Visualiser les sons avec un laser

A l’aide d'une enceinte et d'un laser, vous pouvez visualiser précisément les vibrations de l'air que sont les sons.

Difficulté

Easy Facile

Durée

15 minute(s) minute(s)

Disciplines scientifiques

Acoustique, Optique

Laser, Son Visualiser_les_sons_avec_un_laser_318124550_1962164520659075_2706828614848337635_n.jpg

Introduction

Point sécurité pour cette expérience :

- il faut utiliser un fragment de miroir, plus petit qu'un ongle, ces fragments peuvent être coupant, il faut faire attention. Vous pouvez sacrifier un petit miroir de maquillage par exemple ou récupérer un fragment d'un rétroviseur cassé.

- On utilise un pointeur laser, il peut être dangereux pour les yeux donc il ne faut jamais que le faisceau arrive directement dans vos yeux. Si vous acheter un laser sur internet ne dépassez pas une puissance de 5mW, tel que les petits jouet pour chat ou pointeur laser de conférence, Au delà des dommages irréversible pour vos yeux peuvent arriver très rapidement. Il est facile de trouver des lasers de plusieurs centaines de milliwatts sur internet mais ces lasers sont très dangereux et leur utilisations hors d'un cadre de recherche scientifique ou militaire est interdit.

Youtube

• Matériel et outils
• Fichiers

Laser

Un laser (acronyme de l'anglais light amplification by stimulated emission of radiation) est un système photonique. Il s'agit d'un appareil qui produit un rayonnement lumineux spatialement et temporellement cohérent basé sur l'effet laser. Descendant du maser1, le laser s'est d'abord appelé maser optique.

Laser

Haut parleur

Un haut-parleur, ou hautparleur, est un transducteur électroacoustique destiné à produire des sons à partir d'un signal électrique. Il est en cela l'inverse du microphone. Par extension, on emploie parfois ce terme pour désigner un appareil complet destiné à la reproduction sonore (voir Enceinte).

Trois types de haut-parleurs, électrodynamique, électrostatique et piézoélectrique, représentent les technologies actuelles les plus courantes. Le haut-parleur électrodynamique, couvrant environ 99 % du marché, a encore un fonctionnement relativement simple pour une technologie de masse.

Le 10 décembre 1877, le premier brevet concernant un haut-parleur à bobine mobile fut accordé à Werner von Siemens. Le haut-parleur remplit une gamme très variée d'applications : on trouve des haut-parleurs aussi bien dans des cartes de vœux que reliés à des amplificateurs de puissance pour concert.

Haut parleur

Miroir

Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et qui est conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être protégée, est placée sous une plaque de verre pour les miroirs domestiques (les miroirs utilisés dans les instruments d'optiques comportent la face métallique au-dessus, le verre n'étant qu'un support de qualité mécanique stable). En termes de miroiterie, le miroir est une glace de petit volume, c'est-à-dire de petites dimensions.

Miroir

Ballon de baudruche

Un ballon gonflable fait d'une membrane en caoutchouc qui se tend quand on souffle dedans.

Ballon de baudruche

Pince à linge

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Pince en plastique ou en bois, avec un ressort qui sert à accrocher le linge sur le fil à linge afin de le faire sécher.

Pince à linge

Colle

Colle

Colle

Ordinateur

Dès sa mise sous tension, un ordinateur exécute, l'une après l'autre, des instructions qui lui font lire, manipuler, puis réécrire un ensemble de données auquel il a accès. Des tests et des sauts conditionnels permettent de changer d'instruction suivante, et donc d'agir différemment en fonction des données ou des nécessités du moment. Les données à manipuler sont obtenues, soit par la lecture de mémoires, soit par la lecture de composants d'interface (périphériques) qui représentent des données physiques extérieures en valeurs binaires (déplacement d'une souris, touche appuyée sur un clavier, température, vitesse, compression...). Une fois utilisées, ou manipulées, les données sont réécrites, soit dans des mémoires, soit dans des composants qui peuvent transformer une valeur binaire en une action physique (écriture sur une imprimante ou sur un moniteur, accélération ou freinage d'un véhicule, changement de température d'un four ...). L'ordinateur peut aussi répondre à des interruptions qui lui permettent d’exécuter des programmes de réponses spécifiques à chacune, puis de reprendre l’exécution séquentielle du programme interrompu. La technique actuelle des ordinateurs date du milieu du xxe siècle. Ils peuvent être classés selon plusieurs critères1 (domaine d'application, taille ou architecture).

Ordinateur

Scotch

Scotch transparent

Scotch

https://drive.google.com/file/d/1ga3zLrLWE55TubSalnCFlchkmxrHitbL/view

Étape 1 - Créer une membrane tendue

Il faut tendre une membrane qui fera office de tympan comme dans votre oreille.

Sur la photo vous pouvez voir 2 exemples possible :

- un cercle de broderie dans lequel j'ai placé un film de plastique type cellophane

- Tendre un ballon de baudruche découpé directement sur une enceinte portable bluetooth (un ou 2 morceaux de scotch peuvent la fixer

Il est préférable de ne pas trop tendre la membrane

Le montage avec le cercle de broderie permet de le placer sur n'importe quel haut parleur (avec 2 morceaux de scotch) mais la membrane sera un peu plus éloigné du haut parleur il faudra alors monter le volume assez haut pour voir des formes. Le ballon tendu directement sur l'enceinte portable (dont j'ai retiré la grille qui recouvre les 2 haut parleur) se prend de plein fouet l'énergie sonore de l'enceinte et vibre alors avec plus d'amplitude.

Étape 2 - Coller le fragment de miroir sur la membrane

Avec un petite goutte de superglue, vous pouvez coller l'éclat de miroir sur la membrane.

Attention le miroir doit être du bon coté, le miroir est un verre avec une surface réfléchissante, il vaut mieux garder la face réfléchissante vers le haut et coller la face verre. Si vous vous tromper de sens vous pourriez voir un dédoublement du faisceau laser et des formes plus flous.

Étape 3 - Préparer le laser

Placer la pince à linge autour du laser, vous pourrez ensuite la décaler sur le bouton pour qu'elle maintiennent allumé le laser lorsque vous serez prêt a lancer l'expérience

Étape 4 - Réglage de la position des appareils

Je place mon laser sur le bord d'une table ou d'une chaise en le calant avec un poids et je repère le point ou tombe le laser.

Je viens placer mon enceinte + membrane et miroir sous le laser, attention c'est à cette étape qu'il y a le plus de risque de s'aveugler avec le reflet du faisceau laser sur le miroir. Je place le point du laser exactement au centre de l'éclat de miroir.

En passant ma main au dessus du dispositif a tâtons, je repère ou est envoyé le faisceau laser réfléchit par le miroir.

Utiliser l’enceinte sans fil est très pratique ici, pas besoin de s’embêter avec les cables qui relie les haut parleurs à l'ordinateur, on peut même se contenter d'un smartphone connecté en bluetooth à l'enceinte pour diffuser des musiques.

Étape 5 - Support de projection

Selon la couleur de votre laser, le support peut avoir de l'importance, le laser bleu/violet que j'utilise dans les exemples n'est pas le meilleur choix, un laser rouge ou vert marchera sur presque toutes les surfaces.

Vous pouvez projeter le point sur un mur, le plafond, votre main, une feuille blanche... A vous d'expérimenter !

A noter que plus vous projeter à longue distance, plus les formes seront grandes, mais en contrepartie elle seront plus floues. (pour ceux qui ont déjà fais des expériences d'optique, c'est en lien avec la longueur focale du laser)

Étape 6 - Différentes musiques et instruments

à vous de diffuser la musique de votre choix avec l'enceinte

Double cliquez sur les vidéos pour les lire en plein écran, le rendu est meilleur en vrai, la caméra à du mal à gérer l’intensité du laser par rapport à la luminosité ambiante. On peut aussi observer des formes où certaines lignes paraissent coupées, c'est aussi un artefact de la caméra (l'effet rolling shutter)

La musique électronique fonctionne bien car elle utilise des sons synthétiques, plus proche des fréquences pures. De manière générale, vous pourrez mieux distinguer les formes si vous diffuser des musiques avec peu d'instruments (musique acoustique, une voix, un instrument par exemple)

Étape 7 - Sculpter les sons avec des fréquences pures

Étape 1 : déterminer à quelles fréquences votre membrane est sensible.

En effet, toutes les membranes ne réagissent pas à tous les sons. Vous avez donc besoin de déterminer dans quelles conditions vous êtes.

Pour cela vous pouvez aller sur cette vidéo, qui va passer en revue tous les sons auxquels l’oreille humaine peut être sensible (de 20 hertz, au minimum, à 20 000 hertz au maximum.

Tout le monde n’entendra pas toutes les fréquences, cela dépend de la génétique, de l’âge (on perd des capacités auditives en vieillissant) et aussi de ce qu’on a fait avec ses oreilles. Aussi une personne qui écoute souvent des bruits très forts perd de l’audition très vite. Dans certains cas c’est réversible, et dans d’autres c’est définitif. Exemples de situations qui blessent l’oreille (même si on ne ressent pas de douleur) : casque audio avec un son très fort, travail de chantier sans porter de casque antibruit, concerts en omettant de porter des bouchons d’oreille.

Vous diffusez votre vidéo et vérifiez à quelles longueurs d’onde votre membrane est sensible. Vous notez les chiffres.

Étape 2 : vous utilisez le générateur de fréquences (disponible dans la partie fichier, à côté de l’onglet matériel en haut de page ou en bas de cette section). Après l’avoir téléchargé, vous l’ouvrez avec votre navigateur préféré (par exemple Firefox, Edge, Chrome…) Il y aura une page sur laquelle vous aurez des boutons. Quand vous cliquez sur play, cela diffuse un son de la fréquence affichée. Vous pouvez changer la fréquence avec les autres boutons.

Vous observez le motif que dessine le laser. Ce n’est pas toujours très impressionnant. On voit souvent un rond, ou un petit 8. Vous arrêtez le premier son en appuyant sur le bouton pause.

Vous ouvrez un deuxième onglet de la même page dans votre navigateur (vous avez donc une deuxième page, identique à la première). Là vous diffusez un deuxième son, avec une fréquence différente du premier et observez le motif.

Là aussi vous aurez un petit motif.

Maintenant vous cliquez sur play dans les deux onglets en même temps. Là cela va diffuser un mélange des deux sons, et le motif devient bien plus complexe. À l'aide des boutons dans un des deux onglets, vous pouvez jouer et faisan monter ou descendre un des sons et réaliser la manipulation présentée en vidéo !

Vos formes ne seront pas les même que dans les vidéos jointes, en effet elle dépendent de la taille de l'éclat de miroir et de sa position, la taille et le matériau composant la membrane, la tension de cette dernière... etc

Testez plusieurs tailles et positions de l'éclat de miroir pour voir ce qui change, plusieurs lasers, plusieurs membranes, plusieurs tensions de membrane.

Lien vers un fichier qui permet de diffuser des fréquences pures, il s'ouvre avec n'importe quel navigateur internet. Ouvrez plusieurs fois le fichier et naviguer entre les différents onglets pour diffuser plusieurs fréquences en même temps.

(choisissez de télécharger)

Crédit du fichier Javascript : Steve Mould et Haveboard, traduit en français par Benjamin H.

Comment ça marche ?

Observations : que voit-on ?

Des formes dansent avec la musique, plus le son est fort plus les formes grandissent !

Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?

Les vibrations peuvent déplacer l'enceinte et le laser ne sera plus sur le miroir. Vous pouvez placer un tissu épais ou un tapis sous l'enceinte pour absorber ces vibrations et éviter que l'enceinte ne bouge. Assurez vous que le laser soit bien fixé aussi et qu'il ne bouge pas.

Avec le générateur de fréquence, des problèmes informatiques peuvent aussi arriver mais normalement le fichier fournit devrait marcher sur tout système d'exploitation. La plupart des ordinateurs portables et des smartphones ont une connexion Bluetooth intégré si vous utilisez une enceinte sans fil.

Si vous tendez trop la membrane ou qu'elle est trop loin du haut parleur, vous risquez de devoir faire monter le son très fort pour voir des figures suffisamment grande, ce qui n'est pas agréable pour les oreilles.

La façon dont le miroir est fixé sur la membrane influe. La patafix est plutôt une mauvaise idée, c’est élastique aussi le miroir reçoit moins de mouvement et c’est plus « chaotique », empêchant de voir un signal bien net. Dans l’idéal et si la forme de l’enceinte le permet : tendez la membrane directement dessus, elle doit être bien tendue mais sans excès, et collez le miroir avec de la colle extra forte.

Explications

Vous aviez surement déjà remarquer que le son était une vibration mécanique en posant vos doigt sur un haut parleur mais c'est difficile de percevoir avec ses doigts toute la complexité de ces vibrations. Ici nous utilisons un laser qui se réfléchit sur un miroir vibrant en suivant la musique pour pouvoir visualiser la beauté et la complexité de ces vibrations.

L'enceinte diffuse des sons. La membrane est solidaire de l'enceinte, et elle est élastique. Aussi les ondes sonores se diffusent dans la membrane. Le mouvement est transmis au miroir. Or, le laser se reflète dans le miroir pour être renvoyé sur un support (en général le plafond). Aussi quand le miroir bouge, cela change un peu la position du faisceau du laser. Plus la distance entre le laser et le miroir puis le miroir et le support sur lequel va apparaître le point lumineux sont importantes, plus les très faibles déplacements dans la membranes vont être agrandis. Or comme les mouvements sont rapides, le point du laser se transforme en "trait", on voit un trajet.

Une notre unique forme un trait qui a une forme particulière. Si l'on additionne deux notes, le trait va retranscrire le "mélange" entre les deux ondes dans la membrane. Plus les sons sont compliqués, et plus les motifs tracés par le laser seront compliqués.

Dans votre oreille, c'est le typan qui capte les sons et se met à vibrer avec eux. Ces mouvements sont transmis à des petits os, qu'on appelle la chaine des osselets qui vont transmettre et amplifier ces vibrations précises du tympan. Puis cela sera transformé en influx nerveux dans l'oreille interne et ira au cerveau grâce au nerf vestibulocochléaire. Une fois dans le cerveau, ces signaux sont traités, interprêtés, et c'est seulement au bout de cette très longue chaîne que vous entendez les sons, c'est à dire les ondes qui se propagent dans l'air autour de vous. L'oreille humaine réagit à des sons 20 à 20000 Hz. Un hertz, cela signifie un "battement" par seconde (une vague qui met une seconde à monter puis descendre). Les sons dont la fréquence est faible sont "graves", les sons dont la fréquence est élevée sont

Plus d'explications

Diffuser une fréquence, par exemple 300 Hz donne un cercle ou une forme de 8 et une autre fréquence (par exemple 200Hz) fait elle aussi un cercle légèrement différent. Alors comment cela se fait-il que lorsqu'on les diffuse ensemble on obtient une rosace en rotation très complexe ?

Il faut comprendre que le cercle que l'on voit c'est en fait un point (du pointeur laser) qui se déplace en décrivant un cercle tellement rapidement qu'on ne le voit même pas bouger. à 200Hz le point fera le tour du cercle 200 fois par seconde, alors qu'à 300Hz il le fera 300 fois par seconde. Donc même si les formes paraissent similaires, le point se déplace en faite à des vitesses très différentes selon les fréquences même si c'est imperceptible par l’œil humain.

En mélangeant les deux sons, les deux ondes qui ont des vitesses de propagation très diférentes se "mélangent". Sauf que l'orsque deux ondes "se mélangent", cela créé des interférences. À certains endroits elles s'additionnent, à d'autres elles s'annulent. Et cela forme, avec notre petit dispositif, des motifs très complexes même si les deux sons, au départ, formaient des motifs simples et très ressemblants.

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Les cuillères cloche

Sel qui danse

Les figures de Chladni. Ces figures sont obtenues en déposant une poudre sur un support puis en appliquant une vibration à ce support. Cela forme des motifs géométriques différents en fonction des sons appliqués. Le motif obtenu avec le laser dépend de la façon dont la membrane va bouger avec le son, et le laser permet de visualiser ce mouvement. Dans les figures de Chladni, le "pourquoi" du motif est différent. Le son se propage dans la plaque et par endroit les ondes se croisent. Dans certains cas les ondes s'additionnent, aussi l'amplitude du mouvement est plus grande, est cela chasse la poudre. À d'autres endroits les ondent se soustraient, et la poudre peut rester, elle s'accumule.

Éléments pédagogiques

Objectifs pédagogiques

Prendre conscience du fait que le son est une onde matérielle : c'est un mouvement

Manipuler des ondes et observer comment elles réagissent

Tester son audition

Transformer un signal en un autre, ici on transforme un son en motif lumineux

Sources et ressources

L'oreille externe

L'oreille interne

Les interférences expliquées chez Sciences étonnantes (attention, seule la première partie de la vidéo nous concerne, pour comprendre pourquoi le mélange d'ondes matérielles fait des choses bizarres. Ce dont nous traitons dans cette expérience ne concerne absolument pas la physique quantique !)

Dernière modification 24/02/2026 par user:Geneviève.

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