Animation réalisée en collaboration avec le Musée des arts et métiers - Paris.

Le principe de fonctionnement de toute horloge mécanique repose sur la combinaison des trois fonctions suivantes:

• Une source d'énergie qui permet d'entretenir le mouvement de rotation (ici un poids moteur).
• Un régulateur: Un pendule (ou balancier) donne une référence de temps précise et invariable. Le système d’échappement, couplé au pendule, permet de cadencer la libération de l’énergie.
• Un affichage: des graduations et aiguilles donnent accès à l’information.

L'échappement est généralement à ancre comme sur cette animation. Pour de petits angles (<5°) d’oscillation du balancier, on approche de la condition d'isochronisme: la période du pendule ne dépend pratiquement que de sa longueur et de la gravité du lieu  (mais pas de la masse du pendule ni des amplitudes d’oscillations). Par exemple, à Paris, un pendule d’un mètre a une période de deux secondes. En allongeant le pendule on augmente la période des oscillations.

Une onde stationnaire est la somme de deux ondes progressives se propageant dans des directions opposées.

Pour obtenir 2 ondes progressives rigoureusement de même fréquence, et se propageant dans deux directions opposées, il faut considérer un dispositif capable de réfléchir l'onde incidente sans la déformer. L'équivalent d'un miroir pour la lumiére en quelque sorte.

C'est ce qu'on observe ici. Une onde incidente (progressive) rencontre une modification de son milieu de propagation. Des conditions aux limites sont alors à prendre en considération. Dans les cas particuliers d'une extrémité libre ou fixe, nous obtenons une réflexion totale comme indiquée dans l'animation.

L'onde résultante, qui est la somme de l'onde incidente et de l'onde réfléchie, est une onde stationnaire. Certains points restent immobiles à tout instant (noeuds) alors que d'autres vibrent avec une amplitude maximale (ventres).

Pourquoi chaque instrument de musique posséde son propre timbre ?

Pourquoi la même note de musique jouée par deux instruments différents conduit à des sensations auditives différentes ?

Le signal électrique délivré par le microphone est l'image fidèle du son émis par le haut parleur. L'oscilloscope nous délivre l'image temporelle de ce signal. Il est périodique et sa fréquence caractérise la hauteur de la note.

Une étude fréquentielle. à l'aide d'un analyseur de spectre, permet de représenter le même signal d'une autre façon. C'est grâce à cette analyse fréquentielle que l'on explique la différence de timbre entre chaque instrument de musique.

Un microphone est un transducteur qui convertit une onde mécanique (acoustique) en un signal électrique. De ce point de vue, c'est le symétrique du haut-parleur. Il existe différents types de microphones. Dans chaque cas, nous trouverons un élément vibrant sous l'effet de l'onde sonore et l'exploitation d'une loi physique pour convertir cette vibration mécanique en signal de nature électrique.

Voici un tuyau de 50 cm rempli d’air. Il est ouvert à une de ses extrémités et à l’autre se trouve un haut-parleur qui émet un son pur de fréquence 680 Hz. Cette fréquence correspond justement à la fréquence de résonance de l’harmonique de rang 2 pour ce tube. Nous observons ici l’onde stationnaire caractéristique de ce mode. On dit que la colonne d’air résonne.
Les couches d’air qui ne bougent jamais sont localisées sur les nœuds de vibration.
Les couches d’air qui vibrent avec la plus grande amplitude sont situées sur les ventres de vibration.

La courbe s(x,t) mesure l’amplitude du déplacement horizontal d’une couche d’air d’abscisse x.
Un microphone est sensible non pas au déplacement mais à la pression. Nous constatons qu’à un nœud de vibration correspond un ventre de pression et inversement, un ventre de vibration est un nœud de pression.

Lorsque l'on joue un DO avec la plupart des instruments de musique, on fait résonner un ensemble de notes en plus du DO fondamental. Ce sont les harmoniques. Même s'ils sont plus faibles en intensité, ils participent à notre perception du timbre de l'instrument.

On reconnaîtra dans les premiers harmoniques de la série les notes de l'accord parfait (tonique-quinte juste-tierce majeure). C'est pour cette raison que cet accord nous semble si "harmonieux" et équilibré. En jouant la tierce et la quinte en plus de la tonique, nous ne faisons que renforcer des notes déjà présentes dans la tonique.

Remarque: Cette animation illustre les harmoniques "cachés" derriére une seule note jouée (ici le Do grave). En survolant une note de la portée, la vibration du mode correspondant est affichée. Ainsi le SOL en harmonique 3 est un mode entendu lorsqu'on joue le DO du bas. Il ne s'agit pas de la note SOL jouée sur l'instrument, mais d'un son pur dont la hauteur correspond à un SOL.

La vibration d'une corde de guitare résulte de la somme d'une infinité de vibrations dont les fréquences sont toutes multiples d'une fréquence référence appelée fondamentale. Ces vibrations individuelles sont les modes de vibrations ou harmoniques.
Leur fréquence dépend de la longueur de la corde. Plus la corde est courte, plus la fréquence est élevée et plus le son sera aigu.
Le premier harmonique (le fondamental) est celui qui contient la plus grande partie de l'énergie. C'est donc lui que nous entendons le plus.
Cette simulation permet d'isoler les premiers harmoniques, un par un, sachant que dans la réalité, cette séparation est impossible.

August Kundt est un physicien Allemand de la deuxième moitié du XIX^e siècle. Il a beaucoup étudié la lumière et le son, deux domaines pour lesquels la physique des ondes occupe une place centrale.
Afin d'étudier les ondes stationnaires sonores, il utilise un tube transparent rempli d'air et d'une fine poussière (du talc).

A l'aide d'un piston frappant une membrane à l'extrémité du tube, il cherche les conditions lui permettant d'obtenir des ondes stationnaires. Les nœuds et les ventres de vibrations sont alors visibles à travers le tube grâce au talc qui se concentre au niveau des nœuds.
Ne pouvant faire varier la fréquence, Kundt modifiait la longueur du tube.
Dans cette simulation, la longueur est maintenue constante et c'est la fréquence d'excitation qui est réglable. Le résultat est le même: On observe un phénomène de résonance lorsque la longueur L du tube et la longueur d'onde du son émis par le haut parleur sont dans un rapport déterminé.

Le haut parleur est un système qui transforme un signal de nature électrique en un signal de nature mécanique. Au cœur de ce système, nous trouvons une bobine de fil conducteur parcourue par un courant, qui se déplace sous l'effet des forces magnétiques. Une membrane souple, accrochée à cette bobine, agit comme un piston qui pousse l'air alentour.
Cette animation est ralentie plusieurs milliers de fois si on considère que les signaux audibles sont compris entre 20 Hz et 20.000 Hz.

Le son se propage dans l'air sous la forme d'une onde de pression d'intensité variable.

Notre oreille est sensible à ces fluctuations et les convertit en impulsions nerveuses que notre cerveau sait interpréter.

Toute anomalie dans la transmission du son entre l'oreille externe et l'oreille interne ou un problème d'interprétation par le cerveau provoque une surdité partielle ou totale.

Une perte auditive est décelée pendant un test audiométrique pratiqué par un spécialiste. Le résultat prend la forme d'un graphique nommé audiogramme.