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Calculer la vitesse du son avec un didgeridoo !

Introduction
Dans un premier temps, nous allons modéliser le didgeridoo par un cylindre dont le diamètre ne varie pas en fonction de la longueur. La simplicité du modèle permettra de comparer les résultats théorique avec les résultats expérimentales grâce à des didj cylindrique en PVC. Dans un 2ème temps, on modélisera le didj par un cône droit tronqué.


Le matériel nécessaire pour calculer la vitesse du son
- Un ordinateur
- Un tuner électronique : télécharger le logiciel dans la rubrique Télécharger
- Une calculatrice peut suffire ou une table de conversion note / fréquence.
- Un microphone
- Un didgeridoo

Calculer la conversion notes / fréquence
Une simple calculatrice permet de faire le calcul de la conversion notes/fréquence.
La note référence est le La avec une fréquence de 440 Hz, pour obtenir le La avec un octave en-dessous (en-dessus) on divise (multiplie) la fréquence par 2.
Un octave est divisé en 12 demi-tons. la rapport d'un demi-ton est racine douzième de 2 ou encore
12
√2 équivaut approximativement à 1,05946

Exemple : On veut calculer la fréquence le Do d'un didgeridoo. on prend un La à 55Hz, il y a 3 demi-tons entre le Do et le La, et le Do est plus aigue que le La. On va donc multiplier 3 fois la fréquence du rapport avec le rapport pour obtenir le Do.
Ca donne

55 * (1,05946)3= 65,4 Hz pour la fréquence du Do d'un didgeridoo


Modélisation avec un didgeridoo cylindrique
Prenons comme modèle un didgeridoo cylindrique, la section S ( i.e. la surface de l'embouchure ou le pavillon du didgeridoo) ne varie pas en fonction de la longueur.
La formule qui lie la fréquence F en Hertz (s-1) avec la longueur (d'onde) du didgeridoo h en mètres et la vitesse C en m.s-1est la suivante.

Volume Cylindre (1)

beta β est un paramètre qui dépend de la définition du système, d'un coté l'embouchure est fermé, et le pavillon est ouvert. D'après les règles vibratoires, alpha est égal à 4.
La vitesse du son est la suivante :

Volume Cylindre (2)


Valeurs expérimentales
Voici les valeurs mesurées avec des didgeridoo en PVC de référence, tout droit dont la section ne varie pas.
Les tests ont été faits dans une salle à 25°C.


Type de didj
Diamètre intérieur
(en mètre)
Longueur h (en mètre)
Note trouvée
Fréquence associée (en Hz)
vitesse du son
PVC 0,037 1,047 E 82,5 345,51
PVC 0,037 0,986 F 87,4 344,71
PVC 0,037 1,103 D# 77,8 343,25
PVC 0,037
1,568 A 55 344,96
PVC 0,037
1,398 B 61,8 345,59
PVC 0,037
1,177 D 73,5 346,04
PVC 0,037
1,24 C# 69,3 343,73
PVC 0,044 1,302 C 65,4 340,6
PVC 0,051 1,32 C+25%
67
348,48
PVC 0,027 1,315 C-15%
64,6
339,8


vitesse du son / Longueur didgeridoo


on trouve une moyenne de la vitesse du son à 344,3 m/s

Note : Le diamètre du didgeridoo n'influence pas la note comme on pourrait le croire dans la pratique, en revanche ça influence sur la jouabilité du didj.

La théorie du didgeridoo (modélisation cônique)
La modélisation d'un didgeridoo cônique fait intervenir 3 paramètres : le diamètre de l'embouchure Di ( ou le rayon Ri=Di/2 ), le diamètre du pavillon Do ( ou le rayon Ro=Do/2 )et la longueur du didgeridoo. La modélisation consiste en une soustraction d'un volume d'un cône de longueur h+e et d'angle alpha par un autre cône de longueur e ayant le même angle alpha. On obtient un cône droit tronqué au niveau du sommet.

Posons les formules de bases
Le volume du cône tronqué est :
Volume Cylindre (3)

Le volume d'un cône est défini par :
Volume Cylindre (4)
Où V est le volume du cône en m3
r est le rayon de la base en m
h est la hauteur du cône en m

La fréquence est définie par

Volume Cylindre (5)
où L est la longueur d'onde en m
C'est la vitesse du son en m/s
So est la surface de sortie du didgeridoo en m2
V est le volume du didgeridoo

Les équations de la géométrie

Volume Cylindre (6)


Volume Cylindre (7)


Résolution

En appliquant sur la formule (3) l'équation (4) on obtient

Volume Cylindre (8)
puis en s'appuyant sur (6) et (7) on a

Volume Cylindre (9)
où Δh est la longueur du didgeridoo (=ho -hi) en m
Ro est le rayon de la surface de sortie du didgeridoo en m
Ri est le rayon de la surface de l'embouchure du didgeridoo en m

en continuant on obtient

Volume Cylindre (10)

Finalement en appliquant (10) sur (5) on peut calculer la fréquence pour une vitesse de son donnée

Volume Cylindre (11)

ou encore, on peut calculer la vitesse du son pour une note défini (par le tuner)

Volume Cylindre (12)

Les résultats expérimentales seront durs à vérifier car il est difficile de trouver des didgeridoo en PVC de forme conique.
la formule (11) permet de mettre en évidence l'influence de la hauteur de la note en fonction de la longueur du didgeridoo h, du rayon Ro et du rayon Ri . Voici les conséquences

Pour une taille du didgeridoo d'autant plus grande, la note est plus grave.
Pour une taille du didgeridoo d'autant plus petite, la note est plus aigue.
Pour une taille du pavillon d'autant plus grande, la note est plus aigue.
Pour une taille du pavillon d'autant plus petite, la note est plus grave.
Pour une taille de l'embouchure d'autant plus grande, la note est plus grave.
Pour une taille de l'embouchure d'autant plus petite, la note est plus aigue.