Un son venu d`ailleurs.

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Lycée Guez de Balzac
Angoulême

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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 ?

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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).
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.
Image extraite de Pour la
Science Novembre 2009
Léon Thérémin devant son instrument
Au
jourd’
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.

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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

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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
-6
W/m
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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.
Diode laser
Voie 1
suiveur
Amplificateur
de puissance
+
+
+
Voie 2
10k
i
HP