ANALYSE DE SIGNAUX PERIODIQUES APPLIQUEE AUX ... - Pierron
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Niveau 2 de<br />
THEME : LA SANTE<br />
Programme : BO n° 4 du 29 avril 2010<br />
LA SANTÉ<br />
NOTIONS ET CONTENUS COMPÉTENCES ATTENDUES<br />
Document du professeur 1/9<br />
Le diagnostic médical : l’analyse de signaux périodiques, l’utilisation de l'imagerie et des analyses médicales<br />
permettent d’établir un diagnostic. Des exemples seront pris dans le domaine de la santé<br />
(électrocardiogramme, électroencéphalogramme, radiographie, échographie, fibroscopie, …). L’observation<br />
de résultats d’analyses médicales permet d’introduire les notions de concentration et d’espèces chimiques<br />
ainsi que des considérations sur la constitution et la structure de la matière.<br />
Signaux périodiques : période, fréquence, tension<br />
maximale, tension minimale.<br />
Ondes sonores, ondes électromagnétiques.<br />
Domaines de fréquences.<br />
Pré requis<br />
o Utilisation de l'oscilloscope numérique<br />
o Utilisation d’un tableur recommandée mais non obligatoire.<br />
Mots-clé<br />
o Son<br />
o Audition<br />
o Niveau sonore<br />
Physique – Chimie<br />
<strong>ANALYSE</strong> <strong>DE</strong> <strong>SIGN<strong>AUX</strong></strong> <strong>PERIODIQUES</strong><br />
<strong>APPLIQUEE</strong> <strong>AUX</strong> SONS<br />
Connaître et utiliser les définitions de la période et de la<br />
fréquence d’un phénomène périodique.<br />
Identifier le caractère périodique d’un signal sur une<br />
durée donnée.<br />
Déterminer les caractéristiques d’un signal périodique.<br />
Extraire et exploiter des informations concernant la<br />
nature des ondes et leurs fréquences en fonction de<br />
l’application médicale.<br />
Liste de matériel :<br />
Poste élève<br />
o Microphone à électret (+ pile) Ref. : 03144<br />
o Adaptateur micro-oscillo de sécurité Ref. : 03061<br />
o Adaptateur BNC / Bananes Ref. : 02306<br />
o Cordon BNC / Bananes mâles de sécurité sans reprise arrière Ref. : 02318<br />
o GBF Amplifié 4 MHz Ref. : 04729<br />
o Oscilloscope numérique 2 x 50 MHz Ref. : 06123<br />
o Diapason Ref. : 02115<br />
o Sautereau Ref. : 02129<br />
o Casque audio Ref. : 08768<br />
o Un lecteur MP3<br />
o Un poste informatique avec tableur et connexion Internet.<br />
Poste professeur<br />
o Sonomètre Ref. : 06279<br />
o Planche didactique : les niveaux sonores Ref. : 09745<br />
o Un instrument de musique : exemple guitare<br />
© PIERRON 2011 Analyse de signaux périodiques (page 1)
Remarques et astuces :<br />
Document du professeur 2/9<br />
o Concernant le relevé de la sensibilité de l’oreille, il faut bien mettre en garde contre le fait qu’il ne<br />
s’agit aucunement d’un audiogramme médical !<br />
o La partie 3 relative au niveau sonore des baladeurs MP3 est très prisée des élèves et permet de les<br />
sensibiliser aux dangers d'une écoute à niveau sonore élevé.<br />
o Le fichier mosquito.mp3 est téléchargeable sur le site www.pierron.fr<br />
Prolongement<br />
o En liaison avec le professeur de S.V.T. le professeur peut présenter la structure de l’oreille<br />
© PIERRON 2011 Analyse de signaux périodiques (page 2)
Nom :<br />
Prénom :<br />
Classe :<br />
Date :<br />
Objectifs :<br />
Document du professeur 3/9<br />
- Analyse d'un son : comprendre ce qui distingue un son simple d'un son<br />
complexe<br />
- Découvrir ce que l'oreille humaine peut entendre<br />
- Protéger ses oreilles des niveaux sonores trop élevés<br />
- Apprendre à utiliser un oscilloscope numérique<br />
ACTIVITÉ 1 : Analyse d'un son<br />
Montage :<br />
Un microphone délivre une tension très faible. Pour pouvoir exploiter ce signal, il est nécessaire de<br />
l'amplifier. Vous disposez du matériel suivant :<br />
Microphone à électret Adaptateur micro-oscillo de<br />
sécurité<br />
Adaptateur BNC / bananes<br />
GBF avec amplificateur intégré Cordon BNC / Bananes Oscilloscope Numérique<br />
- Relier le microphone à l'entrée de l'amplificateur utilisé. Relier la sortie de l'amplificateur à la voie 1 de<br />
l'oscilloscope.<br />
- Faire vérifier le montage par le professeur.<br />
1. Analyse du son émis par un diapason :<br />
Physique – Chimie<br />
Thème : La Santé<br />
<strong>ANALYSE</strong> <strong>DE</strong> <strong>SIGN<strong>AUX</strong></strong> <strong>PERIODIQUES</strong><br />
<strong>APPLIQUEE</strong> <strong>AUX</strong> SONS<br />
© PIERRON 2011 Analyse de signaux périodiques (page 3)
Document du professeur 4/9<br />
On dispose d’un diapason monté sur sa caisse de résonance et d’un sautereau pour le frapper :<br />
Diapason Sautereau<br />
- Mettre le balayage de l'oscilloscope numérique en mode « normal » c’est à dire en acquisition<br />
permanente.<br />
Dans ce mode, on figera l'écran en appuyant sur la touche " Run/Stop "<br />
- Introduire le microphone dans la caisse de résonance du diapason et frapper ce dernier avec le<br />
sautereau<br />
- Ajuster les réglages de sensibilité verticale et de base de temps pour obtenir une courbe utilisable à<br />
l'écran<br />
- Refaire la manipulation et figer le signal sur l'écran.<br />
- Sauvegarder l'écran sous forme d'image au format BMP :<br />
1. Quelle est l'allure de la tension observée ?<br />
On observe une tension périodique sinusoïdale<br />
2. A l'aide de l'outil "Curseurs" mesurer sa période T et sa fréquence f :<br />
T = 2, 28 ms ; f = 1/T soit f = 437 Hz<br />
3. L'oscilloscope dispose d'un outil d'analyse des fréquences FFT disponible dans le menu<br />
"Math". Activer ce mode et choisir une fenêtre d'analyse de type Hanning.<br />
Combien de pics de fréquence observe-t-on sur ce graphe ?<br />
Activer le curseur sur la source FFT pour mesurer la valeur de cette fréquence :<br />
On lit f = 440 Hz<br />
4. La note émise par ce diapason est un LA 440. Justifier cette appellation :<br />
440 représente la fréquence du son émis soit 440 Hz<br />
Oscillogramme observé :<br />
© PIERRON 2011 Analyse de signaux périodiques (page 4)
2. Analyse du son émis par un instrument de musique :<br />
Document du professeur 5/9<br />
On reprend le principe de la manipulation précédente, en plaçant le microphone à proximité ou dans<br />
la caisse de résonance d'un instrument de musique émettant la même note. Sur une guitare, il faudra<br />
pincer la première corde, la plus fine, en case 5.<br />
1. Quelle est l'allure de la tension observée ?<br />
La tension observée est périodique mais non sinusoïdale<br />
2. A l'aide de l'outil "Curseurs" mesurer sa période T’ et sa fréquence f’:<br />
T’ = 2, 28 ms ; f’ = 1/T’ soit f’= 437 Hz<br />
3. Combien de pics de fréquence observe-t-on sur ce graphe ?<br />
A l'aide du curseur activé sur la source FFT mesurer les valeurs de ces différentes fréquences :<br />
On lit 440Hz, puis 880 Hz, 1320 Hz……. 4400 Hz<br />
4. Que remarque-t-on en ce qui concerne ces fréquences ?<br />
Ce sont des multiples entiers de la fréquence de base (440 Hz)<br />
Un exemple d'oscillogramme obtenu : le curseur B est placé en différents pics<br />
Compléter la conclusion 1 ci-dessous avec les mots : complexe, fréquence, sinusoïdal<br />
Conclusion 1<br />
Un son pur, cristallin, comme celui émis par le diapason, est un son d'allure sinusoïdale constitué<br />
d'une seule fréquence.<br />
Le son émis par un instrument de musique est un son complexe constitué de plusieurs fréquences<br />
multiples de la fréquence fondamentale. Ces fréquences multiples s’appellent des harmoniques.<br />
© PIERRON 2011 Analyse de signaux périodiques (page 5)
ACTIVITÉ 2 : Les sons audibles<br />
1. La sonnerie "anti-jeunes" (ou "anti-profs"… ou anti-moustiques !)<br />
Extrait d'un article trouvé sur le site du journal Libération :<br />
Document du professeur 6/9<br />
Comment faire fuir à coup sûr, en moins de dix minutes, une bande de jeunes quelque peu excités,<br />
sans sortir son fusil de chasse, ni même menacer d'appeler la police ? La solution s'appelle Mosquito.<br />
Une invention britannique qui suscite une belle polémique en Belgique. De quoi s'agit-il ? Mosquito<br />
est un émetteur de sons ultra-aigus. Physiquement, c'est un petit boîtier muni d'un haut-parleur. Mais<br />
il a surtout une particularité : le son qu'il diffuse est inaudible pour les plus de 25 ans, mais<br />
insoutenable pour les oreilles des adolescents. Difficile à croire ? Non, le phénomène est classique,<br />
répondent les spécialistes. «Un bébé entend des fréquences de 20 000 hertz. Dès 20 ans, ces sons<br />
aigus deviennent progressivement inaudibles. Au-delà de 8 000 hertz, on ne les entend plus à l'âge<br />
adulte», explique l'oto-rhino-laryngologiste (ORL) Phillipe MAHILLON. D'où l'idée de la société<br />
britannique Compound Security Systems d'utiliser ce vieillissement auditif inéluctable pour imaginer<br />
un répulsif sonore anti-jeunes.<br />
On va maintenant analyser le son anti-jeune : brancher un casque audio sur la sortie casque de<br />
l'ordinateur. Charger le fichier " mosquitone.mp3 ".<br />
1. Entendez-vous le son émis ?<br />
Oui en principe pour les adolescents<br />
2. Votre professeur l'entend-il ?<br />
Cela dépend de son âge…mais la réponse est sûrement non !<br />
Placer le microphone contre l'une des oreillettes du casque audio et analyser le son émis à l'aide de<br />
l'oscilloscope.<br />
3. Quelle est l'allure de la tension observée ?<br />
La tension observée est sinusoïdale<br />
4. A l'aide de l'outil " Curseurs " mesurer sa période et sa fréquence :<br />
T = 5,8 × 10 -5 s ; f = 17,2 kHz<br />
5. Qu'est-ce qui distingue le son émis par le diapason de celui émis par le boitier anti-jeunes ?<br />
Le son émis par le diapason a une fréquence beaucoup plus faible<br />
Oscillogramme obtenu :<br />
© PIERRON 2011 Analyse de signaux périodiques (page 6)
2. Réalisation d'un test d'audition :<br />
Aller sur le site http://www.phys.unsw.edu.au/jw/hearing.html<br />
(University New South Wales en Australie).<br />
Document du professeur 7/9<br />
Dans le tableau présenté à l'écran, un clic sur un des petits rectangles génère sur la sortie audio<br />
un son : un son à 0 dB (décibel) est très fort ; un son à -99 dB est très faible.<br />
A chaque colonne correspond une fréquence (de 30 Hz à 16 kHz) et à chaque ligne correspond un<br />
niveau sonore (de 0 dB à -99 dB).<br />
NE JAMAIS <strong>DE</strong>MARRER UNE COLONNE EN CLIQUANT UNE <strong>DE</strong>S CASES DU<br />
PREMIER TIERS SUPERIEUR !<br />
1. Placer le casque audio sur ses oreilles.<br />
2. Choisir dans la colonne 1 kHz un niveau qui donne un ressenti confortable : son ni trop fort ni<br />
trop faible. Ce niveau ressenti sert alors de référence.<br />
3. Passer à la colonne 750 Hz et chercher le niveau qui donne le même ressenti.<br />
4. Continuer ainsi jusqu'à la colonne 30 Hz en se référant toujours au ressenti à 1 kHz<br />
5. Recommencer le travail pour les hautes fréquences.<br />
6. Compléter le tableau ci dessous qui a ici été rempli par le professeur :<br />
f(Hz) 30 45 60 90 125 187 250 375 500<br />
Niveau<br />
(dB)<br />
0 - 9 -18 -30 -30 -33 -33 -33 -33<br />
f(Hz) 750 1000 1500 2000 3000 4000 6000 8000 12000 et<br />
16000<br />
Niveau<br />
(dB)<br />
-33 -33 -33 -45 -45 -36 -33 -33 0<br />
7. Rentrer ces données dans un tableur et tracer la courbe du niveau en fonction de la<br />
fréquence. L'axe des fréquences sera choisi en unité logarithmique.<br />
8. Imprimer cette courbe dans le cadre ci-après<br />
Un exemple de résultat :<br />
© PIERRON 2011 Analyse de signaux périodiques (page 7)
et sa transcription dans le tableur :<br />
Document du professeur 8/9<br />
Remarque importante : ce test ne doit pas être pris comme un véritable audiogramme réalisé en<br />
cabinet médical. En effet, les résultats peuvent être altérés par les caractéristiques de la carte son<br />
de l'ordinateur et celles du casque audio utilisé.<br />
Conclure sur la sensibilité de l'oreille aux différentes fréquences :<br />
Conclusion<br />
La sensibilité de l'oreille n'est pas la même à toutes les fréquences : l'oreille est plus sensible aux<br />
fréquences comprises entre 1 et 4 kHz. Cette sensibilité évolue aussi avec l'âge.<br />
3. Niveau sonore d'un lecteur MP3 :<br />
- Régler le volume de votre MP3 à votre valeur d'écoute habituelle avec votre morceau de musique<br />
préféré.<br />
- Retirer l'oreillette de l'oreille et placer le microphone du sonomètre numérique contre l'oreillette.<br />
Mesurer le niveau sonore<br />
- Situer ce niveau sur l'échelle des niveaux sonores représentés sur la planche didactique :<br />
© PIERRON 2011 Analyse de signaux périodiques (page 8)
- Refaire la manipulation avec le volume réglé à sa valeur maximum :<br />
Mesurer le niveau sonore<br />
Document du professeur 9/9<br />
Conclusion<br />
Il y a grand danger à écouter un baladeur MP3 avec le son réglé au maximum.<br />
Les risques de surdité précoce sont très importants par destruction de l’oreille interne<br />
© PIERRON 2011 Analyse de signaux périodiques (page 9)