A l’aide d'une enceinte et d'un laser, vous pouvez visualiser précisément les vibrations de l'air que sont les sons.
Difficulté
Facile
Durée
15 minute(s)
Disciplines scientifiques
Acoustique, Optique
Sommaire
- 1 Introduction
- 2 Video d'introduction
- 3 Étape 1 - Créer une membrane tendue
- 4 Étape 2 - Coller le fragment de miroir sur la membrane
- 5 Étape 3 - Préparer le laser
- 6 Étape 4 - Réglage de la position des appareils
- 7 Étape 5 - Support de projection
- 8 Étape 6 - Différentes musiques et instruments
- 9 Étape 7 - Sculpter les sons avec des fréquences pures
- 10 Comment ça marche ?
- 11 Commentaires
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
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.
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. 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.
Ballon de baudruche 
Un ballon gonflable fait d'une membrane en caoutchouc qui se tend quand on souffle dedans.
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.
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).
Scotch 
Scotch transparent
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 synthétique, 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
Même si c'est moins agréable à l'oreille, on peut diffuser des fréquences pures on voit alors des formes spécifiques uniques pour chaque fréquence sonore. Ces 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
Tester plusieurs tailles et positions de l'éclat de miroir pour voir ce qui change.
Pour commencer aller voir cette vidéo qui balaie toutes les fréquences audibles pour l'être humain :
https://www.youtube.com/watch?v=qNf9nzvnd1k
En regardant les formes que ça crée avec le laser, vous devriez arriver à déterminer à quelles fréquences réagit votre membrane. Par exemple pour moi, au delà de 550 Hz ma membrane ne réagit quasiment plus, donc je concentre mes expérimentation entre 40HZ et 500Hz (des sons graves) pour des résultats intéressants.
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.
https://drive.google.com/file/d/1ga3zLrLWE55TubSalnCFlchkmxrHitbL/view?usp=share_link (choisissez de télécharger)
Crédit du fichier Javascript : Steve Mould et Haveboard, traduit en français par moi.
Cliquer sur commencer pour diffuser ou couper le son et vous pouvez ensuite appuyer sur les boutons ou les touches de votre clavier pour faire varier les fréquences.
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.
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.
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. Dans votre oreille ce sont des petits os, qu'on appelle la chaine des osselets qui vont percevoir ces vibrations précises du tympan et vous permettre d'entendre les sons. Cette membrane réagit au sons de 40 à 500 Hz (Un Hertz c'est un battement par seconde) La où votre oreille peut percevoir de 20 à 20000 Hz.
Plus d'explications
Vous serez peut-être surpris de voir que diffuser une fréquence, par exemple 300 Hz donne un cercle ou une forme de 8 et qu'une autre fréquence seule (par exemple 200Hz) fait elle aussi un cercle légèrement différent, mais lorsque qu'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 similaire, le point se déplace en faite à des vitesses très différentes selon les fréquences mais de toute façon imperceptible par l’œil humain.
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Les figures de Chladni. L'expérience décrite sur cette page permet de visualiser les déplacer d'un endroit précis de la membrane (le zone couverte par le miroir). Pour les figures de Chladni, on visualise les modes de vibrations de toute la membrane mais on se limite à une seule fréquence à la fois.
Dernière modification 10/12/2022 par user:Benjamin h.
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