Second prix aux Olympiades de Physique pour le lycée Guez...

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Second prix aux Olympiades de Physique pour le lycée Guez de Balzac d’Angoulême Un groupe de 7 élèves s’est investi dans un projet interdisciplinaire intitulé « Un son venu d’ailleurs » regroupant la physique , les sciences de la Vie et de la Terre, la musique et l’anglais. Ils ont remis au goût du jour un instrument de musique très ancien : le thérémine. La Physique intervient dans la conception et l’analyse didactique du thérémine. Les SVT s’intéressent à la physiologie de l’oreille. Le thérémine est l’instrument de musique le plus difficile au monde, une petite initiation par un professionnel s’impose. Les élèves ont présenté une grande partie du projet devant le jury en anglais. Les élèves*, ambassadeurs du projet, présentent le thérémine à Michel Spiro, parrain des Olympiades, physicien et président du conseil du CERN. *De gauche à droite : Aurore Biardeau, Alexandre Rousseau, Manon Ruffini, Claire Gosselin, Marion Doucet.

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Second prix aux Olympiades de Physique pour le lycée Guez de Balzac d’Angoulême Un groupe de 7 élèves s’est investi dans un projet interdisciplinaire intitulé « Un son venu d’ailleurs » regroupant la physique , les sciences de la Vie et de la Terre, la musique et l’anglais. Ils ont remis au goût du jour un instrument de musique très ancien : le thérémine. La Physique intervient dans la conception et l’analyse didactique du thérémine. Les SVT s’intéressent à la physiologie de l’oreille. Le thérémine est l’instrument de musique le plus difficile au monde, une petite initiation par un professionnel s’impose. Les élèves ont présenté une grande partie du projet devant le jury en anglais.

Les élèves*, ambassadeurs du projet, présentent le thérémine à Michel Spiro, parrain des Olympiades, physicien et président du conseil du CERN. *De gauche à droite : Aurore Biardeau, Alexandre Rousseau, Manon Ruffini, Claire Gosselin, Marion Doucet.

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Avis du jury. Vous avez eu la capacité de faire chanter les condensateurs. Nous vous décernons

LE PRIX DE L'INSTRUMENT DU TROISIÈME TYPE (2EME PRIX)

I. Origine du thérémine Le thérémine est l’ancêtre des instruments de musique électronique. Cet instrument a été inventé en 1919 par le physicien russe Léon Theremin. Il a réalisé son instrument en utilisant les composants électroniques de l’époque (essentiellement des tubes électroniques à vide). Pour jouer d’un tel instrument il suffit de déplacer ses doigts dans l’air en éloignant ou en rapprochant sa main droite d’une antenne verticale et sa main gauche d’une boucle horizontale. Le HP de l’instrument émet alors un son audible dont la fréquence dépend de la position de la main droite et dont l’intensité sonore dépend de la position de la main gauche. Tout l’art du musicien est de connaître le rapport entre la position de ses mains et la note qu’il veut produire. « On a l’impression de jouer avec un nuage »

Alexandre Rousseau en action devant un thérémine commercial

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Aujourd’hui, exhumé par les musiciens à la mode, cet instrument à l’allure techno est de nouveau entendu dans des chansons comme Cyber de Zazie ou encore Chère inconnue de Benjamin Biolay.

II. Description sommaire du thérémine didactique

Comment peut-on émettre un son sans toucher l’instrument ? Afin de répondre à cette problématique, les élèves ont construit un thérémine en utilisant l’électronique analogique contemporaine et ont analysé de façon didactique son fonctionnement.

L’instrument didactique comprend essentiellement deux étages : l’étage tonalité et l’étage volume sonore.

Vue d’ensemble du thérémine didactique

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a.Le module tonalité comprend un oscillateur sinusoïdal (circuit LC) relié à une plaque métallique jouant le rôle d’antenne. Lorsque l’on approche la main de l’antenne on modifie la capacité du circuit oscillant donc sa fréquence d’oscillation. Peut-on réaliser sur cette base un instrument de musique ? Prenons une fréquence d’oscillation située dans le domaine audible, par exemple 1000Hz. Quelle sera approximativement la variation de fréquence de l’oscillateur lorsque l’on approche la main ? La capacité de l’oscillateur augmente alors d’environ 2pF. La fréquence d’oscillation diminue d’une vingtaine de hertz. Cette variation de fréquence, très faible, sera à peine perçue et sera donc sans intérêt musical. Pour obtenir une variation de fréquence importante, il faudra choisir une fréquence de référence élevée. Pour une fréquence d’oscillation de 1MHz, la diminution de fréquence lorsque l’on approche la main de l’antenne est de l’ordre de 20 kHz ! Mais on reste dans le domaine non audible. Comment obtenir des fréquences audibles ? Pour obtenir des fréquences audibles on va associer deux oscillateurs électriques (1) et (2) oscillant à des fréquences voisines f1 et f2 (fréquence de l’ordre du MHz) L’oscillateur (1) (circuit oscillant) relié à l’antenne délivre une tension de fréquence f1, fréquence qui dépend de la position de la main L’oscillateur (2) (générateur de signaux) délivre une tension alternative sinusoïdale u2 de fréquence f2 fixe Ces deux tensions u1 et u2 sont ensuite multipliées à l’aide d’un multiplieur analogique. On obtient un signal HF u3 de fréquence f1+f2, modulé par un signal BF de fréquence f1-f2. Cette différence de fréquence se situe alors dans le domaine audible.

A l’aide d’un filtre passe - bas, on peut éliminer le signal HF et extraire le signal dont la fréquence est la différence de celles des deux oscillateurs. Ce signal audible, filtré, amplifié, va alimenter le haut parleur.

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Synoptique du montage

b. Le module Volume Sonore

Cette partie est basée sur le même principe que le module Tonalité. Elle comprend deux oscillateurs dont l’un est relié à une antenne. Les tensions issues de ces deux oscillateurs sont multid’un multiplieur analogique et comme précédemment on extrait le signal BF à l’aide d’un filtre passeLa tension u à la sortie du filtre passe alternative sinusoïdale dont la fréquence f varie en fonction de la position de la main. Cette tension alternative sinusoïdale de fréquence variable est convertie à l’aide d’un convertisseur fréquence – tension en une tension continue U proportionnelle à la fréquence f U =Kf

Synoptique

c. Comment obtenir un variable ?

Oscillateur(1)

Oscillateur (2)

Oscillateur (1)

(circuit oscillant)

Oscillateur (2)

Synoptique du montage

Le module Volume Sonore

Cette partie est basée sur le même principe que le module Tonalité. Elle comprend deux oscillateurs dont l’un est relié à une antenne. Les tensions issues de ces deux oscillateurs sont multipliées à l’aide d’un multiplieur analogique et comme précédemment on extrait le signal BF à l’aide d’un filtre passe-bas. La tension u à la sortie du filtre passe - bas est une tension alternative sinusoïdale dont la fréquence f varie en fonction de la

ition de la main. Cette tension alternative sinusoïdale de fréquence variable est convertie à l’aide d’un convertisseur

tension en une tension continue U proportionnelle à la

Comment obtenir un son de fréquence et d’intensité

Ampli Filtre

Filtre

Passe-bas u1

u2 u3

Cette partie est basée sur le même principe que le module Tonalité. Elle comprend deux oscillateurs dont l’un est relié à une antenne.

pliées à l’aide d’un multiplieur analogique et comme précédemment on extrait le

bas est une tension alternative sinusoïdale dont la fréquence f varie en fonction de la

ition de la main. Cette tension alternative sinusoïdale de fréquence variable est convertie à l’aide d’un convertisseur

tension en une tension continue U proportionnelle à la

son de fréquence et d’intensité

Convertisseur

Fréquence-

tension

U = kf

Ampli

HP

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La tension de sortie du module Tonalité, tension dont la fréquence dépend de la position de la main devant l’antenne, est appliquée sur une voie d’entrée d’un multiplieur. La tension de sortie du module Volume Sonore, tension dont l’amplitude dépend de la position de la main devant l’antenne, est appliquée sur l’autre voie d’entrée du multiplieur. La tension de sortie du multiplieur est donc une tension alternative sinusoïdale dont la fréquence et l’amplitude dépendent des positions des mains devant les deux antennes.

Tension de sortie du module Tonalité

Tension de sortie du module Volume Sonore

Ampli

Alexandre Rousseau en action devant les antennes du thérémine didactique