Des instruments, des notes et des gammes

Merci !

Annales corrigées
Classe(s) : 1re Générale | Thème(s) : Le son, une information à coder - Le son, phénomène vibratoire
Type : Exercice | Année : 2020 | Académie : Sujet zéro


Son et musique, porteurs d’information

Des instruments, des notes et des gammes

1 heure

10 points

Intérêt du sujet • Pour Pythagore et ses adeptes, l’Univers s’expliquait par des nombres. Ils ont donc cherché à relier la musique aux nombres et à trouver un ordre pour les notes : les gammes. Pourtant celles-ci destinées à sonner agréablement à l’oreille n’étaient pas parfaites et tourbillonnaient dans un cycle de « quintes » infini !

 

Les instruments de musique produisent des sons auxquels l’oreille humaine associe certaines caractéristiques : hauteur, timbre et intensité. La répartition des notes dans une gamme a été retenue pour qu’elles sonnent de manière harmonieuse. La recherche de cette harmonie a conduit à différents types de gammes, celle de Pythagore et les tempérées.

Le sujet est composé de deux parties indépendantes.

Partie 1 • Des instruments et des notes

Les cordes d’un piano vibrent lorsqu’elles sont frappées par de petits marteaux actionnés par les touches du clavier. Les sons produits par le piano résultent de ces vibrations.

Document 1Notes associées aux touches d’un piano pour l’octave Do3-Do4 et fréquences associées en hertz (Hz)

sci1_2000_14_02C_01

1. Calculer la fréquence du La4 située une octave au-dessus du La3.

2. On s’intéresse aux sons produits par ce piano. Un système d’acquisition informatisé permet l’enregistrement et la visualisation des signaux associés à ces sons (document 2).

a) Justifier que les figures 1 et 2 du document 2 correspondent à deux notes différentes.

b) Identifier les notes correspondantes aux figures 1 et 2.

Document 2Signaux enregistrés correspondant à des notes de musique jouées par un piano

sci1_2000_14_02C_02

Figure 1. Signal sonore en fonction du temps

sci1_2000_14_02C_03

Figure 2. Signal sonore en fonction du temps

Partie 2 • Des notes et des gammes

La théorie musicale étant fondée sur des rapports de fréquences, on décide de simplifier les calculs en attribuant la valeur 1 (sans unité) à une fréquence choisie comme référence. Celle-ci correspond à une note de référence (par exemple 262 Hz pour le Do 3). On retrouve ensuite les fréquences réelles en multipliant les valeurs calculées par la fréquence de la note de référence.

La construction des gammes dites de Pythagore est basée sur le cycle des quintes : on part de la fréquence de valeur f0 = 1. On construit une nouvelle fréquence, la quinte, en multipliant f0 par 32. On réitère ce processus pour obtenir la quinte de la quinte, et ainsi de suite. À certaines étapes, le fait de multiplier par 32 une fréquence f comprise entre 1 et 2 peut donner une fréquence supérieure ou égale à 2. On se propose de démontrer que, si on divise par 2 la valeur obtenue, on la ramène dans l’octave.

3. On suppose que 1f<2 et on raisonne par disjonction de cas :

premier cas : 1 f<43. Montrer que 132×f<2 ;

deuxième cas : 43 f<2. Montrer que 2 32×f et 112×32 f<2.

4. L’algorithme ci-dessous permet de calculer les fréquences des notes successivement obtenues par ce processus jusqu’à ce qu’on retombe sur la fréquence initiale.

033_matT_2000_14_02C_algo1

Recopier et compléter le tableau ci-après, en donnant les valeurs des 12 premières quintes obtenues par cet algorithme.

Les résultats seront donnés d’abord sous forme exacte comme quotients d’une puissance de 2 par une puissance de 3, puis par leurs valeurs décimales approchées au centième obtenues à l’aide de la calculatrice.

Tableau de 3 lignes, 14 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : Numéro de la note;0;1;2;3;4;5;6;7;8;9;10;11;12;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Fréquence (fraction irréductible); 1; 32; ; ; ; 3527; 3629; 37211; ; 39214; 310215; 311217; 312219; Ligne 2 : Fréquence (valeur approchée à 10–2 près); 1; 1,5; ; ; ; 1,9; 1,42; 1,07; ; 1,20; 1,80; 1,35; 1,01;

5. L’algorithme termine-t-il pour une valeur de n ≤ 12 ?

6. Chacune des fréquences calculées est obtenue à partir de 1 par des multiplications successives par 32 et éventuellement par 12. Elles peuvent toutes s’écrire sous la forme 3m2nm et n sont des entiers non nuls.

a) Démontrer que l’égalité 3m2n = 1 est impossible.

b) Que peut-on en déduire pour l’algorithme proposé ci-dessus ?

7. D’après ce qui précède, le cycle des quintes ne « reboucle » jamais exactement sur la note de départ. À l’aide du tableau de la question 4, justifier le choix de 12 notes dans une gamme construite selon ce principe.

8. Si on choisit comme fréquence de référence celle du Do3, les fréquences réelles des autres notes sont obtenues en multipliant par 262 les fréquences calculées dans le tableau de la question 4. En les rangeant dans l’ordre croissant et en arrondissant à l’unité, on obtient les fréquences des notes de la gamme de Pythagore à 12 notes.

Tableau de 2 lignes, 12 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : Do;Do#;Ré;Ré#;Mi;Fa;Fa#;Sol;Sol#;La;La#;Si;Corps du tableau de 1 lignes ;Ligne 1 : 262; 280; 295; 315; 332; 354; 373; 393; 420; 442; 472; 497;

a) Comparer ces fréquences à celles inscrites sur les touches du piano.

b) Calculer au centième près les rapports entre la fréquence du Do# et celle du Do puis entre la fréquence du Ré et celle du Do# dans cette gamme. Que constate-t-on ?

9. a) Calculer au centième près les rapports entre la fréquence du Do# et celle du Do puis entre la fréquence du Ré et celle du Do# dans la gamme figurant sur le piano. Que constate-t-on ?

b) Comment nomme-t-on la gamme représentée sur le piano ? En quoi diffère-t-elle de la gamme de Pythagore à 12 notes ?

 

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Tableau de 2 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Document 1 • Notes associées aux touches d’un piano; Il représente en partie le clavier d’un piano.Ce document vous permet d’associer une fréquence aux notes apparaissant sur les touches.; Ligne 2 : Document 2 • Signaux enregistrés des notes jouées par un piano; Il contient deux figures représentant des signaux sonores en fonction du temps.Repérez dans ce document le temps correspondant à chaque graduation horizontale.;

Répondre aux questions

Coups de pouce

1. Utilisez la définition de l’octave.

2. a) Utilisez les propriétés d’une note et les formules données en cours.

3. Il s’agit d’une démonstration mathématique. Partez de l’inéquation donnée au début de chaque cas et soyez rigoureux.

4. Réalisez le code pour mieux voir les résultats.

5. Établissez une correspondance entre la valeur de f et la boucle de l’algorithme.

6. b) Il faut étendre le résultat trouvé à la question 6. a pour n > 12.

8. b) et 9. a) Soyez précis dans vos calculs.

Aide à la résolution de la question 9. b

sci1_2000_14_02C_04