Par Philippe Cosentino
Pour modéliser le fonctionnement d’un sismographe, plusieurs approches sont possibles, mais la plus populaire d’entre elles reste l’utilisation de capteurs piézométriques.
Bon marché et d’une efficacité pédagogique éprouvée, la mise en œuvre de ce dispositif se heurte hélas, depuis quelques années, à des obstacles qui, nous le verrons, ne sont pas insurmontables.
L’objet de cet article est de vous proposer des solutions alternatives qui vous permettront de continuer à le mettre en œuvre sur un ordinateur récalcitrant.
Présentation du dispositif classique
Détail d’un capteur piézoélectrique.
Source : site SVT de l’académie de Montpellier
Pour ceux qui ne connaîtraient pas ce dispositif, en voici la description :
- Chaque capteur (il y en a généralement deux) est constitué d’une pastille métallique doublée d’une pastille plus petite, constituée d’un cristal piézoélectrique.
- La paire de capteurs est branchée sur l’ordinateur par l’intermédiaire d’une prise Jack stéréo, du même type que celle que l’on utilise pour brancher un micro ou des hauts parleurs.
- L’entrée utilisée est généralement « l’entrée ligne » (de couleur bleue) ou « l’entrée micro » (de couleur rose) à condition que celle-ci soit capable de traiter un signal stéréo.
- Une application de traitement du son, généralement l’application gratuite Audacity, est utilisée pour enregistrer, afficher et traiter le signal provenant de la paire de capteurs.
Ces capteurs peuvent être « fabriqués » par l’enseignant ou le personnel technique à moindre coût (de l’ordre de 2 euros par dispositif, mais il faut savoir souder proprement) ou bien acheté pour un prix qui reste modique auprès des fournisseurs de matériel pédagogique habituels.
Exemple de matériel fourni par deux distributeurs de matériel pédagogique différents. Dans les deux cas, les capteurs sont protégés par un boîtier.
Rappelons que le principe d’un tel dispositif repose sur une propriété des cristaux piézoélectriques : quand ces derniers sont soumis à une contrainte, une tension électrique apparaît de part et d’autre du cristal (et réciproquement). Ainsi, lorsque le capteur est soumis à une vibration mécanique, celle-ci est transduite en un signal électrique analogique. Ce signal est de la même nature que celui que produirait un microphone.
Principe de l’effet piézoélectrique. Source : Wikipédia
La manipulation peut se dérouler ainsi (une liste d’articles académiques proposant des activités complètes est donnée à la fin de cet article) :
- Les capteurs sont placés sur un support (table, barre de granite, poutre, pâte à modeler …) à une certaine distance (d) l’un de l’autre .
- L’enregistrement est lancé.
- On frappe d’un coup sec le support en un point situé dans l’alignement des capteurs, mais en dehors du segment formé par eux.
- On arrête l’enregistrement et les deux signaux apparaissent à l’écran sous la forme d’un audiogramme stéréo (chaque canal de l’audiogramme correspondant à un capteur).
Il reste alors à exploiter et interpréter ce signal : la vibration mécanique (de même nature qu’une onde sismique) passera en premier par un capteur, puis par l’autre à partir d’un délai (que nous noterons T) visible sous la forme d’un décalage entre les deux canaux.
Enregistrement obtenu pour deux capteurs séparés de 50 cm. Logiciel utilisé : Audacity.
A partir de ce décalage temporel, parfois difficile à déterminer (la difficulté étant de déterminer le début des vibrations), on peut calculer la vitesse de propagation des ondes en divisant la distance par le délai : v = d / T.
Notons que d’autres manipulations sont envisageables, par exemple pour constater que l’amplitude des vibrations diminue lorsqu’on s’éloigne de l’impact.
Place dans les programmes
Cette manipulation permet donc de modéliser avec élégance et pour un moindre coût plusieurs aspects de la propagation des ondes sismiques : variation de l’amplitude avec la distance, vitesse dépendant de la nature et de la rigidité du matériau etc.
Elle peut être mise en œuvre dans les parties du programme suivant :
En cycle 4 :
La planète Terre, l’environnement et l’action humaine
“La Terre dans le système solaire ; le globe terrestre dynamique interne et tectonique des plaques lithosphériques ; séismes, éruptions volcaniques).”
En classe de première, enseignement de spécialité :
L’apport des études sismologiques et thermiques à la connaissance du globe terrestre
“Les informations tirées du trajet et de la vitesse des ondes sismiques permettent de comprendre la structure interne de la Terre.”
“La propagation des ondes sismiques dans la Terre révèle des anomalies de vitesse par rapport au modèle PREM. Elles sont interprétées comme des hétérogénéités thermiques au sein du manteau. “
Problèmes rencontrés avec le dispositif classique
Un nombre croissant d’enseignants de SVT signalent depuis plusieurs années ne plus pouvoir réaliser ce type de manipulation, pour l’une ou plusieurs de ces raisons :
- Les ordinateurs récents, surtout lorsqu’ils sont très compacts et « bas de gamme », ne comportent que des entrées audio mono, c’est-à-dire qu’ils sont incapables de traiter un signal stéréo comportant deux signaux distincts ; l’enseignant se retrouve alors avec deux tracés rigoureusement identiques, ne présentant aucun délai.
- Le logiciel Audacity n’est pas installé sur l’ordinateur, ou bien persiste à traiter le signal comme s’il était mono alors que l’entrée est matériellement capable de traiter un signal stéréo.
- La version d’Audacity installée ne permet pas une lecture aisée du délai, généralement parce que l’intervalle de temps est arrondi à la milliseconde près (ce qui est insuffisant).
Ici les deux canaux sont strictement identiques, signe que l’entrée utilisée est probablement mono.
Solutions proposées
Pour résoudre le premier problème, c’est-à-dire l’absence d’entrée audio stéréo, la solution ne peut être que matérielle.
Elle consiste à acheter, pour une vingtaine d’euros (voire moins), un adaptateur qui permettra de traiter le signal stéréo provenant des capteurs. Il suffit de brancher les capteurs sur cet adaptateur (par une prise jack stéréo ou par 2 prises CINCH, l’adaptateur accepte plusieurs types d’entrées) puis de brancher l’adaptateur sur une prise USB de l’ordinateur. L’ordinateur reconnaîtra alors le dispositif comme s’il s’agissait d’un microphone stéréo.
Ce dispositif peut être acheté à bas coût sur des sites marchands en ligne (dont je ne donnerai pas les références) mais sont également distribués par Sordalab (seul fournisseur pédagogique le proposant à l’heure où cet article est écrit) pour un coût modique.
Adaptateur USB stéréo proposé par un fournisseur de matériel pédagogique.
Attention : on trouve des “cartes son USB” sur les sites marchands en ligne, mais ces dernières, bien qu’estampillées “Stéréo” n’offre en général qu’une entrée mono pour la prise micro. Le dispositif que nous proposons est vendu sur ces sites comme étant un “convertisseur stéréo”, destiné à numériser les disques vinyle ou les cassettes audio, et non comme une carte son (le dispositif ne comporte d’ailleurs pas de “sortie” audio).
Pour résoudre les 2 autres problèmes, nous vous proposons une application en ligne gratuite et conforme à la RGPD, hébergée sur le serveur académique, qui aura comme avantage :
- d’être dépouillée de toute fonctionnalité superflue
- de guider l’élève dans sa manipulation
- d’offrir un outil permettant de mesurer le délai de manière intuitive et précise.
Cette application (temporairement nommée “SismoPiezo”) est hébergée sur le serveur pédagogique de l’académie de Nice, à cette adresse.
Utilisation de l’application SismoPiezo
A l’ouverture de l’application, une fenêtre système demande à l’utilisateur l’autorisation d’utiliser son microphone. Il est indispensable d’accepter cette demande, sans quoi l’application ne pourra rien enregistrer. Signalons dès à présent que l’application ne collecte aucune donnée personnelle de l’utilisateur, et qu’elle s’exécute entièrement “côté client” (rien ne remonte au serveur).
L’utilisateur doit accepter que l’application utilise le micro.
L’utilisateur doit ensuite sélectionner le périphérique d’entrée qu’il souhaite utiliser. Dans le cas où il s’agit du dispositif USB présenté précédemment, il faut sélectionner “Microphone (USB microphone)”. L’application fonctionne également avec toute autre entrée stéréo (entrée ligne, entrée micro, etc.).
Une fois l’application lancée, l’utilisateur est invité à placer ses capteurs et à lancer l’enregistrement une fois que tout est en place.
Un seul bouton (celui permettant de lancer l’enregistrement) étant actif, l’utilisateur ne peut pas se tromper.
Une fois l’enregistrement lancé, l’utilisateur est invité à l’arrêter lorsque la manipulation est terminée.
Après avoir frappé le support et arrêté l’enregistrement, on obtient l’enregistrement suivant (il est recommandé, même si l’amplitude du signal semble correcte, de l’amplifier au maximum à l’aide du curseur mobile “Amplification du signal”, sans quoi vous risquez de ne mesurer que la vitesse du son) :
On peut alors zoomer (en utilisant la molette de la souris) et faire glisser le signal horizontalement (en cliquant avec le bouton gauche de la souris et en la bougeant de gauche à droite), afin de pouvoir visualiser le décalage temporel entre les deux signaux. Le résultat ressemble alors à ceci :
Une simple lecture de l’axe temporel (exprimé en millisecondes) peut suffire à détermine, par soustraction, le délai, mais un outil bien plus précis est proposé par le logiciel.
Cet outil permet de déterminer avec précision le décalage temporel.
Il suffit alors de cliquer sur l’audiogramme et de déplacer la souris, en maintenant le bouton enfoncé, pour délimiter avec précision le décalage temporel, qui vaut, dans cet exemple, 0,95 ms.
La vitesse peut alors être calculée en divisant la distance par le temps : v = d / T = 0,5 / 0,000274 = 1824 m/s
(mon support est une table en bois)
Bilan
L’application “SismoPiezo” représente une alternative viable à Audacity pour mettre en oeuvre les manipulations utilisant les capteurs piézoélectriques.
L’avantage de cette approche est que l’application étant conçue spécifiquement pour cette manipulation, la prise en main est immédiate, et le risque d’échec est diminué.
Cependant on ne peut ignorer que cette approche a également comme inconvénient de ne pas entraîner l’élève à utiliser un logiciel généraliste comme Audacity, qui pourra lui resservir dans d’autres contextes (étude de chants d’oiseaux par exemple). En réalité, tout dépend de l’objectif prioritaire de l’enseignant ; si la priorité de ce dernier est d’étudier un sismogramme (de substitution), alors “SismoPiezo” lui fera gagner du temps et permettra à l’élève de se focaliser sur l’étude du phénomène en lui même. Mais si l’enseignant souhaite également former l’élève à l’utilisation d’Audacity, en ayant en tête qu’il l’utilisera pour une autre activité plus tard, ce n’est peut être pas la meilleure solution (dans certains cas de toute façon, l’enseignant n’a pas le choix, Audacity n’étant pas installé).
Enfin, l’utilisation d’un convertisseur USB, acheté sur un site marchand ou via un fournisseur de matériel pédagogique, permettra aux enseignants dont les machines n’ont que des entrées mono, de réaliser cette manipulation (que ce soit avec Audacity ou SismoPiezo).
Liens :
Application “SismoPiezo” :
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/sismopiezo/
Version exécutable “hors-ligne” :
https://cosphilog.fr/sismo/SismoPiezo.zip
Tutoriel pour réaliser des capteurs piézoélectrique lestés (impression 3D), sur le site académique de Nice :
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/?p=4280
Tutoriel pour réaliser ses propres capteurs, sur le site académique de Montpellier
https://pedagogie.ac-montpellier.fr/realisation-de-capteurs-pour-enregistrer-des-ondes-sismiques
Article sur le site académique de Besançon :
http://svt.ac-besancon.fr/visualiser-des-ondes-sismiques-et-mesurer-leurs-vitesses-dans-differents-materiaux/
Article sur le site académique de Versailles :
https://svt.ac-versailles.fr/spip.php?article734
Article sur le site académique d’Aix-Marseille :
https://www.pedagogie.ac-aix-marseille.fr/upload/docs/application/pdf/2012-11/fiche_professeur_activite5.pdf
