une structure composée de cellules ciliées dont l’excitation liée au passage de l’onde crée un message nerveux envoyé vers le cerveau par le nerf auditif. 18 Comment des fréquences différentes vont-elles alors être perçues? Les fréquences sonores, correspondant aux différentes tonalités libérées par le thérémine, sont perçues par des cellules ciliées positionnées à différents niveaux de la cochlée. Les fréquences les plus élevées vont parcourir un trajet moins long et seront donc perçues par des cellules ciliées situées près de la fenêtre ovale. Au contraire, les fréquences faibles seront perçues par des cellules ciliées positionnées près de l’apex de la cochlée. IV. Etude du module Volume Sonore 1. Principe Lorsque l’on approche l’autre main de l’antenne horizontale d’un thérémine commercial on fait varier le volume sonore. Comment cela fonctionne-t-il ? Cette partie est basée sur le même principe que le module Tonalité. Elle comprend deux oscillateurs dont l’un est relié à une antenne. Les tensions issues de ces deux oscillateurs sont multipliées à l’aide d’un multiplieur analogique et comme précédemment on extrait le signal BF à l’aide d’un filtre passe-bas. Synoptique 19 Oscillateur(1) Ampli Filtre Oscillateur (2) La tension u à la sortie du filtre passe - bas est une tension alternative sinusoïdale dont la fréquence f varie en fonction de la position de la main. U = Umaxcos2 π ft On se propose de transformer cette tension alternative sinusoïdale de fréquence variable en une tension continue U proportionnelle à la fréquence f U =Kf On utilise pour cela un convertisseur fréquence – tension 2,2 mH Module volume et Convertisseur 10k 100 1 1k + 10k 10k 5 4 6 2nF + 10k 7 10k 1µF 10k 4,7k 3 + 10k 10k 2 100k Convertisseur fréquence - tension 22nF 5 6 7 Le convertisseur fréquence – tension comprend un comparateur, suivi d’un diviseur de tension, d’un circuit (R,C) , d’un amplificateur de tension , d’une diode, d’un suiveur et d’un filtre passe- bas. 2. Rôle du comparateur V 20 La fonction comparaison consiste à comparer la tension d’entrée ue variable au cours du temps à une tension constante Uref (tension de référence ou tension seuil, dans notre cas cette tension est nulle). Lorsque la tension ue franchit la tension seuil, la tension de sortie bascule d’une valeur Usat à une valeur –Usat (ou inversement) ; Usat et –Usat sont les tensions de saturation. uS ud uref S usat + uref ue ue -usat Caractéristique de transfert uS=f(ue) Si ue < 0 , la tension différentielle ud < 0 us = -usat Si ue > 0 ud > 0 uS = usat La tension de sortie est une tension carrée. (oscillogramme 5) L’amplitude de cette tension est diminuée de moitié à l’aide du pont diviseur de tension. On obtient dans le circuit (RC) une succession de charge, de décharge et de charge en sens opposé du condensateur. (oscillogramme 6). La diode située à la sortie de l’amplificateur de tension permet d’éliminer les alternances négatives du signal. On obtient alors une tension périodique positive ou nulle (oscillogramme 7) de fréquence f. 21 3. Décomposition d’une grandeur périodique (théorème de Fourier) Toute grandeur périodique de fréquence f peut se décomposer en la somme : *D’une composante constante égale à la valeur moyenne de cette grandeur *D’une composante sinusoïdale de fréquence f appelée le fondamental (ou harmonique de rang1). *De composantes sinusoïdales de fréquences multiples de f ( 2f, 3f , ….nf), appelées harmoniques de rang 2,3,….,n. La valeur moyenne d’une grandeur périodique notée <y> est telle que sur une période, on obtient A représente l’aire comprise entre la courbe représentative de la grandeur y et l’axe des abscisses pour une durée égale à T. Dans le cas de la tension u = Af Le filtre passe – bas permet d’éliminer les tensions harmoniques. La tension recueillie est une tension continue proportionnelle à la fréquence f donc à la position de la main devant l’antenne du module. 4. Comment obtenir un son de fréquence et d’intensité variable ? Tension de sortie du module Tonalité Ampli Tension de sortie du module Volume Sonore La tension de sortie du module Tonalité, tension dont la fréquence dépend de la position de la main devant l’antenne, est appliquée sur une voie d’entrée d’un multiplieur. La tension de sortie du module Volume Sonore, tension dont l’amplitude dépend de la position de la main devant l’antenne, est appliquée sur l’autre voie d’entrée du multiplieur. La tension de sortie du multiplieur est donc une tension alternative sinusoïdale dont la fréquence et l’amplitude dépendent des positions des mains devant les deux antennes. V. Comment des sons d’intensités différentes sont-ils codés au niveau de l’oreille? 22 Selon l’intensité du son, la déformation de la membrane basilaire se fera sur une portion plus ou moins large. Ainsi, quand le son sera fort, plus de cellules ciliées vont être stimulées et vont en plus créer des potentiels d’action plus nombreux pour un même intervalle de temps. Le message nerveux parcourant le nerf auditif (= potentiel global) sera alors plus intense quand l’intensité de son sera élevée. Ce message nerveux parcourant le nerf auditif sera ensuite transmis jusqu’au cerveau où il sera interprété par différentes régions du cortex cérébral. A l’occasion du cinquantenaire de la découverte du laser par le physicien américain Théodore Maiman en 1960, le thérémine sera accompagné par une harpe laser On est enfin prêt pour réaliser un modeste spectacle de « Son et Lumière ». En avant la musique ! Remerciements Nous tenons à remercier chaleureusement nos professeurs ainsi que les techniciens du laboratoire pour leur soutien et leur aide dans l’élaboration de ce projet. Bibliographie Pour la Science n°385 Novembre 2009 Science Vie Junior n°250 Juillet 2010 Mesures Physiques et informatique Hachette Seconde Physique appliquée 1STI Hachette Physique appliquée Terminale STI Hachette Sons et Lumière Bernard Valeur Belin Pour la Science La Physique Buissonnière Jean Michel Courty Edouard Kierlik Belin Pour la Science Le Laser Fabien Bretenaker Nicolas Treps EDP Sciences Expériences de Physique 3ème édition Roger Duffait Bréal TDC n°239 Le bruit Atlas de poche de physiologie Silbernagl et Despopoulos Médecine-Sciences Flammarion Physiologie des animaux Daniel Richard Nathan Université Site Internet http://www.cochlee.org/