Les tuyaux sonores.

TP04 Chapitre 07 : Instruments de musique.
Le « Blue man group » est un groupe allemand qui utilise des instruments particuliers.
Le tuyau en PVC est l'instrument de prédilection des Blue Man. Ces tuyaux en PVC sont
fixes et permettent de jouer sur une octave. Chaque instrumentiste en possède un
différent. Les tuyaux sont disposés de telle sorte à avoir l'ouverture face à eux ce qui leur
permet de frapper dessus avec des spatules. Le son est donc différent en fonction de la
longueur du tube.
Le nom de tubulum proviendrait du terme « Tube you lum ».
Dans ce TP, nous allons étudier le son transmis par un tube en PVC.
Document 1 : Principe général :
« Les instruments à vent produisent leurs sons par le
souffle du musicien qui met l'air en vibration.
Ils sont subdivisés en deux catégories :
 Les bois : clarinette, saxophone, flûte traversière
 Les cuivres : trombone, trompette, cor, tuba …
Le moyen employé pour émettre le son et le faire
résonner déterminera s'il s'agit d'un bois ou d'un cuivre.
Le résonateur est le dispositif qui va amplifier le son. Pour
les 2 catégories, il s'agit d'une colonne d'air (tuyau
contenant de l'air) qui constitue le corps de l'instrument.
Les bois ont une anche simple ou double qui vibre au
passage de l'air. La flûte traversière possède elle une
"embouchure" particulière, un biseau sur lequel l'air
projeté par le flûtiste se mettra en vibration.
Les cuivres ont une embouchure, ce sont les lèvres du
musicien qui font vibrer l'air. »
Document 3 : Micro à électret.
Un micro à électret, sensible à la pression, est relié à une
centrale d’acquisition. Il détecte des variations locales de
pressions ∆P par rapport à la pression atmosphérique
moyenne Pa : la pression de l’air en un point de la colonne
d’air est P = Pa + ∆P. Un maximum de tension correspond
Document 2 : mode propre de vibration pour un
tuyau avec les deux extrémités ouvertes.
(position des ventres et nœuds d’amplitudes).
à un maximum de ∆P et un minimum de tension
correspond à un minimum de ∆P.
Dans les zones de haute pression (∆P maximal) l'air vibre
très peu : ainsi à un ventre de pression de l’air
correspond à un nœud de vibration de l’air. Inversement
à nœud de pression de l’air correspond à un ventre de
vibration de l’air.
TRAVAIL A FAIRE
S’approprier : Mode de fonctionnement d’un tuyau ouvert.
1. On considère un tuyau de longueur L ouvert aux deux extrémités.
Représenter le mode fondamental puis établir une relation entre la longueur du tuyau et la longueur
d’onde des ondes sonores sinusoïdales s’y propageant.
2. Proposer une relation pour les harmoniques de rang n=2 et n=3.
3. En déduire une relation dans le cas général entre L et .
4. En déduire une relation entre la fréquence f d’une harmonique de rang n et la longueur du tuyau L.
Réponses :
TP04 Chapitre 07 : Instruments de musique.
Etude expérimentale des oscillations forcées dans un tuyau ouvert.
On réalise le montage ci-contre :
Un GBF alimente un haut-parleur avec une tension sinusoïdale de
fréquence réglable f. Le GBF force l'air du tube, ouvert aux deux
extrémités, à vibrer longitudinalement : la colonne d’air est alors soumise à
des oscillations forcées. On place un micro à électret.
Réaliser : Recherche des fréquences de vibration.
Dans le cas de la recherche du fondamental, à quel endroit doit-on placer le micro ? ………….
Augmenter la fréquence f du GBF à partir de la valeur nulle, et relever la fréquence pour laquelle la colonne d'air
émet un son intense. On pourra s’aider de l’amplitude du signal observé à l’oscilloscope.
f 1 = ………..
Dans le cas de la deuxième fréquence à quel endroit doit-on placer le micro ? ………….
Augmenter la fréquence f du GBF, et relever la fréquence pour laquelle la colonne d'air émet un son intense.
Compléter le tableau :
Valider : utiliser les mesures.
Calculer les rapports :
f2/2 =
f3/3 =
et f4/4 =
Quelle relation simple existe-t-il entre la fréquence fn de l’harmonique de rang n et la fréquence f1 du
fondamental ?
Réaliser : Recherche des nœuds de vibration.
Pour la fréquence f3, déplacer le micro dans le tube et relever les positions des ventres et nœuds de pression.
Schématiser la position des nœuds et des ventres de pression dans le tube d'air puis la position des ventres et
nœuds de vibration de l'air sur les schémas ci-dessous.
Valider : utiliser les mesures.
1. Quelle est la distance moyenne entre deux nœuds successifs ?
2. Entre deux ventres consécutifs ?
3. Comparer cette distance moyenne d à L/3.
4. Généraliser les résultats à l’harmonique de rang n.
5. La célérité du son est V = 340 m.s-1. Quelle est la longueur d’onde du son dans le tube ?
6. Quelle relation existe-t-il entre d et λ ?
Réponses :