1, 2, 3, codez ! - Activités cycle 4 - Projet (EPI) « Synthétiseur » - Séance 1 : Les instruments et les sons

Discipline dominante

Musique (avec tous les autres professeurs impliqués dans le projet)

Résumé

Après avoir comparé le son d’un piano et celui d’un synthétiseur, les élèves comparent les enregistrements obtenus avec un dictaphone et la fonction d’enregistrement intégrée au synthétiseur. Les élèves découvrent ensuite que l’on peut facilement programmer un synthétiseur avec Scratch. Pour nourrir leur programme, ils doivent commencer par s’intéresser à la caractérisation des sons.

Notions

Information

  •  une musique enchaîne des sons  selon une mélodie prédéfinie
  •  un son est caractérisé par : son timbre, sa hauteur, sa durée, son intensité
  •  la fréquence de l’onde sonore correspond à la hauteur du son émis

Machines

  •  un synthétiseur imite les sons d'un autre instrument

Matériel

Pour la classe

  •  salle de musique, avec un piano et un synthétiseur (possédant une fonction enregistrement)
  •  Un dictaphone
  •  Un ordinateur avec Scratch et vidéoprojecteur
  •  Un « cahier de suivi »
  •  Un analyseur (ordinateur/tablette avec Audacity)
  •  Un accordeur (application smartphone ou accordeur chromatique)
  •  Des échantillons sonores

Pour chaque élève

Avant-propos

Pour démarrer cette séquence pluridisciplinaire, cette première séance est menée en co-animation par les trois professeurs impliqués. Le professeur de musique gérera en effet les aspects musicaux et analogiques, le professeur de physique-chimie mènera les analyses de signal, tandis que le professeur de mathématiques fera une démonstration des productions numériques et informatiques.

Situation déclenchante (cours dialogué)

Le professeur de musique prépare un dictaphone et joue au piano un air simple, qu’il enregistre (le professeur de mathématiques peut éventuellement tousser pendant l’enregistrement… ce bruit parasite sera utile juste après). Puis il s’installe au synthétiseur, règle le timbre sur « piano droit », déclenche la fonction « enregistrement » intégrée au sythétiseur, et joue exactement la même mélodie.
Puis il demande aux élèves : quelles sont les différences ou les ressemblances que vous avez entendues ? Il note au tableau les idées des élèves, dans la première colonne d’un tableau, « piano vs synthétiseur ». Aux nuances d’interprétation près, un paramètre majeur retient l’attention des collégiens : le synthétiseur ne « sonne » pas tout à fait comme un vrai piano.
Puis l’enseignant rejoue l’enregistrement du dictaphone : Comment l’enregistrement se compare-t-il aux sons du piano et du synthétiseur ? Ici, les élèves remarquent que le son du dictaphone est plus proche de celui du piano (si le dictaphone est de bonne qualité) que ne l’était celui du synthétiseur. De plus, le dictaphone a enregistré les bruits ambiants (dont la toux du professeur de mathématiques !).
Enfin, l’enseignant rejoue l’enregistrement du synthétiseur. Si les élèves ont fait la remarque sur le dictaphone, ils repèrent vite que le synthétiseur n’a pas enregistré les bruits ambiants. Certains auront probablement l’idée que le synthétiseur « enregistre la pression des touches ». Dernière démonstration : le synthétiseur peut rejouer la mélodie enregistrée, mais en imitant un autre instrument !
 

Note pédagogique :

  •  Si le synthétiseur de la salle de musique ne permet pas d’enregistrer, il permettra certainement de jouer des musiques préenregistrées : le professeur de musique imitera alors l’une de celles-ci sur son piano.
  •  On peut remplacer la plupart de ces observations par des échantillons vidéo ou sonores. Cependant, nous déconseillons cette approche, puisque la comparaison au dictaphone serait complètement caduque !

Le tableau des comparatifs peut ressembler à ceci :

Dictaphone Piano Synthétiseur Enregistreur interne
 Enregistre le son du piano et tous les sons ambiants
 Rejoue à l’identique (sons ambiants compris)
 Instrument acoustique
 Objet strictement mécanique
 Des cordes frappées produisent les sons
 Produit des sons artificiels/électroniques
 Imite la sonorité du piano (et celle d’autres instruments)
 Enregistre la mélodie (succession de la frappe des touches) mais pas les sons
 Rejoue à l’identique, mais peut changer d’instrument

Note scientifique :
 Effectivement, la fonction « enregistrement » du synthétiseur enregistre le rythme, la durée, l’enchaînement des pressions des touches : son format d’enregistrement est le MIDI. Ce format est étudié en détail plus loin (Séance 4).

Le professeur de musique peut alors recopier ce tableau comparatif dans le « cahier de suivi ».

Pour comprendre le synthétiseur, programmons un synthétiseur virtuel avec Scratch (classe entière)

Le professeur de mathématiques surenchérit sur ce qui vient d’être dit. Le synthétiseur est un instrument électronique alors que le piano est un instrument strictement mécanique. Pour enregistrer la mélodie, on peut soit enregistrer le son produit (dictaphone), soit enregistrer la façon dont on l’a jouée (fonction d’enregistrement du synthétiseur, que nous surnommerons désormais « enregistreur »). Enfin, on peut partiellement reprogrammer le synthétiseur pour qu’il change d’instrument.

Pourquoi alors ne pas programmer soi-même son propre synthétiseur avec un ordinateur ? Chaque groupe aura pour mission de réaliser le « synthétiseur virtuel » de son choix avec Scratch.

L’enseignant fait alors la démonstration du synthétiseur virtuel qu’il a préalablement réalisé avec Scratch [Pour cela, il suffit de suivre pas à pas les instructions de la Séance 5, ou d'utiliser cette version exportée en flash (pouvant être exécutée, mais ne donnant pas accès au code source).], en prenant bien soin d'effectuer la démonstration en plein écran pour ne pas donner d’aperçu du programme utilisé.

Les élèves peuvent alors tenter de décrire les ingrédients dont ils auront besoin pour réaliser, à leur tour, leur propre synthétiseur virtuel :

  •  des lutins ;
  •  des interactions via le clavier pour jouer « à la main » ;
  •  un ou plusieurs déclencheurs cliquables ;
  •  une ou plusieurs mélodies prédéfinies ;
  •  des sons à jouer…

Les enseignants notent tous ces points dans le  « cahier de suivi » qui servira de passerelle entre eux lors des séances de cours disciplinaires. Chaque question devra trouver une réponse, tôt ou tard, pour que tout soit prêt en amont de la séance de programmation (Séance 5).

Sur le dernier point, les professeurs demandent aux élèves quels sons utiliser et comment les obtenir. Ils énumèrent les possibilités : les enregistrer sur un véritable instrument, les télécharger… certains penseront peut-être à utiliser des formats MIDI. Mais quels que soient les choix faits, il faut rapidement répondre à une question : combien de sons faut-il, et de quelle(s) sorte(s) ?

Expérimentation : comment caractériser un son ? (classe entière)

Pour décrire la collection de sons dont les groupes auront besoin, les enseignants demandent à la classe ce qui permet, selon eux, de caractériser sans ambigüité un son. Les élèves, surtout ceux qui ont déjà suivi des cours de musique ou jouent régulièrement d’un instrument, énumèrent de nombreux termes : accord, durée, hauteur, intensité, note, octave, tessiture, timbre, volume, etc. Le but n’est pas pour l’instant de classer ces termes. Les professeurs veillent cependant à relancer la discussion s’il n’y a pas quatre catégories de paramètres, correspondant plus ou moins aux quatre caractéristiques attendues : durée, hauteur, timbre, intensité.

Pour aider à définir ces termes, les enseignants proposent trois expériences différentes, qui seront effectuées tour à tour, et discutées par la classe. Chaque expérience nécessite le matériel suivant :

  •  des échantillons sonores : soit les instruments sont empruntés à la salle de musique, soit il s’agit d’enregistrements préalables d’instruments réels. (Il est possible d’en trouver sur Internet, comme par exemple ici : http://theremin.music.uiowa.edu/ dans la catégorie Musical Instruments Samples.) L’utilisation du synthétiseur pour imiter d’autres instruments est possible,  mais empiète sur la Séance 7 qui aborde le principe même de cette imitation.
  •  des analyseurs de son :
    •  Soit un oscilloscope avec un microphone (et un amplificateur) pour analyser le son en temps réel ;
    •  Soit un ordinateur avec microphone, vidéoprojecteur et le logiciel gratuit Audacity pour enregistrer le son et l’analyser a posteriori. Il faudra en effet zoomer sur des intervalles de l’ordre du centième de seconde pour faire de bonnes observations. Il est possible de charger simultanément tous les échantillons, comme lors d’un mixage, pour les comparer côte à côte.
    •  Soit une application smartphone comme Guitar Tuna, Coach Tuner, Fine Chromatic Tuner, Carltune

Le but sera à chaque fois d’écouter les échantillons sonores, d’en faire une observation qualitative à l’oreille seule, puis de comparer ces échantillons avec l’analyseur. Même avec celui-ci, il n’est pas attendu d’obtenir une comparaison quantitative, mais simplement une description plus objective de chaque paramètre.

Expérience I : la hauteur

  • Echantillon 1 : un diapason La3 (440Hz)
  •  Echantillon 2 : un diapason Mi3 (659Hz)

La sinusoïde a des maxima identiques mais des périodes différentes (plus courtes dans le cas du Mi3).

Expérience II : l’intensité

  •  Echantillon 1 : un diapason La3 (440Hz) frappé doucement
  •  Echantillon 2 : un diapason La3 frappé vivement

L’onde sinusoïdale a la même période, mais ses maxima ne sont pas les mêmes.

Expérience III : le timbre

  •  Echantillon 1 : un diapason La3 (440Hz)
  •  Echantillon 2 : un La3 joué sur une flute à bec
  •  Echantillons facultatifs : des La3 joués sur un piano, une guitare, une harpe, etc…
L’onde est sinusoïdale dans le cas du diapason, et très déformée dans le cas des autres instruments… la « déformation » n’est pas la même selon l’instrument.


Le diapason


La flute


La guitare


Le piano


La trompette


Le violon

Note scientifique :

  •  La notation anglo-saxonne diffère de la nôtre : au La3 à 440 Hz correspond le A4…
  •  Nous ne proposons pas d’expérience pour différencier la durée de deux sons. L’observation seule en est triviale.
  •  Nous ne cherchons pas ici l’exhaustivité ni la précision quantitative, car il sera difficile d’obtenir une réelle séparation des paramètres si les échantillons sont réalisés en conditions réelles. Par exemple, la même note jouée sur plusieurs instruments aura évidemment un timbre différent (Expérience III) mais certainement aussi une intensité différente (le cas peut ne pas se présenter dans le cas d’échantillons numérisés s’ils ont été normalisés). Dans le cas de l’expérience II, la difficulté réside dans la reproductibilité de l’expérience : il faut placer le diapason sur son socle, à distance fixe du micro, et frapper avec le maillet avec des forces variables.

Si les élèves n’y ont pas pensé eux-mêmes, l’enseignant leur montre un accordeur (accordeur chromatique, application de smartphone, etc…). Exposé à un son, l’accordeur en donne la fréquence, en Hertz.

Conclusion

En guise de conclusion, les enseignants distribuent à chaque élève la Fiche 1. Les élèves reconnaissent plusieurs termes qu’ils avaient évoqués, et en découvrent d’autres. La consigne est simple : il faut associer les termes provenant des différents jargons (du physicien ou du mathématicien, du technologue , du musicien ) pour trouver les synonymes.

Parfois, la synonymie n’est pas évidente, car des nuances existent. En groupe, les élèves débattent de leurs choix, tandis que les professeurs reproduisent au tableau les associations qui font consensus. Il est possible que tous les synonymes ne soient pas trouvés tout de suite : ces notions seront approfondies au cours de séances suivantes.
Ce consensus sera collé dans les cahiers d’expériences des élèves (avec un adhésif repositionnable), ainsi que dans le « cahier de suivi » des enseignants.

Prolongements

Au cycle 4 : l’échelle décibel

L’expérience II peut déboucher sur l’étude de l’échelle de bruit et la notion de décibel. Cette échelle est logarithmique et sa construction est hors-programme.

Au lycée : caractéristiques d’une onde

Forts des résultats de l’expérience I, en mesurant la fréquence du La3 et du Mi3, les élèves pourront retrouver la formule reliant longueur d’onde λ, fréquence ν, période T et célérité c :

Les lycéens pourront vérifier par de rapides applications numériques qu’il est alors logique de voir une période plus serrée pour le Mi3 que pour le La3
 

 


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Partenaires du projet

Pasc@line Educaland Editions Le Pommier