Atténuation du son par matériaux
| Projet | Durée | Difficulté | Âge |
|---|---|---|---|
| The Dexter Lab | 2-3 heures | Intermédiaire | 13-18 ans |
Problématique : Quels sont les matériaux habituels qui peuvent atténuer le son ?
Matériel
- 1 carte programmable "STM32 IoT Node Board"
- 1 écran LCD
- 1 buzzer
- 1 microphone MP34DT01
- Des câbles de connexion
- 1 câble USB - micro B
L'atténuation du son désigne la réduction de l'intensité ou de la force du son. Il s'agit du processus de diminution de la force des ondes sonores lorsqu'elles se déplacent dans un milieu ou traversent une barrière. On peut y parvenir par différents moyens, comme l'absorption de l'énergie sonore, sa réflexion ou sa dispersion. L'atténuation du son est importante dans de nombreuses applications, notamment pour réduire la pollution sonore dans les zones urbaines, améliorer l'acoustique des salles de concert et des studios d'enregistrement, et minimiser l'impact du bruit industriel sur les communautés voisines.
Déroulé de l'activité
Il est courant de parler d'isolation dans le contexte de la conservation d'énergie. Par exemple, pour rendre nos habitations moins consommatrices en énergie ou pour conserver notre bouteille d'eau fraîche lors des chaudes journées d'été.
Il est aussi possible d'isoler phoniquement, pour réduire l'intensité des bruits extérieurs. Comment mesure-t-on un "bruit" ou son atténuation ? La forme de la matière isolante a-t-elle un impact ? Quelles sont les matières isolantes ?
Cette activité a pour but d'essayer différentes matières (bois, métal, mousse, …) et de déterminer laquelle est la plus isolante, mais aussi de comprendre la mesure du bruit et l'échelle "décibel".
Ce protocole décrit une expérience scientifique visant à mesurer le pouvoir d'isolation phonique de différents matériaux. La collecte de données se fait en utilisant un microphone pour mesurer l'intensité du son à l'intérieur et à l'extérieur de boîtes contenant différents matériaux.
Compétences mobilisées
Les compétences mobilisées par ce protocole sont :
- La collecte de données expérimentales
- L'analyse de données
- La modélisation et l'approximation de résultats
- La compréhension de concepts physiques tels que l'atténuation phonique, les ondes sonores, les grandeurs physiques (intensité sonore, décibel, etc.)
Les disciplines associées sont :
- La physique
- Les mathématiques (notamment la statistique)
- La programmation informatique (pour la manipulation des capteurs et la récupération des données)
- La communication scientifique
Étape 1 : Collecter des données
Orientation
Comment déterminer le pouvoir d'isolation phonique des matériaux ? Pour pouvoir répondre à la question, il nous faut dans un premier temps pouvoir mesurer la "quantité" de son d'un endroit donné. Pour cela, le plus simple est l'utilisation d'un microphone, avec lequel on obtiendra l'intensité du son. Afin de tester l'atténuation du son par différents matériaux, nous pouvons créer des boîtes dans lesquelles nous enfermerons le microphone.
Le but étant de connaître le "pouvoir" d'absorption du son d'un matériau, comment faire pour le mesurer ? Le plus simple reste de mesurer le bruit (intensité sonore) à l'intérieur et à l'extérieur de la boîte. Ainsi en faisant une simple différence entre les valeurs, il sera possible de déterminer l'atténuation du son.
Plusieurs hypothèses peuvent être formulées :
- Quelles sont les matières solides les plus isolantes ?
- Quelles sont les matières déformables les plus isolantes ?
- L'épaisseur a-t-elle un impact sur la capacité isolante d'un matériau ?
- La densité a-t-elle un impact sur la capacité isolante d'un matériau ?
Conceptualisation
Le son est une vibration qui se propage sous la forme d'une onde de pression audible, à travers un milieu de transmission tel qu'un gaz, un liquide ou un solide. Dans un milieu fluide compressible (l'air, par exemple), le son se déplace sous forme d'une onde, en revanche les objets solides vibrent pour transmettre un son (un diapason, par exemple). C'est donc pour cela que le son ne peut pas se propager dans le vide.
Le déplacement (et l'intensité) du son est dépendant du milieu dans lequel il évolue. Lorsque le milieu change (on parle alors de milieu hétérogène), le son se retrouve diffusé et atténué.
Pour mesurer l'intensité d'un son, il est courant d'utiliser le décibel (dB). Cette unité sert aussi pour quantifier l'atténuation d'un son. Le décibel est une unité logarithmique, ce qui signifie que si l'on mesure une première atténuation de 10 dB et une seconde de 20 dB, cette dernière ne sera pas 2 fois moins intense, mais 10 fois moins intense !
Pour comparer le pouvoir isolant des matériaux, nous allons utiliser un simple microphone et un son de référence. Plus précisément nous allons mesurer, avec le microphone, l'intensité du son dans l'air, sans isolant (ce sera notre valeur de référence). Puis en plaçant le microphone dans chacune des boîtes, nous mesurerons successivement les intensités.
Investigation
La carte programmable est l'élément principal de notre expérimentation. Elle a pour rôle de récupérer les informations en provenance du microphone, ainsi que de l'émission du son.
La potence maintient le buzzer toujours à la même hauteur, permettant ainsi une répétabilité de l'expérience et assurant la fiabilité de la mesure.
Le microphone est, lui aussi, placé au même endroit pour chaque mesure. Pour simplifier le processus, on peut utiliser deux microphones : un sera dans la boîte, l'autre à l'extérieur, de cette manière il y aura toujours un microphone témoin pour nous donner la valeur de référence.
L'écran affiche la mesure durant l'expérimentation, nous permettant de noter les valeurs pour chacun des matériaux.
Durant l'expérience, il est impératif que la pièce de l'expérience soit la plus silencieuse possible pour ne pas fausser les résultats.
Débriefing
À travers cette expérimentation, nous avons appris à mesurer l'atténuation du son par un matériau. L'échelle des décibels nous a permis de quantifier ces valeurs et de comparer les différents résultats. Apprendre à bien isoler la variable à mesurer et la nécessité d'une valeur de référence est essentiel pour obtenir des résultats valables et cohérents.
Étape 2 : Afficher les données collectées
Orientation
À l'étape précédente, nous avons créé un système simple de mesure de l'absorption du son des matériaux. À présent, il nous faut comparer ces valeurs, puis déterminer s'il existe des matériaux qui sont de meilleurs isolants phoniques que d'autres, et pourquoi.
Conceptualisation
La carte électronique utilisée pour l'expérience est dotée d'interfaces lui permettant de communiquer avec d'autres appareils. En utilisant cette capacité, les données de l'expérience vont être récupérées en vue d'une exploitation ultérieure.
Il y a deux manières de récupérer les données issues des capteurs : l'affichage sur l'écran LCD pour faire des relevés manuels, ou la communication "série" entre la carte programmable et l'ordinateur, plus automatisée.
Investigation
Pour cette étape, utilisez un petit écran LCD pour afficher les valeurs mesurées par les capteurs au fil de l'expérience.
Ensuite, utilisez un tableau sur papier pour noter les résultats relevés. Les résultats seront regroupés en deux colonnes : le matériau utilisé (rien, bois, acier, mousse, …) et l'intensité sonore (en décibels).
| Matériau utilisé | Intensité sonore |
|---|---|
Débriefing
Au terme de cette étape, plusieurs objectifs ont été atteints :
- Comprendre comment connecter la carte à d'autres périphériques
- Utiliser un programme pour afficher des données sur un écran LCD
- Récupérer les données d'une expérience en vue de leur analyse ultérieure
Étape 3 : Analyser les données
Orientation
Grâce aux étapes précédentes, il est possible de connaître le pouvoir d'absorption sonore des matériaux. Comment vérifier l'hypothèse de départ ? Quels sont les outils nécessaires pour analyser les données ?
Conceptualisation
Pour valider l'hypothèse de départ, nous devons mettre les données en forme de manière à rendre visible le lien entre les grandeurs physiques. Suivant l'hypothèse de départ, l'analyse n'est pas la même :
- Dans le cas d'une expérimentation sur plusieurs matériaux, il n'y a qu'une seule grandeur : l'atténuation phonique d'un matériau. Une simple liste triée par atténuation (de la plus grande à la plus petite) devrait nous aider à trouver une réponse.
- Dans le cas d'une expérimentation sur l'épaisseur d'un matériau, il y a deux grandeurs : la manière la plus directe de visualiser les données est d'utiliser un nuage de points avec l'épaisseur du matériau en abscisse et l'atténuation en ordonnée.
Une fois le graphique tracé, le tracé d'une droite de régression (même approximative) permettra de faire apparaître une première approximation de la loi qui relie l'épaisseur d'un matériau et son atténuation phonique.
Investigation
La nature des données représentant une évolution au cours de l'épaississement progressif du matériau, nous pouvons utiliser une représentation graphique dans un tableur. De même, il est possible d'utiliser un tel outil pour faire une liste des matériaux avec les atténuations mesurées pour les trier et les comparer entre eux.
Sur la représentation graphique, en choisissant la bonne échelle, il est possible de valider/invalider directement l'hypothèse de départ.
En regroupant les résultats avec les autres enquêteurs de la classe, la première approximation peut être affinée. Utiliser l'approximation pour prédire l'atténuation sonore pour une épaisseur donnée en dehors de la plage de valeur retenue pour l'enquête, et valider avec le dispositif si la prédiction est proche de la réalité.
Essayez d'approximer l'erreur maximale de la mesure de chaque capteur et vérifier l'impact sur la confiance des résultats.
Quelles sont les améliorations à apporter au protocole pour améliorer la qualité du résultat ? Y a-t-il d'autres grandeurs physiques qui pourraient interférer dans l'expérience ?
Débriefing
Durant l'analyse des données, la représentation visuelle a permis de mettre en évidence la validation/invalidation de l'hypothèse de départ. Au-delà de l'hypothèse, l'analyse des données permet d'extrapoler une première approximation de la loi sous-jacente. Le partage d'information avec d'autres enquêteurs permet de savoir si les résultats sont valides et les conclusions comparables.
Programmation
Les fiches techniques de programmation (câblage, code, extensions MakeCode) sont regroupées dans une fiche dédiée : Programmation : Atténuation du son par matériau.
Cette fiche fait partie du projet The Dexter Lab, financé par le programme Erasmus+. Contenu sous licence CC BY-SA 4.0.