Sur la dispersion des ultrasons dans les liquides

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Sur la dispersion des ultrasons dans les liquides

Ladislav Zachoval

To cite this version:

SUR LA DISPERSION DES ULTRASONS DANS LES

LIQUIDES

Par LADISLAV ZACHOVAL.

Sommaire. - Dans _ce travail l’auteur donne les résultats de _mesures

précises de la vitesse des

ultra-sons dans divers liquides. La méthode de mesure, utilisant _{la diffraction de la lumière par les ultrasons}

et par un réseau de comparaison est _exposée en détail. En prenant diverses _précautions pour éviter des sources d’erreurs accidentelles on constate une variation _{systématique} de la vitesse du son avec

la _fréquence pour certains liquides tels que la glycérine, le toluène, l’huile de ricin. L’auteur compare brièvement ses résultats _{expérimentaux} avec ceux _{publiés par d’autres auteurs.}

1. Introduction. - La découverte de la

dispersion

des ondes ultrasonores dans _{les gaz ainsi que les} études de

_{l’absorption}

des ultrasons dans les

_liquides

ont

_évoqué

la

_question

de l’existence de la

_dispersion

des ultrasons dans les

_liquides.

Il est d’un

_grand

intérêt de savoir si les

_liquides

se

_comportent

comme les _gaz en ce

_qui

concerne la vitesse du son.

Jusqu’ici

aucune

_dispersion

incontestable _{n’a pu}

être mise en évidence. Mais il

_n’y

a _pas

_beaucoup

de mesures de la vitesse des ultrasons dans les

_liquides

et _peu de ces mesures ont été effectuées dans des conditions favorables afin de

_pouvoir

s’assurer de

la

_dispersion.

Les

_expériences

faites n’étant ni

nombreuses ni

certaines,

il est nécessaire de mesurer les vitesses des ondes ultrasonores dans les

_liquides

gardant

toujours

deux

_principales

_{conditions pour} l’étude de la

_{dispersion :}

la

_fréquence

des ultrasons bien définie et la

_température

aussi _{stable que}

possible.

2. Méthode de mesure. - La _{méthode pour}

mesurer la vitesse des ultrasons dans les

_liquides

que

je

vais décrire a

déjà permis

de constater

la !

dispersion

des ondes ultrasonores dans l’huile de ricin dans le sens

_{correspondant}

aux actions de viscosité

_[1].

Le Tableau 1 et la

_figure

_{représentent}

TABLEAU I. 1

(*)

Vitesse dans l’huile de ricin pour la

fréquence

fondamentale v = i 998,og ke/sec.

les _{résultats obtenus pour} ce

_liquide.

La méthode utilise la diffraction _{de la lumière par les}

ultra-sons

_{[2, 3].}

J’ai fait sur la même

_plaque

les clichés

des

_spectres

de diffraction _{pour la}

_fréquence

fonda-mentale _{ainsi que pour} les

_harmoniques

du même

quartz

maître-oscillateur. Les distances des raies

de diffraction mesurées sur la

_{plaque photographique}

indiquent

les variations relatives de la vitesse des

ultrasons. Pour

_pouvoir

mesurer les valeurs absolues de la vitesse on

_fait,

sur la même

_plaque

encore,

le cliché du

_spectre

d’un réseau de

_comparaison

placé

dans une

_position

bien définie.

Fig. I. - Vitesse

des ultrasons dans l’huile de ricin pour différentes _{températures,} relative à la _fréquence fonda-mentale v = _{rgg8,go kc/sec} et à la fréquence harmonique 3.

Soient

_LI

la

_longueur

d’onde ultrasonore relative à la

_fréquence

fondamentale et Lk celle relative

à la

_{fréquence harmonique}

k. Si la

_longueur

d’onde

de la lumière est

).,

l’angle

de diffraction _{est 9 et}

351

p est l’ordre du

spectre

de diffraction. La distance D entre la

_{plaque photographique}

et le

_{plan principal}

de

_l’objectif

étant

_grande

_par

_rapport

à la distance d entre deux

_franges

consécutives du

_spectre

de

diffrac-tion,

on

_peut

faire sin _{y = d :}

_D,

et l’on a

Le réseau de

_comparaison

_ayant

n traits par

centi-mètre,

on _a,

-

-d,. étant la distance entre deux

_franges

consécutives

du

_spectre

de

_diffraction

donné _par le réseau de

comparaison.

’

La radiation lumineuse utilisée était le doublet D

du sodium. La fente du collimateur a été verticale

et le

_rayonnement

_parallèle

_ayant

traversé le

_liquide

perpendiculairement

au

_rayonnement

ultrasonore a

été reçu par un

_objectif

de

longueur

focale

f

= _{120 cm.}

Une

_{plaque photographique placée}

au

_plan

focal de cet

_{objectif pouvait}

être

_déplacée

perpendicu-lairement à l’axe de

_{l’objectif.}

Le réseau de compa-raison

_ayant

six _{traits par millimètre} a été

placé

entre

_l’objectif

et la cuve contenant le

liquide.

Celle-ci a été

_placée

dans une enceinte

_{thermostatique}

ayant

comme fenêtres les

_plaques

de verre

plan-pa-rallèle

_{(fig. 2).}

Fig. 2. -

L, lampe à sodium; FI, fente du _collimateur; Oz, objectif du collimateur; Th, enceinte _{thermostatique;} C, cuve contenant le _{liquide; F 2’ diaphragme;} Qu, quartz émetteur _{d’ultrasons; Pr, plan réflecteur; R,} réseau de comparaison; 0,, objectif de longueur focale _f = ~ 2 o _cm;

P, plaque photographique.

Le

_quartz

_produisant

les ultrasons

_placé

verti-calement a été en contact avec le

liquide

seulement par une face. Un

_plan

réflecteur des ultrasons a

été

_parallèle

au

_quartz.

La

_fréquence

du

_poste

émetteur de haute

_{fréquence qui}

a été

_couplé

au circuit du

_quartz

mis dans le

_liquide

a été définie par un

_quartz

taillé de telle

façon

_que son coefficient

de

_température

était nul. J’ai

_employé

un

_quartz

maître-oscillateur de

_{fréquence ),}

= 1

_g99,800

_kcjsec

couplé

au circuit du

_quartz

émetteur d’ultrasons

de

_fréquence

_{propre v1}

= i ooo,oo

kc/sec

mis dans

le

_liquide.

Un autre

_quartz

maître-oscillateur

de

_{fréquence v2}

= i

998,goo

kc/sec

a été

_couplé

au

_quartz

émetteur d’ultrasons de

_fréquence

propre v’.,

_ ~

999,o6

kcfsec.

En raison de

l’amor-tissement

créé _par le

_liquide

ces deux

_quartz

émet-teurs se trouvaient dans de bonnes conditions de

résonance.

Le

_poste

émetteur de haute

_fréquence

dont le

schéma de

_montage

est

_représenté

sur la

_figure

3,

permet

d’obtenir la

_fréquence

fondamentale ainsi

que les

harmoniques

du

quartz

maître-oscillateur.

Le tube

_employé

est une

_lampe

tétrode 6L6 G.

Le

_quartz

a été

_{disposé parallèlement}

à la fente du collimateur et aux fentes des traits de compa-raison. La

_{température réglée}

_par un thermomètre

à contact

_placé

dans l’enceinte

_{thermostatique}

a été

suivie encore _par un thermomètre dans le

_liquide

dans

_lequel

on a mesuré la vitesse des ultrasons. Les variations de la

_température

ont été

_{plus petites}

que C.

Fig. 3. - Schéma de

montage du _poste émetteur de haute _fréquence.

Pour m’assurer _{de la stabilité des conditions} pen-dant les _poses,

_je

faisais sur une

_{plaque toujours}

deux fois le cliché du

_spectre

_{de diffraction pour les} ultrasons de la même

_fréquence.

Ces deux clichés étaient le

_premier

et le dernier de ceux

_qui

ont été

placés

sur la

_plaque.

Alors la stabilité des distances des raies de ces deux

_spectres

relatifs à la même

fréquence indiquait a

fortiori

la stabilité des condi-tions pour les poses faites entre ceux-ci.

Les distances des raies de diffraction ont été mesurées sur les

_{plaques photographiques}

à l’aide

d’un

_comparateur

et les erreurs

_probables

ont été

calculées

_(1).

En

_employant

la méthode

_{décrite j’ai}

fait les clichés

des

_spectres

de _{diffraction pour l’eau pour} les fré-quences et

3.,),

et

_j’ai

trouvé la même valeur

pour la

vitesse,

ce

_qui

est en accord avec les mesures

déjà

faites par les autres auteurs

_{[4, 5].}

3. Résultats des mesures. - Le Tableau II

contient les résultats obtenus. Les clichés des

spectres

de diffraction relatifs aux

_fréquences

_il,

3 v1,

5 vl

ont été _{faits pour}

_{chaque liquide}

sur une

plaque,

les clichés relatifs aux

_fréquences

_v2,

_{3 v2, 5 v2}

sur une autre.

TABLEAU1 II.

La colonne 1 contient les

_fréquences

des ultrasons, ’11 -= 999,800

kc/sec; ’12

~

1998,900 kc/sec.

La colonne 2 contient les

_{températures.}

La colonne 3 contient les distances des raies de diffraction mesurées sur les

_{plaques photographiques;}

les

erreurs _probables sont

_indiquées.

La colonne 4 contient les valeurs absolues de la vitesse. La colonne 5 contient les _rapports V3.

La colonne 6 contient les _rapports v/, : v~.

353

Les résultats montrent, que la stabilité des condi-tions a été sufflsante _pour

_pouvoir

constater la

dispersion

dans le

toluène,

le nitrobenzène et la

glycérine.

Les

_{figures 4}

et 5

_{représentent}

les valeurs de la vitesse relatives aux _{valeurs pour les}

fré-quences

5v1

et

_5v2

_{respectivement}

_{pour le} toluène

et le nitrobenzène. Les courbes résultantes ont été obtenues _par la translation des courbes relatives

aux

_{fréquences v2, 3v2,}

_~~2’

de telle

_façon

_{que les}

valeurs pour la

fréquence ’;2

sont

_placées

_parmi

les

valeurs _{pour V1} et

_3,,,.

J’ai mesuré aussi les valeurs absolues de la vitesse. Elles sont un _{peu différentes pour} les deux séries de

_fréquences.

La

_{plus grande}

différence est

environ o,6 pour oo _{pour le}

_{méthylacétate.}

Pour

le

toluène,

le nitrobenzène et le

_{méthylacétate,}

il

Fig. f~. - Les valeurs de la vitesse dans le toluène pour les fréquences.

a, ’Il, 3 ~D 5 vl relatives à la valeur de la vitesse pour la

fré-quence 5 b, v2, 3 v2, 5 v2 relatives à la valeur de la vitesse

pour la fréquence 5 v2; c, la courbe résultante; v J. est la

vitesse pour la fréquence harmonique k.

s’agit

peut-être

d’une erreur

_{systématique,}

_parce

que entre les deux séries de poses se sont écoulés

quelques

jours.

Pour l’acétone et C C14 il

_s’agit

peut-être

de l’influence de la

_{température.}

Il faut dire que les valeurs absolues de la vitesse sont sans aucune influence sur la forme de la

_dépendance

de

la vitesse avec la

_fréquence,

cette forme étant donnée seulement par les valeurs relatives.

°

Pour l’acétone et le tétrachlorure de

carbone,

M. Rao

_[6]

a

_comparé

la vitesse des ondes ultra-sonores

_(fréquence

_{7. 106 C /sec)}

avec la vitesse des ondes

_hypersonores

_(fréquence

5.109

_c,~sec)

obtenue par une méthode

_optique.

Il trouve que dans C Cl4

la vitesse

_hypersonore

est

_plus

_grande

_que la vitesse

Fig. 5. - Les valeurs de la vitesse dans le nitrobenzène

pour les fréquences.

a, ~il, 3 vl, 5 vl, relatives à la valeur de la vitesse pour la fréquence 5 v,; b, v2, 3 v2, 5 v2, relatives à la valeur de la vitesse pour la fréquence 5 v2; c, la courbe résultante; v~, est la _{vitesse pour la fréquence harmonique} k.

ultrasonore;

c’est l’inverse dans l’acétone. Pour la même

_température

_23°,0 C la vitesse des ultra-sons dans C Cl4 a été mesurée _{par M.}

_{Parthasarathy}

_[7]

_]

qui

trouve _{pour la}

_{fréquence 7.106 c jsec}

la

valeur

_{g285 m/sec.}

et M. J.

Swanson,

_qui

trouve

pour la

fréquence

197,8

kc /sec

la valeur 912

m jsec.

MM. J.

Claes,

J. Errera et H. Sack

_[9]

ont mesuré

l’absorption

des ondes ultrasonores dans le

méthyl-acétate et ils ont trouvé un maximum _{pour la}

fréquence

3 , r os

_cjsec.

Pour les

_fréquences

de

1 . 106 C /sec

à

_c/sec

aucune

_dispersion

incon-testable _{n’a pu être mise} en évidence dans ces trois

liquides

par nos mesures.

nitrobenzène la vitesse des ultrasons diminue

_quand

la

_fréquence

_augmente.

La

_dispersion

dans la

glycérine

est de sens contraire à celle

_qui

serait due

aux seules actions de viscosité

_[10].

Pendant les

expériences

la

_glycérine

a été

_protégée

contre

l’humidité par une couche d’huile de

_paraffine.

Il

_n’y

a _{pas d’autres}

_expériences

avec la

_glycérine;

pour le nitrobenzène on a seulement des mesures

pour les

températures

assez différentes. La vitesse

des ultrasons dans le toluène a été mesurée _pour

la

_température

_250,o

_{C par M.} J. Swanson

_{[8], qui}

trouve la valeur I 311

mlsec

relative à la

fré-quence I’~2,0

ke/sec,

et par MM. Bachem et Hiede-mann

_{[ i 1 1, qui}

trouvent la valeur _{r 3 03, 3 5}

_{m /sec}

relative à la

_fréquence

_{5 197}

_kcjsec.

MM.

Hiede-mann, Seifen et Scheurer

_[4]

ont mesuré la vitesse relative aux

_{fréquences 4}

800

_kc/sec

et 8

₄₀₀

_kc/sec

et ils ont trouvé une

_augmentation

de la vitesse

de i

m/sec

quand

la

fréquence

_augmente.

Au

contraire M. A. Dutta

_[5]

trouve la vitesse

cons-tante _pour les

_fréquences

r . 106

_clsec

et 3 .107

c/sec.

Comme il

_paraît

nécessaire de

_reprendre

les mesures des vitesses des ultrasons dans les

_liquides

_pour

pouvoir

mieux connaître la

_dispersion

et son

carac-tère,

l’auteur continuera les

_expériences

_{par la}

méthode décrite ci-dessus.

Ce travail a été effectué au laboratoire de M. R.

Lucas à

l’École

_municipale

de

_Physique

et Chimie industrielles de Paris. Je suis heureux de remercier

1B1. R. Lucas de la bienveillance avec

_laquelle

il

m’a

_dirigé

dans son laboratoire. Je le

_{prie d’accepter}

l’expression

de ma vive

_gratitude.

Je remercie aussi

M. J. Luc de l’aide amicale

_qu’il

a fournie lors de

ces recherches.

Manuscrit reçu le I er avril _1939.

BIBLIOGRAPHIE.

[1] L. ZACHOVAL, C. R. Acad. _Sc., 1939, 208, p. 265.

[2] R. LUCAS et P. BIQUARD, C. R. Acad. _{Sc., 1932, 194,}

P. 2132.

[3] P. DEBYE et F. W. SEARS, Proc. Nat. Acad. Sc., 1932, 18, p. 409.

[4] HIEDEMANN, SEIFEN et SCHEURER, Naturwiss., 1936,

24, p. 681.

[5] A. K. DUTTA, Physik. Zeit., 1938, 39, p. 186.

[6] B. V. RAGHAVENDRA RAO, Nature, 1937, 139, p. 885.

[7] S. PARTHASARATHY, Proc. Ind. Acad. _{Sc., 1935, 2, p. 497.}

[8] J. CHESTER _SWANSON, J. Chem. _{Phys., 1934, 2,} p. 689.

[9] J. CLAES, J. ERRERA et H. SACK, Trans. Faraday Soc.,

1937, 33, p. 136.

[10] R. _LUCAS, C. R. Acad. _{Sc., 1938, 206, p. 658.}