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Les phénomènes optiques sur un réseau ultrasonore dans l’ouverture circulaire d’un anneau de quartz
Jarmila Čerovská
To cite this version:
Jarmila Čerovská. Les phénomènes optiques sur un réseau ultrasonore dans l’ouverture circulaire d’un anneau de quartz. J. Phys. Radium, 1939, 10 (2), pp.97-103. �10.1051/jphysrad:0193900100209700�.
�jpa-00233644�
LES
PHÉNOMÈNES OPTIQUES
SUR UNRÉSEAU
ULTRASONORE DANS L’OUVERTURE CIRCULAIRE D’UN ANNEAU DEQUARTZ
Par Mlle JARMILA 010CEROVSKÁ.
Institut de
Physique
de l’Université Charles. Prague.Sommaire. 2014 Dans l’ouverture circulaire d’un anneau de quartz, taillé perpendiculairement a l’axe optique, se produisent dans l’air ou dans les liquides, pour certaines fréquences, des ondes ultra-sonores sta- tionnaires. Les ondes peuvent être rendues visibles dans l’air au moyen du lycopode, dans les liquides au
moyen du lycopode ou par une voie purement optique (stries)
On a
constaté
que le champ ultrasonore s’établit dans l’ouverture. non seulement lors de vibrations radiales de l’anneau, comme on supposait tout d’abord, mais aussi avec une multitude de vibrations non longi-tudinales. C’est pourquoi on a pu obtenir des ondes stationnaires dans les liquides avec des vitesses de son
quelconques.
L’ensemble des surfaces nodales de la vibration stationnaire existant dans l’ouverture de l’anneau dans le liquide se comporte comme un réseau à diffraction. On a montré pour les ondes planes que les angles de dif-
fraction sont donnés par une formule tout à fait analogue à celle de Bragg :
m 03BBi = 2039B sin 03B4 m = 1, 2, 3
Le résultat de nos mesures est que cette loi s’applique aussi à la diffraction sur un réseau ultrasonore formé dans l’ouverture circulaire d’un anneau de quartz vibrant
1. Introduction. --- Dans cet article on etudie les vibrations
élastiques
ultrasonores dans l’ouverture d’un anneau dequartz,
soit dans l’airlibre,
soit dansun
liquide.
L’impulsion
à ce travail a été donnée par une obser-vation de MM. les
professeurs Zacek
et V. Pe-trzilka
(1) qui
onttrouvé, pendant
leurs travaux surles vibrations radiales et de
torsion,
des anneaux dequartz,
taillésperpendiculairement
à l’axeoptique :
pour certaines vibrations radiales se
produisent
deslignes
nodales dans le centre de l’anneau.Il.
Dispositif expérimental, - c~)
L’ANNEAUDE QUARTZ. - Dans nos
expériences,
nous avons uti-lisé un anneau de
quartz
d’un diamètre externe(2a)
de
3,00
cm, interne(2b)
de1,05
cm etd’épaisseur 0,488
cm. L’anneau a été tailléperpendiculairement
àl’axe
optique
duquartz,
de sorte que les axes élec-triques
se trouvaient dans leplan
de l’anneau. Onpeut
démontrerqu’une
telleplaque
dequartz,
tailléeperpendiculairement
à l’axeoptique
secomporte,
ence
qui
concerne les vibrationslongitudinales
et trans-versales comme une
plaque isotrope.
Pour améliorer le
transport
descharges électriques
aux surfaces
cylindriques
de l’anneau dequartz,
on les aargentées
d’une manièreappropriée.
On aessayé
deux sortes d’armatures
argentées.
Toutd’abord,
ona utilisé l’anneau muni de six armatures
argentées, disposées
sur la surfacecylindrique
extérieure auxendroits des axes
électriques (fig. ~1 ).
L’anneau de
quartz reposait
sur un supportisolant,
portant six électrodesdisposées
encercle,
de sortequ’elles
se trouvaient contre les armaturesargentées
du
quartz.
Cettp méthode a rpndl1 des bons services
ppndun
ldes
expériences
dans l’airlibre,
tandis que dans lesliquides,
on a constaté certaines difficultés.L’anneau,
monté de cette
manière,
adhérait d’unepart
au sup-port,
d’autrepart
aux électrodes et se trouvait ainsi limité dans les vibrations libres.C’est
pourquoi
on aessayé
deremplacer
les élec-trodes fixes par de
petites
lamesminces,
soudées àl’extrémité de
petits
ressortsélastiques,
mais ce mon-tage
n’a pas soutenul’épreuve
nonplus.
A causé de
cela,
on aadupté
un autreprocédé
d’ali-mentation du
quartz
cncharges électriques.
(J.i aargenté
etpuis
cuivré(par
voiegalvanique)
les deuxsurfaces
cylindriques
de l’anneau. L~i connexion deces armatures du
quartz
avec legénérateur
à hautefréquence
a été constituée par des lamesélastiques.
Le
support
estrepréwenté figure
2.L’anneau est
suspendu
à un fil de soie. Lequartz
aé cé mis en
parallèle
avec le circuit oscillant d’ungéné-
rateur à haute
fréquence.
Pendant les observations des ondes ultrasonores dans l’air, on s’est servi d’un
générateur
à haute fré-quence.
typP lJiiiilPy’,
moy trKjdfArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0193900100209700
98
Telefunken RS 282 de 100 W de
dissipation anodique.
Pour les
expériences
sur les vibrations ultrasonores dans lesliquides,
il fallaitappliquer plus d’énergie
àl’anneau de
quartz.
C’estpourquoi
on a travaillé avecun
générateur
enmontage symétrique
munide deux triodes
américaines, type
United, 938 à 100 W.Fig. 2.
Le rendement des vibrations
mécaniques
duquartz
fut trouvé par un
procédé calorimétrique,
en mesurantl’élévation de la
température
duliquide.
Lesénergies
ainsi obtenues variaient de
0,1
à0,9
W environ.b)
DESCRIPTION DES MÉTHODESD’OBSERVATION, APPLIQUÉES
A L’ÉTUDE DES ONDES ULTRASONORES STATIONNAIRES DANS L’OUVERTURE D’UN ANNEAU DEQUARTZ. - Dans
l’air,
onpeut
observer les vibrations ultrasonores dans l’nuverture de l’anneau au moyen dulycopode ; quand
l’ouverture se trouve en réso-nance avec les vibrations de
l’anneau,
lelycopode
sedépose
sur le f’ond suivant leslignes
nodales.Dans le
liquide,
on observait tout d’abord les vibra-tions ultrasonores en s’aidant du
lycopode
mis ensuspension
dans leliquide
donné. L’anneau monté de la manièredéjà
décrite(fig. 2)
se trouvait dans unecuvette, remplie,
parexemple,
de tétrachlorure de carbone avec dulycopode
ensuspension. L’image
duplan
central de l’ouverture de l’anneau étaitprojetée
sur un écran.
, !’i.:!.
D’une autre
manière,
onpeut
obtenirFunage
duchamp
ultrasonore au moyen de la méthode de stries deT0153pler (2 ) qui
est fondéa sur lefait,
que les varia- tions de lapression, provoquées
par les ondes ultra- sonores, sontaccompagnées
par les variations de l’indice de réfraction.L’arrangement optique
de cettpméthode est
représenta
sur lafigure
~.Le
diaphragme Dl
est illuminé intensivement parune
lampe
L et sonimage
estprojetée
par unobjectif
Dsur une tache opaque sur verre en
D2.
Le faisceau lumineux passe par l’ouverture de l’anneau dans la l’uvette C et se trouveintercepté
dans sa route versla lunette par la tache en
D2.
La lunettepeut
êtreremplacée
par unappareil photographique.
Tant que dans l’anneau n’existe pas de vibration
élastique,
leliquide
restepartout homogène, l’image
du
diaphragme Dl
estcomplètement
obturée par la tache enD2
et lechamp
de vision de la lunette reste obscur.Quand
les ondes ultrasonores seproduisent
dans le
liquide,
les noeuds et les ventres deviennentdes zônes où les valeurs de l’indice de réfraction sont différentes et les rayons, tombant
précédemment
surla tache en
D2
font maintenant un détour en l’évi-t,ant,
en sorte que dans la lunetteapparaît
uneimage correspondante
duchamp
ultrasonore.D’autre part,
lesvibrations
ultrasonores dans le centre de l’anneau dequartz agissent
sur la lumière transmise comme un réseau de diffraction. Une ondeacoustique
stationnaire dans le creux de l’anneaureprésente
une ondeélastique composée
des compres- sions et dilatations distantes entre elles deA,
c’est-à- dire de lalongueur
d’onde du son dans leliquide
donné.Sous l’action des ondes
acoustiques
la densité duliquide
varie et, avecelle,
l’indice de réfraction.l,’ensemble des surfaces où s’effectuent ces
change-
ments de l’indice de réfraction se
comporte
comme unréseau à diffraction. Les maxima de la lumière dis-
persoe
par cet ensemble de surfaces se trouvent (]ans les directions~, remplissant
la condition :où 2,1
représente
lalongueur
d’onde de la lumière dans leliquide
et .1B est lalongueur
d’onde du son. Pour2, 3,...
existent les maxima dupremier, second,
troisième ordre.Les théories de la diffraction de la lumière sur un
réseau formé par des ondes ultrasonores
planes
sontdues à R. Lucas et P.
Biquard (3),
P.Debye (~),
@L. Brillouin
(5)
et C. V. Raman avec N. S.Nagendra
Nath
(6).
Il est évident que les considérations faites pour les ondesplanes peuvent
êtreappliquées
sansmodifications essentielles aussi au cas
qui
nousoccupe.
. Pour l’étude des
phénomènes optiques,
nous avonsappliqué
d’unepart
unelampe
à arc, d’autrepart
une
lampe
à vapeur de mercure à hautepression
Phi-HP
300,
munie d’unfiltre,
donnant une lumièr?presqup
-m-ojin-elirornati-que
de 5 46! f 1.ill.
Les résultatsexpérimentaux.
1. L’observation du réseau ultrasonore dans l’air. - On attendait tout d’abord à ce que les ondes ultrasonores stationnaires
puissent s’établir
dans1 - l
1’!U-.5.
l ’l~. ~.
l 1..2. > Il >
99
l’ouverture d’un anneau seulement pour des vibra- tions radiales de
l’anneau,
mais - comme nous ver- ronsplus
tard - on a pu les obtenir avec une multi- tude d’autres vibrations (laplupart transversales).
pourvu
qu’elles
aient unefréquente appropriée.
Pourles
fréquences
descinq premières
vibrations radiaison avait calculé
d’après
les formulesthéoriques
don-nées par A.
Zàêek
et V. Petrïilka(1)
les valeurs sui- vantes (enkilocycles-sec) :
Les
photographies jfig>. fi: 1, 2,
li, -, voirplanche
horstexte)
montrent leslignes
nodales(obte-
nues au moyen du
lycopode)
formées au fond del’ouverture de l’anneau vibrant dans l’air. Le
quartz
était muni des armaturesargentées
depremière
sorte(voir chap.
II,a).
Lesphotographies (fig. 5 ; 1, 2, 3 ;
v.
planche)
mettent en évidence la corré- lation entre l’existence des ondes ultrasonores stationnaires dans l’ouverture de l’anneau et le mode de vibration de l’anneau même. Lequartz
était muni des armatures de seconde sorte.En
supposant
que les ondes statiumairespeuvent
se former dans l’ouverture seulement pour des vibra- tions
purement
radiales del’anneau,
lesfigures
nodales sur sa surface devaient être des
cercles ;
ilest évident toutefois dans les
figures 5; 1, 2, 3, (voir planche) qu’il
n’en est pas ainsi. Deplus,
onpeut
constater que les cercles nodaux du
champ
utra-sonore dans l’ouver- ture de l’anneau sont interrom pus par trois
diamètres,
bissectant les trois axesélectriques
de l’anneau dequartz.
La
fréquence,
le diamètre de l’ouverture et la vitesse du son étantdonnés,
onpeut
calculer le nombre de cercles nodauxqui
doiventapparaître
dans l’ouver- ture de l’anneau dans le cas des ondes stationnaires.Pour la vitesse du son dans l’air à 200 C on a
pris
lavaleur de v = m
/sec.
Dans le tableau 1 sont inscrits les nombres de cercles nodaux calculés en
comparaison
avec les nombresobservés.
Désignons par k
le nombre des cerclesnodaux,
pan 2b le diamètre de l’ouverture de l’anneau et par A la
longueur
d’onde du son dans l’air - l’existence des ondes stationnairesexige
que :en introduisant la
fréquence f =--
B’ A un obtient pouria
vitesse du son --’
On a
obtenu,
parexemple,
pourf
=307,8
kilo-cycles-sec
et 2b= 1,05
cm k 9(fig.
4 :1). Donc,
ilest
et pour la vitesse du son dans l’air on a :
B cause de
fimpossibitite
du dénombrement exact de cercles nodaux (surtout dans le centre deson ne peut
prendre
la valeur ainsi que commeune
approximation.
ÏABLEAL 1.
On n’a pas pu déterminer le nombre des cercies nodaux
1
a cause de leur multitude rt due leur imperfection.
i
_
2. L’observation du réseau ultrasonore dans le
liquide. --
(7) A i Dt i -photos (iig. 6:
1, 2, 3)représentent
1F réseau ultra-sonore
produit
par l’anneau de quartz dans un me-lange
de tétrachlorure de carbone et dexylène,
renduvisible par le
lycopode
ensuspension.
Par un raisonnement tout à fait
analogue
à celuique nous avons
déjà
fait pour le cas del’air,
on obtientpour le nombre des cercles nodaux la formule :
100
Fig. G.
en
désignant
maintenant par v la vitesse du son dans leliquide.
Lesfréquences f
des vibrations de l’anneau étantdonnées,
on aessayé à remplir
la cundition citée(car k
doit être un nombreentier)
par des variations cle e obtenues enmélangeant
lesliquides.
Lafigure E~ ; 1,
montre lechamp
ultrasonore dans unmélange
de80 pour 100
xylène
avec 20 pour 100 de =1470kc /sec ~
-,figure 6 ; 2 : mélange
de 44 pour 100xylène
avec 56 pour 100
CCI~ / f
= 1 565kc /sec ; figure 6 ;
3 :mélange
de 62 pour 100xylène
avec 38 pour 100CCl4 Il
=1496 kc/sec.
On a trouvé
plus
tard que la vibrationultrasonore
stationnaire seproduit
dans l’ouverture non seule- ment pour des vibrationsradiales,
mais aussi pour des vibrationstransversales,
dont il y a unegrande multitudc ;
c’estpourquoi
onpeut
trouver pour presquechaque
valeur de v une vibration avec unefréquence correspondante.
A cause de cela on a pu obtenir des ondes ultrasonores dans unliquide quel-
conque.
TABLEAU II.
I*) On ne pouvait pas déterminer avec précision le nombre des reroles à cause dP lieur imperfection.
Dans le tableau II
figurent quelques
vibrationsqui
ont été
accompagnées
dans unmélange
de 44 pour 100 dexylène
avec 56 pour 100CCl#
d’unchamp
ultra-sonore assez intense.
Dans une gamme de
fréquences
de508,8 jusqu’à 210,0 kc /sec
on n’avait pas trouvé des vibrations ultrasonores stationnaires dans l’ouverture de l’an- neau ; à une vibration de210,0 kc,’sec
se sont formésseulement les trois diamètres nodaux
(fig. 7 ; 2).
Lamême
figure
fut observée aussi dans lexylène
avec dulycopode
ou par voiepurement optique
à une fré-quence de
210,2 kc/sec
et dans le toluène à210,1 kc /sec.
Cette vibration stationnaire était caractérisée par une intensité considérable.F’i,,. 7.
De la même manière que dans l’air on
peut
déterminer la vitesse du son dans leliquide d’après
le nombre de cercles nodaux. On a obtenu
ainsi,
pourun
mélange
de 62 pour 100 dexylène
avec 38 pour 100CCJ4
avec une vibration àf =1496,0 kc /sec,
h== 12,
une vitesse de l a12 m,’sec. La vitesse du son dans
un
mélange
de deuxliquides
se trouve entre les vitesses des deuxcomposants.
Des études de ladépendance
de la vitesse du son de la
composition
desmélanges
ont été exécutées par S.
Parthasarathy (7).
h)
LA MÉTHODE DES STRIES DE T0152PLER(2).
-- On aEtudié lp
t,h;4mli
ultrasonore dans l’fiiivPrttirP d>101
l’anneau dans des
mélanges xylène-tétrachlorure
decarbone,
dans lexylène
pur, dans le tétrachlorure de carbone pur et dans le toluène.Les
photos (fig. 8 ;
1 à4, 9 1
à6 : v. planche)
mon-trent le
champ
ultrasonore dans le tétrachlorure de carbone. Dans laplupart
des cas observés leslignes
nodales étaient des
cercles ;
-, pourquelques
vibrationsfaibles c’était le centre seulement
qui
s’éclaircissait.Dans
quelques
autres cas une sorte due ;grille
,) seproduisait
dans le centre de l’anneau. Dans le tétra- chlorure decarbone,
on a étudié lechamp
ultrasonore pour une gamme defréquences
de 100 à5 000
kc ¡sec.
TABLEAU III.
Les
fréquences,
aveclesquelles
les vibrations sta- tionnaires dans l’anneau dequartz
ont été obtenues,figurent
dans le tableau III. Les vibrationstrop
faiblesn’ont pas été
photographiées.
On a constaté, danstous les cas
observés,
que le réseau ultrasonore ne subsistait pa~plus longtemps que 5
à 15 sec. Leliquide s’échauffe,
sa densités’altère,
des courants et des tour-billons se
produisent
et le réseau ultrasonore se détruit.Avec certaines vibrations des diamètres nodaux appa raissent et la
symétrie ternaire
se manifeste distinc- tei-nent, surtout auxfréquences
lesplus
basses. On voit dans laplupart
desfigures
que les cas de réseauparfaitement
circulaire sont assez rares. Leplus
sou-vent les ondes stationnaires sont déformées
plus
oumoins,
surtout dans le centre del’anneau ;
cephéno-
mène est
probablement
en relation avec le fait que les ondes stationnaires étaientproduites
par les vibra- tions transversales del’anneau,
dont les diverses.parties
de la surface internepossèdent,
dans ce cas, desamplitudes
etphases
différentes.~ Les
images reproduites
dans lesfigures 8 ; 1, 2, 3,
4w. planche)
ont été reçues directement sur laplaque photographique,
tandis que les autres ont été obtenues au moyen de la lunette.3. La diffraction de la lumières par un réseau ultrasonore. -- On a mesuré
l’angle
de difïractioAavec une lumière
monochromatique
de X == 5 461 Aau moyen de deux méthodes.
D’après
lapremière,
onobservait le
phénomène
de diffraction dans unelunette dont l’oculaire a été muni d’une échelle mic ’0-
métrique.
La valeurangulaire
d’une division de l’échelle fut trouvé par une mesurespéciale.
On a
appliqué
toutefoisplus
souvent une autre mé-thode : Le
phénomène
de diffraction a été reçu direc- tement sur uneplaque photographique,
de sortequ’on pourrait
- en connaissant la distance de laplaque
auplan
central de l’ouverture de l’anneau -calculer l’angle d’après
les diamètres des cercles de diffrac- tion(fig. 10 ;
1 à8)
lesangles correspondants.
Les
figures représentent
lephénomène
de ditfrac-tion en
grandeur
naturelle. Il est évident sur le tableau IV que lesangles
de diffraction observés s’accordent assez bien avec lesangles
calculés au moyen del’équation
deBragg.
En évaluant les mesures ctc
l’angle
dedinraction,
ilfallait tenir
compte
de la réfraction de la lumière en’
entrant et en sortant de la cuvette contenant le
1
liquide (CCI4
en notre cas). Un apris
pour l’indice de)
réfraction deCCI4
pour la lumière verte la valeur.
n ==1,!~66 (~).
La réfraction dans lesparois
de la cuvettea été
négligée
car, d’unepart,
lesparois
étaient assez1
minces(2 mm)
et, d’autrepart,
leur indice de réfrac- tion ne différait pasbeaucoup
de celui du tétrachlo-, rure de carbone. Pour la
vitesse
du son dansCC]4
à20,90
C on apris
la valeurdr v
= P63 in sec..
102
Fig-. 10.
L’angle
de diffraction a été calculé au moyen de Ja formule :où 8
représente l’angle
entre le rayon incident et leplan
du réseauultrasonore, d
est le rayon du cercle de diffraction obtenue sur laplaque,
A la distanceplaque-anneau,
rr l’indice de réfraction(voir fig. 11).
Aussi,
dans la formule deBragg :
-il faut tenir
compte
de l’indice de réfraction duliquide,
car X,
désigne
lalongueur
d’onde de la lumière dansTABLEAU IV.
103
le milieu
donné ;
endésignant
par À lalongueur
d’onde dans
l’air,
on a pour lalongueur
d’onde dans leliquide :
n = n i,
L’échauffement du
liquide
a été souvent accompa-gné
par une déformation du réseau ultrasonore cequi
a causé uneperte
de clarté duphénomène
de dif-fraction. C’est à un tel réseau déformé que
correspond
la
figure 10,
2. C’estpourquoi,
pour obtenir desphoto- graphies
nettes duphénomène
on ne devait pas expo-ser la
plaque plus longtemps
que 1 à 2 sec, en interca-lant des pauses de 8 à 10 sec entre les
prises.
Il fallaitsouvent exposer 20 à 30 fois.
Il résulte alors des mesures
(tableau IV)
qtio ladiffraction de la lumière sur un réseau ultrasonore
produit
dans l’ouverture d’un agneau dequartz vibrant, obéit,
dans les limites des erreurs d’obser-vations,
à la loi deBragg.
Cela vaut surtout pour les ordressupérieurs.
En
terminant, je
remercie vivement le directeur de l’Institut dePhysique
de l’UniversitéCharles,
àPrague,
M. leprofesseur-docteur Aug. Zicek,
pour l’intérêtqu’il
aporté
à mon travail et pour les conseilsqu’il
m’adonnés ; je
remercie aussi sincèrement M. le docteur V. Petriilka pour son amabilité et sabienveillance.
Manuscrit reçu le tu août 1938.
BIBLIOGRAPHIE
’
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