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Submitted on 1 Jan 1886
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Études sur la théorie du téléphone
E. Mercadier
To cite this version:
E. Mercadier. Études sur la théorie du téléphone. J. Phys. Theor. Appl., 1886, 5 (1), pp.141-165.
�10.1051/jphystap:018860050014100�. �jpa-00238617�
ÉTUDES SUR LA THÉORIE DU
TÉLÉPHONE;
PAR M. E. MERCADIER.
Une étude
complète
dutéléphone électromagnétique
comporte trois recherchesprincipales,
savoir :I. Recherches du mécanisme en vertu
duquel
des ondes sonoressimples,
comme celles des sonsmusicaux,
oucomplexes,
commecelle de bruits ou de la
parole
articulée, font varier lechamp
ma-gnétique
d’un aimant où se trouve une lame de fer ou d’acier etproduisent
ainsi dans une hélicequi
entoure l’aiiiianl des courantsinduits.
II. Recherche de la nature intime de ces courants.
III. Recherche du mécanisme en vertu
duquel
lapropagation
de ces courants dans un
appareil
semblable an transmetteur per-met de
reproduire
les sons ou bruitsqui
leur ont donné naissance,avec leur
hauteur,
leur timbre, leurcomplexité,
sauf une réductionconsidérable d’intensité.
De ces trois genres de recherches, le second
n’a guère
donnélieu
qu’à
des étudesthéoriques,
basées sur deshypothèses
rela-tives au mécanisme
qui
doit fairel’objet
dupremier,
et àquelques expériences
en vue de déterminer l’intensité des courants induitstéléphoniques.
Le
troisième,
au contraire, a été effectué, on peut le dire, sous presque toutes les faces, aupoint
de vueexpérimental,
dans le but de chercher à accroître l’intensité des effetsproduits.
Une quan- tité considérable de Mémoires ont étépubliés à
cesujet
dans laplupart
des pays du monde; mais il est à remarquer que, dans leplus grand
nombre de ces recherches, on ne s’est pas servi commetransmetteur du
récepLeur
lui-même, enprofitant
de sa réversibi-lité : on a
employé
des transmetteursmicrophoniques
àpile,
dontles effets sont
plus
intenses, maisqui compliquent
au fond lesétudes de cette
espèce.
Quoi qu’il
en soit, peu de personnes ont cru devoirs’occuper
de l’étude du transmetteur
électromagnétique luii-même
et de sonArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:018860050014100
perfectionnement.
Et l’on est étonné de lire, dans des livres scien-tifiques
où laquestion
dutéléphone
esttraitée,
que la théorie dutéléphone électromagnétique
transmetteur n’offre pas de difficul- tés ! Je croisqu’il
serait certainementplus
exact d’affirmer quecette théorie n’a pas encore été véritablement étudiée.
Jusqu’à présent,
en effet, on s’en est à peuprès
tenu auxexpli-
cations données par M. G. Bell dans son Mémoire
présenté
à laSociété des
ingénieurs télégraphistes
de Londres, le 3 octobre1877.
Or,
dans ce lflémoire, siremarquable
d’ailleurs, M. G. Bell a définice
qu’il
entend par courants ondulatoires, courantsqui
se suc-cèdent d’une manière continue avec des intensités successivement croissantes et décroissan tes ; il a soutenu la nécessité de leur em-
ploi
pourreproduire,
par des moyensélectromagnétiques,
laparole
articulée; mais le mécanisme même en vertuduquel
cescourants sont
produits
n’est pas nettementexpliqué;
toutes lesexplications
à cesujet
se réduisent à dire que les courants enquestion
sont les courantsqui
résultent desrapprochements
etéloignements
de l’armature vibrantequi
est en face dupôle
d’unaimant,
sous l’influence des ondes aériennesproduites
par la voix.Jusqu’à ce j o ur ( du
moins à maconnaissance)
on n’a pas donné d’autresexplications
du mécanisme parlequel l’énergie
sonore,renfermée dans les ondes aériennes si
complexes produi tes
par la voix humaine, est transformée enénergie électrique
ciné-tique,
sous la forme de courants induits, par suite del’interposi- tion,
entre les ondes et lepôle
d’un aimant entouré d’une hélice,d’un
diaphragme
en matièremagnétique
comme le fer ou l’acier.Je me propose
d’exposer
une série de recherchesexpérimentales
faites en vue de rendre compte, autant que
possible,
de ce méca-nisme.
THÉORIE DU TRANSMETTEUR.
I. - Étude du diaphragme au point de vue élastique.
Bien que ce ne soit nullement nécessaire
(car j’ai
construit debons
téléphones
avec desdiaphragmes
de formesdiverses),
le dia-phragme
destéléphones
a ordinairement la forme d’undisque
mince en fer ou en acier.
Avant de l’étudier au
point
de vuespécial
de sonapplication
autéléphone,
il étaitindispensable
de l’étudier en lui-même aupoint
de vue de ses
propriétés élastiques
ouacoustiques.
Tel a été le but des recherches sur les vibrations des lames rec-
tangulaires
et circulaires, en fer et en acier,qui
ont étépubliées
dans ce Journal
(1).
Enparticulier,
l’étude sur les vibrations des lames circulaires,publiée
en décembre 1885,répond précisément
au titre ei-dessus : Étude du-
diaphragme
aitpoint
de vue élas-toque.
Je lasupposerai
connue dans cequi
suit :II. - Étude du diaphragme au point de vue téléphonique.
Rappelons,
avant tout, cequ’on
peutappeler
la définition d’untéléphone
transmetteur.Un
téléphone électromagnétique
transmetteur, tel que M. G.Bell l’a réalisé
après
de nombreux essais, se compose essentielle-ment d’un
diaphragme
en forme dedisque
mince, en fer ou en acier, encastré sur ses bords, à peu de distance d’unpôle
d’aimantou d’électro-aimant entouré d’une hélice
métallique.
Quand
on relie les deux bouts de l’hélice à celle d’unappareil
semblable, servant derécepteur,
on reconnaît au transmetteurles caractères suivants :
i°
Quand
onproduit
des vibrationssimples
de l’air, dans levoisinage
dudisque,
ces vibrations se trouventreproduites
à dis-tance par le
récepteur,
avec leurpériode
et une intensitébeaucoup
moindre;
2° Si l’on
produit
simultanémen tplusieurs
vibrationssimples,
formant par
exemple
des accords, lerécepteur
lesreproduit
aussisans altération des intervalles ;
3° Si les vibrations sont
plus complexes,
comme celles de la pa- role articulée, leur articulation estreproduite,
et leur timbre aussi, au moinsapproximativeu1en t;
4" Si l’on fait varier d’une manière coj2ttnue la
période (là hauteur)
des sons, des accords ou des sonscomplexes
correspon- dant à cesvibrations,
lerécepteur
lesreproduit
d’une manièrecontinue.
(’ ) Journal de Physique, 26 série, t. III, i8g; IV, 541; 1884,-85.
I44
Cette continuité dans les effets
produits
est lapropriété capi-
tale et
caractéristique
dutéléphone.
Elle suppose évidemment dans lediaphragme
du transmetteur lapossibilité
de mouvementstrès
complexes
etsusceptibles
de varier d’une manière continue dans leurs éléments. C’est lepremier point
à étudier.A. Rôle dzc
diaphragme
aupoint
de vueélastique)
i-elative-ment à la nature des mouvements
qu’il effectue.
- Le dia-phraglne
est un corpsélastique susceptible
de vibrer :j’appellerai
sons
particuliers
ou propres de cediaphragnle,
ceuxqu’il
estcapable
deproduire (fondamental
etharmoniques)
en vertu deson élasticité, de sa forme
géométrique)
de la nature de son sup- port, et caractérisés par l’existence delignes
nodales déterminées.Quand
onproduit
dansl’air,
devant lediaphragme
des mouve-ments vibratoires
simples
oucomplexes
comme ceuxqui
résultentde la
parole
aruictilée, ils’agit
de savoir si les mouvementsqui
seproduisent
sont ceuxqui correspondent
aux sonsparticuliers
dudiaphragme
ou des mouvements d’une autre nature.I. Il est à remarduer d’abord que, dans le fonctionnemen t or-
dinaire du
téléphone
transmetteur, lediaphragme
n’estjamais
misen mouvement, comme on le fait
quand
on veutproduire
la sériedes
harmoniques
et deslignes
nodalesqui
lescaractérisent;
caron ne les abandonne pas à eux-mêmes
lorsqu’ils
ont commencé àvibrer,
on ne laisse pas un librejeu
à l’action des forces élas-tiques ;
en un mot, les mouvementsqu’ils
peuvent effectuer sont des mouvementsforcés;
observationimportante,
car, si l’on nepeut en conclure
I’impossibilité
des mouvementscorrespondant
aux sons
particuliers
dudiaphragme,
elle permetdéjà
de conce-voir la
possibilité
de mouvements d’ une autre nature.II. En second lieu, la continuité nécessaire des mouvements
indiqués
ci-dessus est en contradiction avec les résultats de la théorie desdisques
vibrants et del’expérience.
En effet, considérons en
premier
lieu undisque
vibrant libre-ment; il ne peut
prendre qu’une
série limitée de déformationscorrespondant
au son fondamental et à sesharmoniques,
etil y
en a très peu : 2 dans l’octave du son
fondamental
2 dans la2e octave; 4 dans la 3e; 4 dans la 4e, etc.
L’expérience
confirme ces résultats, même pour desdisques
de fer, de fer-blanc ou d’acier très minces, tels que ceux des télé-phones
ordinaires. Les résultatsqu’on
obtient, en effet, en étu-diant les
diaphragmes
dont on se sert dans la fabrication usuelle des transmetteurstéléphoniques,
ne diffèrent pas de ceux quenous avons
indiqués
dans lapremière partie
de ces études, pour desdisques
minces en acier le meilleurpossible
et le mieux tra-vaillé.
Ainsi : i° ils
présentent
la mémehétérogénéité intérieure,
ma-nifestée à l’oreille par des battements de sons simultanés,
quand
on
produit
le sonfondamental,
et àl’oeil, par les
déformations de la nodale circulaire du 1 erharmonique.
En voici unexemple,
pour fixer les idées. J’ai
pris
au hasard 114diaphragmes
en fer-blanc, de om, io de diamètre et de omm, 6 à 0mm, 7
d’épaisseur,
ser-vant à construire des transmetteurs d’Arson"B"al. Sur ce nomhre,
10 pour i o0 ont
présenté
une nodale circulaire et donnent un sonmusical assez pur;
35
pour J o0 ont une nodale circulaire un peudéformée ;
3o pour 10o sont médiocres aupoint
de vueacoustique ;
ou bien leur nodale est franchement
elliptique,
ou bien elle a laforme ovoïde ; leur son est
généralement
médiocre. Enfin 25 pour I Ooproduisent généralement
un son mauvais et ont des nodales encoreplus
déformés ; soit que l’un des axes de lafigure s’allonge
à une extrémité; soit que la nodale prenne une formetriangulaire
curvi-ligne qui
n’est bien nette quelorsque
les trois sommes coïncidentavec les trois
points d’appui
entriangle équilatéral
des supports surlesquels
lesdisques
sontplacés,
et il est à remarquer que, dans cetteposition,
le son dudisque
estgénéralement
pur, soit que la nodale ait une formehexagonale,
ou enfinqu’il n’y
ait pas de nodale nette,auquel cas le disque
ne rendqu’un
sonmat ou plu tô t un
bruit sonore.2° Des
diaphragmes
de ce genrequi
ne sont pas travaillés avecsoin et dont la surface est étamée ou nickelée, et dont
l’épaisseur
varie, par suite,généralement
enchaque point,
offrent d’ailleurs,cela va sans dire, la même discordance que les
disques
minces dumeilleur acier, entre la théorie et
l’expérience,
en cequi
concernela hauteur des sons fondamentaux et des
harmoniques.
3° Enfin, et c’est le
point
surlequel il y
a lieu d’insister actuel-lement, les sons
particuliers
de cesdisques,
fondamental et har-moniques,
formenttoujours
une série cliscontinlle et lin2Ltée.Considérons maintenant des
diaphragmes,
nonplus libres,
mais encastrés sur leur contour, comme ils le sont dans les télé-
phones.
Dans ce cas, la théorie supposant des
disques
infiniment minceset un encastrement absolu, c’est-à-dire oû tous les
points
encas-trés sont
complètement immobiles, indique qu’un
tel encastrementfait seulement varier
légèrement
la hauteur du son fondamentalet des
premiers harmoniques qu’avait
ledisque
non encastré ;mais ils restent
toujours
discontinus et en nombre limité.Voici ce que dit Wertheim à ce
sujet (Annales
de Chinl. et dePhys.,
3e série, t. XXXI, p.18) :
« On ne peut vérifier cettepartie
de lathéorie, puisqu’il
estimpossible
d’encastrer uneplaque
sur toute sa circonférence ;
cependant
on peut obtenir des sons etdes
figures correspondantes qui
forment la transition du bord libre au bord encastré etqui
s’accordent tout à fait avec la théorie.A cet
effet,
on fixe certainspoints
de la circonférence au moyen d’un support à bouchons et l’on continue à ébranlerpar le
centre ;on obtient alors de ces
figures
à festonsqui
sont connuesdepuis
Chladni, mais dont la théorie n’a pas encore été donnée, Et enmême temps le son monte sensiblement, tant
qu’on
n’a pas dé-passé
le troisième son. Lesfigures
ne se sont bien formées que sur lesplaques
en laiton.... »En
premier
lieu, notons ce dernierpoint,
car il n’est pas réalisé dans letéléphone
où l’onn’emploie jusqu’ici
que des lames en fer(’ )
ou en acier.En second
lieu,
il est à remarquer que lesfigures
dontparle
wertheim, etqui
sont des sortes de cercles festonnés, n’ontja-
mais été obtenues
qu’en employant,
des moyensénergiques,
telsque celui
qui
consiste à percer au milieu de laplaque
un troudont on frotte les bords avec une mèche de crin
colophanée,
cequi
n’a véritablementqu’un
rapport extrêmementéloigné
avec lemode d’ébranlement
qui
consiste àparler
sur le centre de laplaque.
sIl
paraît
donc nécessaire de voirques
peuvent être les effets de(1) Wertheim n’a j jamais employé dans ses expériences qu’un disque en fer doux,
et il avait 4mm,48 d’épaisseur, condition indispensable pour que la théorie soit véri-
fiée, ainsi qu’on l’a montré ( Journal de Physique, 28 série, t. IV, décembre 1885).
l’encastrement dans les cas des
plaques
habituellement en usageen
téléphonie,
et avec un mode d’ébranlement en rapport avec celuiqu’on
yemploie.
A cet effet, dans un
téléphone
de formeparticulière (fig. 1)
que
j’ai
fait construire pour servir à des études variées,je puis,
àFig. 1.
volonté, serrer la membrane de fer étudiée in
(fig. y (1)
sur uneportée
bienplane
circulaire p, avec un anneauplat
de bronzeépais,
à l’aide de huit écrous E,
placés
au sommet d’un octogone, ou bien en encastrersuccessivement,
entre depetits
blocs decuir b,
huit
points
de la circonférence(les
autres restantlibres),
à l’aidede brides convenables B serrées par les huit écrous.
J’ai soumis à des
expériences
de ce genre desplaques
de toute sles
catégories spécifiées précédemment,
etj’ai
observé les faits suivan ts :En encastrant un
point
de la circonférence d’une de cesplaque s,
on obtient, en la
frappant
au centre àpetits
coupsrépétés,
unmélange
de sons confus,plus
ou moins clairs, mais il estimpos-
sible d’obtenir une
figure
nodale stablequelconque.
En essayant d’entretenir
électriquement
le mouvement à l’aided’un
style placé
au centre de laplaque,
on peut obtenir avecbeaucoup
de difficulté un son continuqui
s’entend àpeine.
On peut étudier ainsi ce
qui
arrivequand
on fixe successive-ment entre deux blocs de cuir 2, 3, 4, ...
points
de la circonfé-rence du
disque,
ouquand, appliquant
cette circonférence sur laportée du support et l’anneau de bronze au-dessus, on serre suc-
cessivement les écrous. On reconnaît ainsi : 10
qu’on
ne peut obtenir defigure
nodale nette enfrappant
le centre ; 2,° que l’en- e) Les figures contenues dans cet article ont été obligeamment mises à notre disposition par le journal La Lunaière électrique.I48
tretien
électrique
du mouvement ne peut s’effectuer que très malavec de
grandes
difficultés; 3° que lesdisques
neproduisent plus
de son soutenu et musicale mais bien
plutôt
une sorte de bruitsonore, de tonalité assez vague
quand
on lesfrappe ; 4° qu’en
fai-sant varier
graduellement
ledegré
d’encastrement ouplutôt
deserrage on fait varier cette
tonalité (fait déjà signalé
dans les té-léphones ordinaires).
Cette variation peut être deplus
d’uneoctave pour des
disques
de om, 1 o de diamètre et de omm, 7d’épais-
seur, d’une quarte pour des
disques
de 5mmd’épaisseur,
et mêmed’une seconde et
plus
pour lesdisques
de 10mmd’épaisseur.
Un
disque téléphonique
aussiimparfaitement
encastré estdonc,
aupoint
de vuemécanique
etélastique,
unsystème
trèscomplexe
et fort peu déterminé; on ne peut guère lui supposerapplicables
que les résultats lesplus
généraux de la théorie desdisques vibrants,
à bordsparfaitement
encastrés et considéréscomme f xes,
tels que l’élévation despremiers harmoniques
dudisque
libre. Nous venons de voir ce résultat réalisé pour le son leplus
grave dudisque;
mais ilimporte beaucoup
de savoir s’il existe encore une séried’harmoniques analogues
à ceux dudisque
non encastré.
A cet effet, imitant la méthode dont s’est servi M.
Bourget
pour l’étude des membranescirculaires, j’ai
soumis desdisques
serrésdans une monture ordinaire de
téléphone (par exemple
de télé-phone Gower)
à l’action des vibrations de tuyauxd’orgue
dontl’ouverture était
placée
au-dessous de leur centre.Je me suis servi d’une série de
vingt-six
tuyauxproduisant
dessons croissant par intervalle, de secondes
majeures
ou mineures ;des
appendices cylindriques
en cartonpermettaient,
enallongeant graduellement
chacun d’eux, de passer du son de l’un à celui de l’autre sansdiscontinuité; j’obtenais
ainsi une série continue desons allant du la2 à l’ut6, c’est-à-dire
dépassant
debeaucoup
leslimites des sons de la
parole
articulée.En versant du sable sur le
disque
maintenuhorizontal,
oncherche si,
indépendamment
des faibles mouvementsinévitables
communs aux
disques
et à la monture, il y a des sons que ledisque
renforce
visiblement,
enproduisant
deslignes
nodalesplus
oumoins
régulières,
etqui correspondraient
ainsi à desharmoniques
particuliers.
Voici les résultats ohtenus avec un
disque
en fer très mincede omm, I5
d’épaisseur;
les dessinsreprésentent
leslignes
nodalesirrégulières
obtenues pour un certaindegré
de serrage dudisque (fig. 2):
Fig. 2.
(a) correspond
à l’ Ul3;(b)
aux sonscompi-is
entre si3 et ut4;(c)
à ut 4 ;(d) à fa4; (e)
à la#4;(f)
à ré #3;(g) à fa*;.
Entre les sons
indiqués,
sauf mz3,qui a produit
une ébauchede
ligne nodale,
tous les autres n’ont rien ou à peuprès
rienproduit
de sensible.La discontinuité de ce
qu’on
peutappeler
les sonsparticuliers
du
disque
est donc bien évidente.Si l’on soumet à cette
expérience
desdisques
deplus
enplus
épais,
on reconnaît que, toutes choseségales d’ailleurs,
le nombresdes sons
qui produisent
dans ledisque
des nodales sensibles di- minue. Apartir
de omm, 5d’épaisseur,
la série se réduit à un cer-tain son et à des octaves pour
lesquels
ledisque
vibre en tous sespoints ;
mais on peut admettre que pour cesépaisseurs
le modede mise en vibration n’est pas assez
énergique,
et que les sériesd’harmoniques
peuvent néanmoins exister enproduisant
des mou-vements
d’amplitude
troppetite
pour être directementvisibles;
mais cette circonstance ne saurait évidemment
changer
leur dis-continuité en continuité.
En
remplaçant
l’action des tuyauxd’orgue
par celle de lavoix,
en chantant des sons formant une échelle continue dans un tube dont l’extrémité est
placée
au-dessous du centre dudisque,
on ob-tient des résultats
analogues
auxprécédents,
maisbeaucoup plus
faibles.
En
parlant,
au lieu dechanter,
les effets sont encoreplus
faibles.
En résumé, il
parai
démontre que les mo uvements correspon- dant aux sonsparticuliers
dedisques
encastrés, comme ils le sontdans les
téléphones, forment,
comme ceux desdisques
vibrant librement, une échelle discontinue; dès lors ils ne suffisentpoint
à
expliquer
la transmission d’une série continue de sons ou d’ac-cords,
et l’on est conduit ainsi d’une nouvelle manière à admettrela possibilité
de mouvements d’une autreespèce.
III. Nous pouvons aller
plus
loin et montrer que cettepossibi-
lité est véritablement une nécessité.
En effets, prenons des
disques
de 2mmd’épaisseur
au moins etde IOU’nm de diamètre : leur son fondamental et, par suite, leurs
harmoniques
sontsupérieurs
àl’ut;, lorsqu’ils
sont encastrés. Sinous
produisons
devant cesdiaphragmes
une série continue desons ou d’accords d’une hauteur inférieure à
1lit5,
ou bien si unhomme
parle
devant eux en émettant ainsi des sons articulésqui
sont
toujours compris
dans la gamme d’indice 3 auplus,
il est im-possible
que les sonsparticuliers
dudiaphragme
soient mis enjeu.
Pourtant avec destéléphones
transmetteurs, dont le dia-phragme
a 2mm, 3mm ou 4mmd’épaisseur,
on entend fort bien, avecune faible intensité il est vrai, dans le récepteur l’échelle continue de sons ou d’accords
indiqués
ci-dessus et laparole
articuléeavec son timbre. Il est donc nécessaire ici
qu’il
seproduise
dansle
diaphragme
des mouvements différents de ceuxqui
corres-pondent
à laproduction
du son fondamental et desharmoniques.
Les considérations
précédentes,
basées sur les lois de l’acous-tique
et de l’élasticité,présentent principalement
un caractèrethéorique,
bien ques’appuyant
sur un certain nombred’expé-
riences très
simples.
Elles peuvent être confirmées par une seconde série de faits d’un caractèreplus expérimental
encore.IV. On peut
agir
sur ledisque
d’untéléphone,
nonplus
direc-tement, mais par l’intermédiaire de substances
quelconques,
sus-ceptibles
ou non d’émettre des sons propres,métalliques
ou non,corps
magnétiques
ou non,élastiques
ou mous, fibreux ou cristal- lisés,homogènes
ouhétérogènes,
ainsiqu’on
le voit dans l’énu- mération suivante des corps essayés : mica, verre, zinc, fer, cuivre,liège,
caoutchouc,bois, papier,
coton,plume, linge,
ciremolle.
Il suffit
d’appuyer
une lame de ces corps sur les bords destinés habituellement à visser le couvercle del’instrument, emprisonnant
ainsi une couche d’air
plus
ou moinsépaisse
entre ledisque
de feret la
plaque essayée.
On reconnaît que
l’interposition
de cette lame n’altère pas lespropriétés téléphoniques,
enparticulier
lareproduction
du timbre,et ne fait même pas varier sensiblement l’intensité des effets,
toutes choses
égales
d’ailleurs(1 ).
Pour éviter
qu’on
nepuisse
attribuer ce résultat aux vibrationsdirectes des
parties
latérales de l’instrument, on en toure le télé-phone
tout entier d’uneépaisse
couche d’ouate et l’on constatepréalablement qu’on
ne transmet rienquand
onparle
contre lesparois,
dans ces conditions.La même
précaution
étantprise,
en augmentantl’épaisseur
dela lame
interposée,
on affaiblit bien engénéral,
il est vrai,graduel-
lement l’intensité de l’effet
produit;
mais la hauteur et le timbre de la voix ne sont nullement altérés, et ce dernier au contrairedevient de
plus
enplus
net. ,(1) M. Ochorowicz avait déjà montré qu’on peut interposer une lame de caout-
chouc entre la bouche et un téléphone.