L'ONDE SONORE PEUT-ELLE ENDOMMAGER LA MATIÈRE?
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Nous avons eu la chance de pouvoir réaliser des expérimentations avec l’aide de Markus Noisternig, chercheur acousticien à l’IRCAM. Celles-ci ont eu lieu dans la chambre anéchoïque dont les parois absorbent les ondes sonores ou électromagnétiques, et où le son s’y propage sans réflexion : les mesures sont alors optimales.
1 - Expérience 1 : détermination de la fréquence propre
- Matériel :
- 3 verres : 1 en verre de 200mL, 1 en verre de 550 mL et 1 en cristal de 200 mL
- une structure en bois supportant le verre
- un micro « calibré », « bipolarisé » et « omnidirectionnel », afin d’enregistrer les fréquences émises par le verre
- un pré-ampli, servant à amplifier le signal du micro
- un câble blindé et calibré, pour limiter l’influence des champs électromagnétiques
- une pince et un pied pour supporter le micro
- une baguette en plastique
- une carte son, un ordinateur et 3 logiciels :
Matlab : logiciel de programmation scientifique, permettant de retranscrire la fréquence fondamentale et les harmoniques,
Maxmsp : environnement visuel pour la programmation d'applications sonores et interactives.
- Hypothèse : D’après nos connaissances sur les ondes sonores, nous avons émis l’hypothèse que les matériaux (ou composition chimique d’un système), le volume, et la masse sont des éléments pouvant faire varier la fréquence propre d’un système.
- Protocole : Nous allons réaliser 3 campagnes de mesure dans le but de déterminer les paramètres qui influencent la fréquence propre d’un système, ici un verre.
- Mesure 1 :
Avec la baguette, nous frappons à 2 reprises, les 2 verres de même matière (verre) mais de volumes différents : 200 mL puis 550 mL.
Nous enregistrerons la fréquence émise par le verre.
Résultats : Verre de 550 mL
Ce premier graphique représente l’amplitude (intensité) du signal sonore en fonction du temps. Il s’agit de la représentation temporelle.
Il nous faut appliquer la représentation de Fourier pour analyser les différentes fréquences composantes de l’onde. Celles-ci sont représentées grâce au logiciel Matlab, sur le deuxième graphique ci-dessous :
Il nous faut appliquer la représentation de Fourier pour analyser les différentes fréquences composantes de l’onde. Celles-ci sont représentées grâce au logiciel Matlab, sur le deuxième graphique ci-dessous :
Il s’agit de la représentation fréquentielle ou spectrale. Lorsque la fonction est la représentation d'un phénomène physique, comme du champ sonore en un point, on l'appelle signal et sa transformée de Fourier s'appelle son spectre.
Sur ce graphe, on peut visualiser la composition fréquentielle de l’échantillon sonore mais également l’intensité de chaque fréquence, en fonction du temps.
A l’impact de la baguette sur le verre, on constate que l’énergie acoustique est la plus importante, en rouge, aux alentours de 700 Hz. C’est la fréquence fondamentale, celle pour laquelle le système vibre le plus.
Résultats : Verre de 200 mL
Ici, la fréquence fondamentale est d’environ 2000 Hz.
Interprétation Mesure 1:
La fréquence du verre de 200 mL est plus deux fois supérieure à celle du verre de 550 mL. On peut donc conclure que le volume est un paramètre majeur dans la détermination de la fréquence propre d’un système.
Plus le volume du verre est important plus sa fréquence fondamentale est basse, et inversement pour les verres de petit volume.
Pour les basses fréquences, l’énergie acoustique se dissipe moins rapidement (verre de 550 mL) ; les résonances restent plus longtemps : soit quatre secondes contre seulement moins d’une seconde pour le verre de 200mL.
- Mesure 2 :
Avec la baguette, nous frappons à deux reprises, deux verres de matières différentes, l’un en verre, l’autre en cristal, mais de volume équivalent. Nous enregistrerons la fréquence émise par le verre.
Résultats : Verre en verre de 200 mL
La fréquence propre du verre est située aux alentours de 2000 Hz.
Résultats : Verre en cristal de 200 mL
Résultats : Verre en cristal de 200 mL
La fréquence propre est de 1000 Hz. Il s’agit d’un son riche, plus joli à l’audition. Il y a plusieurs « partiels » ou « harmoniques », obtenus notamment grâce à la forme du verre.
Interprétation Mesure 2 :
Le matériau utilisé et par extension sa densité est, tout comme le volume, un facteur déterminant de la fréquence propre d’un système.
- Mesure 3 :
Avec la baguette, nous frappons à quatre reprises le verre en cristal, dont on va faire augmenter la masse en procédant par ajouts successifs d'eau, à hauteur de 20 mL à chaque fois.
Nous enregistrerons la fréquence émise par le verre.
Résultat A : verre en cristal vide=mesure précédente
Résultat B : verre en cristal + 20 mL d’eau
Interprétation Mesure 2 :
Le matériau utilisé et par extension sa densité est, tout comme le volume, un facteur déterminant de la fréquence propre d’un système.
- Mesure 3 :
Avec la baguette, nous frappons à quatre reprises le verre en cristal, dont on va faire augmenter la masse en procédant par ajouts successifs d'eau, à hauteur de 20 mL à chaque fois.
Nous enregistrerons la fréquence émise par le verre.
Résultat A : verre en cristal vide=mesure précédente
Résultat B : verre en cristal + 20 mL d’eau
Résultat C : verre en cristal + 40 mL d’eau
Résultat D : verre en cristal + 60 mL d’eau
Interprétation Mesure 3 :
Les différences sont minimes d’un ajout à l’autre, sauf à pousser les analyses beaucoup plus finement. On peut tout de même noter entre la mesure A et la mesure D, l’énergie absorbée par la verre à sa fréquence propre est plus importante, quand il y 60 mL d’eau.
Conclusion : Notre hypothèse est confirmée. La composition chimique d’un système, le volume, la masse sont bien des éléments à prendre en compte pour déterminer la fréquence propre d’un système.
Markus Noisternig précise que d’autres paramètres entrent en jeu, tels que la forme, l’épaisseur et la rigidité du verre. En fait, toutes les caractéristiques d’un système influencent sa fréquence fondamentale.
2 - Expérience 2 : découverte du phénomène de résonance
Dans Tintin, la Castafiore, célèbre cantatrice n'a qu'à ouvrir la bouche et fredonner quelques mots pour faire partir en morceaux vitres, glaces et autres objets de verre.
Nous aimerions ici vérifier à partir de ce mythe, si le son, plus que la voix humaine, peut faire exploser le verre ?
- Hypothèse (2) : Si l’on fait vibrer un système à sa fréquence propre cela aura pour conséquence sa rupture. Dans le cadre du verre, ce dernier se cassera. Néanmoins, cette expérience est difficile à réaliser, comme nous l’a confirmé Markus Noisternig, car elle nécessite notamment une enceinte très puissante, et comporte des dangers pour l’audition.
- Protocole (2) :
N’ayant pas le matériel adéquat pour réaliser cette expérience nous allons commenter cette vidéo :
breaking a wine glass using resonance - YouTube
Les différences sont minimes d’un ajout à l’autre, sauf à pousser les analyses beaucoup plus finement. On peut tout de même noter entre la mesure A et la mesure D, l’énergie absorbée par la verre à sa fréquence propre est plus importante, quand il y 60 mL d’eau.
Conclusion : Notre hypothèse est confirmée. La composition chimique d’un système, le volume, la masse sont bien des éléments à prendre en compte pour déterminer la fréquence propre d’un système.
Markus Noisternig précise que d’autres paramètres entrent en jeu, tels que la forme, l’épaisseur et la rigidité du verre. En fait, toutes les caractéristiques d’un système influencent sa fréquence fondamentale.
2 - Expérience 2 : découverte du phénomène de résonance
Dans Tintin, la Castafiore, célèbre cantatrice n'a qu'à ouvrir la bouche et fredonner quelques mots pour faire partir en morceaux vitres, glaces et autres objets de verre.
Nous aimerions ici vérifier à partir de ce mythe, si le son, plus que la voix humaine, peut faire exploser le verre ?
- Hypothèse (2) : Si l’on fait vibrer un système à sa fréquence propre cela aura pour conséquence sa rupture. Dans le cadre du verre, ce dernier se cassera. Néanmoins, cette expérience est difficile à réaliser, comme nous l’a confirmé Markus Noisternig, car elle nécessite notamment une enceinte très puissante, et comporte des dangers pour l’audition.
- Protocole (2) :
N’ayant pas le matériel adéquat pour réaliser cette expérience nous allons commenter cette vidéo :
breaking a wine glass using resonance - YouTube
- Observations :
On peut voir qu’à cette fréquence le verre va entrer dans une série d’oscillations dont l’amplitude est croissante : les parois du verre se déforment de plus en plus bien que la fréquence reste la même ! Au bout d’une trentaine de secondes, le verre se brise et explose.
- Interprétation et explication de ce phénomène :
L’explosion du verre est due au phénomène de résonance. La résonance est la mise en œuvre des conditions optimales du transfert d’énergie à un système oscillant sous l’action d’une force périodique.
La résonance correspond donc à un état d’interaction ou d’excitation optimale, d’absorption ou d’émission d’énergie sous la forme d’une onde mécanique ou d’une onde électromagnétique. Un système va vibrer, à des fréquences très particulières (dites fréquences propres) qui caractérisent ce système, comme nous avons pu le voir dans les expériences précédentes.
Lorsqu’un système (ici le verre) est écarté de sa position d’équilibre, il y retourne à travers une série d’oscillations. Un système oscillant effectue ainsi des oscillations forcées, lorsqu’un dispositif extérieur (ici l’oscilloscope), appelé excitateur, lui impose d’osciller avec une fréquence f. Le système oscillant, siège d’oscillations forcées, est appelé résonateur. Notons que l’oscillation est le phénomène par lequel l'énergie du système passe d'une forme potentielle à cinétique, de façon périodique.
Soumis à une excitation dont la fréquence est proche de sa fréquence propre, le système va être entraîné dans une oscillation sinusoïdale qui s'amplifie de plus en plus. Or si l’on apporte ainsi de l'énergie avec une périodicité égale (ou proche) de la périodicité propre du système, l'énergie totale va augmenter régulièrement.
Le phénomène de résonance est cet effet d'accumulation de l'énergie : l’énergie vient s’injecter au moment où elle peut s'ajouter à l'énergie déjà accumulée, c'est-à-dire « en phase » avec cette dernière.
Le point de rupture d’un système dépend aussi de son amortissement. L'amortissement est la dissipation d'énergie d'un système vibrant avec le temps ou la distance.
Pour les structures, l'amortissement total est composé de :
• L'amortissement dû au matériau et à la structure ;
• La propagation de l'énergie dans toute la structure ;
• L'amortissement dû aux aménagements et aux finitions.
On peut voir qu’à cette fréquence le verre va entrer dans une série d’oscillations dont l’amplitude est croissante : les parois du verre se déforment de plus en plus bien que la fréquence reste la même ! Au bout d’une trentaine de secondes, le verre se brise et explose.
- Interprétation et explication de ce phénomène :
L’explosion du verre est due au phénomène de résonance. La résonance est la mise en œuvre des conditions optimales du transfert d’énergie à un système oscillant sous l’action d’une force périodique.
La résonance correspond donc à un état d’interaction ou d’excitation optimale, d’absorption ou d’émission d’énergie sous la forme d’une onde mécanique ou d’une onde électromagnétique. Un système va vibrer, à des fréquences très particulières (dites fréquences propres) qui caractérisent ce système, comme nous avons pu le voir dans les expériences précédentes.
Lorsqu’un système (ici le verre) est écarté de sa position d’équilibre, il y retourne à travers une série d’oscillations. Un système oscillant effectue ainsi des oscillations forcées, lorsqu’un dispositif extérieur (ici l’oscilloscope), appelé excitateur, lui impose d’osciller avec une fréquence f. Le système oscillant, siège d’oscillations forcées, est appelé résonateur. Notons que l’oscillation est le phénomène par lequel l'énergie du système passe d'une forme potentielle à cinétique, de façon périodique.
Soumis à une excitation dont la fréquence est proche de sa fréquence propre, le système va être entraîné dans une oscillation sinusoïdale qui s'amplifie de plus en plus. Or si l’on apporte ainsi de l'énergie avec une périodicité égale (ou proche) de la périodicité propre du système, l'énergie totale va augmenter régulièrement.
Le phénomène de résonance est cet effet d'accumulation de l'énergie : l’énergie vient s’injecter au moment où elle peut s'ajouter à l'énergie déjà accumulée, c'est-à-dire « en phase » avec cette dernière.
Le point de rupture d’un système dépend aussi de son amortissement. L'amortissement est la dissipation d'énergie d'un système vibrant avec le temps ou la distance.
Pour les structures, l'amortissement total est composé de :
• L'amortissement dû au matériau et à la structure ;
• La propagation de l'énergie dans toute la structure ;
• L'amortissement dû aux aménagements et aux finitions.