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Première · Enseignement scientifique · Chapitre 4

Son et musique, porteurs d'information

Ce que tu sauras faire

  • Relier la période, la fréquence et la hauteur d'un son, et calculer l'une à partir de l'autre.
  • Décomposer un son composé en fondamentale et harmoniques, et expliquer d'où vient le timbre.
  • Distinguer hauteur et intensité, et utiliser l'échelle des décibels (règles du ×2 et du ×10).
  • Exprimer un intervalle musical par un rapport de fréquences, et construire une gamme.
  • Justifier le choix d'une fréquence d'échantillonnage et d'une quantification.
  • Estimer la taille d'un fichier audio et calculer un taux de compression.
  • Relier l'intensité d'un son et la durée d'exposition au risque pour l'audition.

Au programme du chapitre

  1. Le son : une vibration qui se propage
  2. Période, fréquence, hauteur
  3. Son composé : fondamentale, harmoniques, timbre
  4. Intensité sonore et décibels
  5. D'où vient la fréquence d'un instrument
  6. La musique : des rapports de fréquences
  7. Numériser un son
  8. Compresser : gagner de la place, et à quel prix
  9. Entendre, et protéger son audition

Exercices corrigés

Exercice 1

Un camarade affirme : « Cette note est plus aiguë, donc elle est plus forte. » Que lui réponds-tu, et avec quel argument imparable ?
Un coup de pouce
Cherche une expérience dans laquelle tu fais varier l'une des deux grandeurs sans toucher à l'autre.
Voir la correction pas à pas
Il confond deux grandeurs indépendantes.
La hauteur (grave ou aigu) est fixée par la fréquence, en hertz. L'intensité (faible ou fort) est fixée par la puissance transportée par unité de surface, en watts par mètre carré, traduite en décibels. Rien, dans la définition de l'une, ne fait intervenir l'autre.
L'argument imparable est une expérience de tous les jours : baisse le volume de ta musique. Le morceau devient-il plus grave ? Non — c'est exactement la même mélodie, simplement moins forte. Puisqu'on peut changer l'intensité sans changer la hauteur, les deux grandeurs sont bien indépendantes.
Deux contre-exemples achèvent la démonstration : une grosse caisse à 60 Hz jouée fort est grave et forte ; un moustique à 600 Hz est aigu et faible.

Exercice 2

Deux instruments jouent la même note. Leurs deux signaux ont exactement la même période. Où est donc rangée, dans le signal, l'information « c'est une guitare » plutôt que « c'est une flûte » ?
Un coup de pouce
Deux signaux de même période peuvent-ils avoir des formes différentes ? Et que devient cette différence de forme dans un spectre ?
Voir la correction pas à pas
Elle est rangée dans la forme du motif qui se répète, c'est-à-dire, une fois le signal décomposé, dans le spectre.
Un signal périodique de fréquence f1f_1 est une somme de sinusoïdes de fréquences f1f_1, 2f12f_1, 3f13f_1, … La même période impose la même fondamentale f1f_1, donc la même hauteur. Mais rien n'impose que les harmoniques soient présents dans les mêmes proportions : c'est là que les deux instruments diffèrent.
Cet ensemble « quels harmoniques, et avec quelle importance » s'appelle le timbre. On peut donc dire les choses ainsi : la première raie du spectre porte l'information quelle note, tout le reste du spectre porte l'information quel instrument.

Les pièges à éviter

  • Écrire f=Tf = T ou oublier de convertir la période en secondes : une période de 4 ms donne 0,250{,}25 Hz au lieu de 250 Hz.
  • Confondre hauteur et intensité : croire qu'un son aigu est forcément fort, ou qu'augmenter le volume rend le son plus aigu.
  • Additionner des décibels : deux sources de 60 dB donneraient 120 dB.
  • Traiter un intervalle musical comme une différence de fréquences.

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