Voir la source de Visualiser les sons avec un laser

{{Tuto Details
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|Licences=Attribution (CC-BY)
|Description=A l’aide d'une enceinte et d'un laser, vous pouvez visualiser précisément les vibrations de l'air que sont les sons.
|Disciplines scientifiques=Acoustics, Optical
|Difficulty=Easy
|Duration=15
|Duration-type=minute(s)
|Tags=Laser, Son
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{{Introduction
|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.

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}}
{{TutoVideo
|VideoType=Youtube
|VideoURLYoutube=jVFarJXbPaQ
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{{Materials
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|Item=Laser
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|Item=Haut parleur
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|Item=Miroir
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|Item=Ballon de baudruche
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|Item=Pince à linge
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|Item=Colle
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|Item=Ordinateur
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|Item=Scotch
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|ExternalAttachmentsLinks=https://drive.google.com/file/d/1ga3zLrLWE55TubSalnCFlchkmxrHitbL/view
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{{Tuto Step
|Step_Title=Créer une membrane tendue
|Step_Content=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.
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{{Tuto Step
|Step_Title=Coller le fragment de miroir sur la membrane
|Step_Content=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.
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{{Tuto Step
|Step_Title=Préparer le laser
|Step_Content=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
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{{Tuto Step
|Step_Title=Réglage de la position des appareils
|Step_Content=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.
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{{Tuto Step
|Step_Title=Support de projection
|Step_Content=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)
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{{Tuto Step
|Step_Title=Différentes musiques et instruments
|Step_Content=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)
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{{Tuto Step
|Step_Title=Sculpter les sons avec des fréquences pures
|Step_Content=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 [https://www.youtube.com/watch?v=qNf9nzvnd1k cette vidéo] qui balaie toutes les fréquences audibles pour l'être humain.

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.


[https://drive.google.com/file/d/1ga3zLrLWE55TubSalnCFlchkmxrHitbL/view?usp=share_link 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 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.
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{{Notes
|Observations=Des formes dansent avec la musique, plus le son est fort plus les formes grandissent !
|Avertissement=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.

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|Explanations=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
|Deepen=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.
|Related=[https://www.wikidebrouillard.org/wiki/Cuill%C3%A8re_cloche Les cuillères cloche]

[[Sel qui danse]]

[https://fr.wikipedia.org/wiki/Figure_de_Chladni Les figures de Chladn]i. 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.
|Objectives=Prendre conscience du fait que le son est une onde matérielle : c'est un mouvement

Transformer un signal en un autre, ici on transforme un son en motif lumineux
|Notes=[https://fr.wikipedia.org/wiki/Oreille_externe L'oreille externe]

[https://irem-limoges.canoprof.fr/eleve/Son-et-musique-ES1ere-prof/activities/SonEtMusiqueENSSCIENTIFIQUE1ere_35.xhtml L'oreille interne]

[https://www.youtube.com/watch?v=zPolTp0ddRg 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 !)
}}
{{Tuto Status
|Complete=Published
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