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Submitted on 1 Jan 1924
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Entretien des vibrations d’une anche libre
Z. Carrière
To cite this version:
Z. Carrière. Entretien des vibrations d’une anche libre. J. Phys. Radium, 1924, 5 (11), pp.338-344.
�10.1051/jphysrad:01924005011033800�. �jpa-00205166�
ENTRETIEN DES VIBRATIONS D’UNE ANCHE LIBRE Par M. Z. CARRIÈRE,
professeur à l’Institut Catholique de Toulouse.
Sommaire. 2014 Problème à résoudre.
2014D’où vient l’énergie qui entretient les vibrations d’une anche libre ? De la boîte à vent
oudu résonateur ?
Méthode de solution.
2014Au moyen d’une « sonde acoustique », tracer les diagrammes élon- gations de l’anche-pressions pour deux points voisins de l’anche situés l’un dans la boîte à vent l’autre dans le résonateur. L’aire des diagrammes
mesurele travail des forces de
pression
en cespoints. On fait la
sommealgébrique des aires
oudes énergies.
Dispositif expérimental.
2014Le résonateur est
untuyau de longueur variable. Réglage
délicat assurant la correspondance des elongations et des pressions pour chaque point du diagramme.
Resultats.
2014La boîte à vent (non accordée), au lieu de fournir de l’énergie à l’anche, lui
en
emprunte. L’énergie est fournie par le résonateur seul ; elle est maximum pour la lon- gueur optimun (résonateur accordé). Le mouvement de l’anche ouvrant le résonateur est alors
enretard
surla pression d’un huitième de période environ.
Maxima, minima et phases variables
avecla longueur du résonateur.
1.
-La source d’énergie qui entretient les vibrations d’une anche est le réservoir d’air
comprimé. Comment se produit cet entretien’~ Entre le réservoir et l’atmosphère, quelles
sont les variations locales de la pression;? Quelles sont surtout ces variations au voisinage
de Fanche? en particulier, sur l’une et l’autre de ses faces ’? Potentielle et constante dans le
yéservoir, l’énergie devient hors de ce volume alternativement et périodiquement, dans le temps et dans l’espace, cinétique puis potentielle.
En tous les points du trajet que parcourt l’air comprimé, il a dissipation d’une partie
de l’énergie transportée. (Je ne m’occupe pas ici de celle qu’emporte l’air mis en ébranle- ment). Mais t anche est un oscillateur absorbant, par période, une certaine quan- tité d’énergie. Gomment l’énergie absorbée lui est-elle restituée? des deux Jniliell.r
qui lui sont contigus l’énergie nécessaiJ’e garder une cons-
Tel est le problème que j’ai l’ambition de
J’y applique la méthode déjà présentée aux lecteurs du Journal [t. 4 (1923),
p. et qui consiste à tracer, au moyen d’une
«sonde acoustique », les cycles ou dia-
grammes élongations-pressions relatifs à l’une et à l’autre face de l’anche (fig. 1). Une de
ces faces limite le résonateur dont l’état vibratoire est assez bien connu, sauf précisément au
,
voisinage de l’anche, sauf également omission totale de la comparaison des phases.
’
La deuxième face est en contact avec la boîte à vent. On sait que la pression y subit des
pulsations de même fréquence que celles du résonateur ; mais les minima y sont générale-
ment fort loin d’être nuls. Les flammes vibrantes fonctionnent sur la boite à vent de façon
très satisfaisante. Bien plus, on peut prendre dans la boîte à vent l’air alimentant une tur-
(1).
(1) Mesurer
avec uneturbine phonique la fréquence d’un tuy.au à anche n’est donc pas aussi difficile que
je l’ai insinué
en1921 de l’hysique, 1. 2 (19?ll, p. Pour le réaliser,
commej’ai fait dans l’appareil que je présente aujourd’hui, il suffit d’ouvrir dans la hoite à vent
oudans le pied du tuyau deux orifices dont l’un sert pour la flamme vibrante, l’autre pour la prise d’air alimentant turbine Au besoin.
on
règle la soufflerie pour
unepression plus élevée.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01924005011033800
339 Il y a donc lieu de parler du diagramme élongations-pressions même dans la boite à vent (voir fig. 2 ci-après).
Les diagrammes relatifs à deux points voisins des deux faces de l’anche fourniront la
réponse à la question posée. L’aire qu’ils embrassent mesure l’énergie luise en jeu, dont le signe est déterminé sans ambiguïté par le sens du parcours.
2.
-La boîte à vent que j’utilise est une caisse rectangulaire de 82 X 35 X 3 î cm3, en
bois de 25 mm d’épaisseur, boulonnée sur une lourde table (fig. 1). ACBD en est une coupe verticales passant par XX’ ; PQRS, une coupe horizontale passant par ZZ’. Dans la face AC,
’
Fig.t.
..PR (35 X 82 cm’) esL percée une ouverture circulaire de 8 cm de diamètre, dont le centre est ail cm de AB et à 12 cin de RS, dans laquelle est assujetti à frottement dur un tuyau de
section circulaire formant résonateur horizontal de longueur variable (à gauche dans la figure). Les tuyaux au moyen desquels on réalise la longueur voulue sont en zinc (épaisseur
1 mm) soudés par rapprochement sans recouvrement; ils s’assemblent par l’iiilermédiaire de manchons qui assurent la permanence du diamètre intérieur (78 mm), quelle que soit la
longueur utilisée.
340
Le résonateur pénètre de 47 mm dans la boîte à vent. A cette extrémité, se trouve
l’anclle constituée par lame L et le bouchon plat F. La lame d’acier (180 X 6i x 3 mm3) a
sa grande dimension horizontale et son plan vertical; elle est encastrée dans une lourde
masse de fer G (30 kg) qui est elle-même solidement ancrée dans le plancher de la caisse.
En 0, par une conduite de 75 mm de diamètre, arrive l’air propulsé par un ventilateur de
forge débitant 6 m3 par minute. Le réglage de la pression se fait en ouvrant des orifices pré- parés à l’avance le long de la conduite. Il n’y a pas de réservoir autre que la boite à vent.
Les trous d’insertion de la sonde sont en Il et en I. Le centre de H est à 40 rnm de la face RS, à 35 mm du plafond de la caisse. 1 est à 87 mm de l’extrémité du tuyau obturée
par l’anche. Cette distance ne paraîtra pas exagérée quand on saura que les longueurs du tuyau utilisées dépassent 5 mètres. Elle permet d’utiliser la sonde dans une section où toutes les vitesses sont sensiblement parallèles aux génératrices. Il y aurait inconvénient à mettre la sonde près de F, même.si le plan de son orifice explorateur pouvait être parallèle aux génératrices et passer par l’axe du tuyau. La sonde donnerait alors la pression dite stcctique.
Devant mesurer l’énergie transmise à l’anche par l’air du tuyau, je dois faire état également
de la pression dite dynalllique,. les masses d’air dont la vitesse est annulée ou modifiée par F transmettent à cet obstacle une impulsion dont le travail doit être mesuré.
De là la forme spéciale donnée à l’extrémité de la sonde et que la petite figure en bas et
à gauche représente avec quelques détails dans une position parallèle au tuyau.
Pour les mesures en 1, l’orifice est amené sur l’axe du tuyau, tourné vers l’extrémité libre. La lame de sonde vibre alors normalement au plan du tableau; le volet qui la termine
est vu par la tranche; d est un index qui, pour le réglage initial, sera éclairé et observé à travers la glace ; h est le tube de Pitot.
En H, les vitesses de l’air étant négligeables, l’orientation de l’orifice est indifférente pourvu que, ainsi qu’il sera spécifié plus loin, son plan soit vertical comme en I.
3.
-Les cycles à tracer ont comme abscisses les élongations de l’anchc. Je les mesure au
moyen du système optique représenté. N est un grain d’argent poli éclairé par la source T dont l’image à travers l’objectif i est repérée dans le plan V par un réticule monté sur cha- riot à vis micrométrique. L’oculaire c vise le plan V’ qui contient également un disque stro-
°
boscopique à fentes radiales mu par la turbine phonique Y, tournant au synchronisme. La trajectoire de l’image de est une droite horizontale passant par l’axe du rotor. En calant convenablement le disque par rapport à la turbine, on voit l’image de N fixe en un des points de cette trajectoire. Arrangeons-nous pour la voir à sa position moyenne et bloquons
le calage réalisé.
L’axe de la turbine porte encore un rupteur de courant a qui, par l’intermédiaire de l’électro-aimant M. fait vibrer la lame de sonde à la même fréquence que l’anche. Il faut trouver à ce rupteur et v son balai un calage tel que, à tinstant oit ranche passe par sa posi-
tion uloyenne, de sonde soit et, par le tLlbe de Pitot K, arrive au manomètre l’impulsion correspondante.
Nous avons à tracer une,courhe F (x, y)
~0 au moyen de deux données z = f1 (t) et
y (t). Le problème n’est soluble que si nous connaissons la correspondance des valeurs respectives de .x et de y. Dans le cas présent, il suffit d’-établir la correspondance pour deux valeurs particulières définies par le même paramètre t.
Yoici comment je l’établis.
,
La sonde est placée en b (en pointillé sur la figure ; elle est au-dessus du plan repré- senté). Son index d, convenablement éclairé, fait son image en V gràce aux deux glaces ni et
xa
qui ne sont pas dans le plan de la figure et dont je dois définir le rôle.
niest parallèle à
l’horizontale RS, son plan fait un angle de 45 degrés avec l’horizontale PR ; elle est traversée
sous l’incidence de 45 degrés par le faisceau issu de N qui tombe sur l’objectif i; semi- argentée, elle diminue sensiblement l’intensité émise par N.
n est parallèle à l’horizontale PR; son plan fait un angle de 45 degrés avec l’horizon-
tale RS; elle est au-dessus c’e
lnet ali-desslls dit faisceau condensé l’objectif i qui ne la
touche donc pas; argentée à fond, elle réfléchit la lumière de l’index d vers le bas où elle
sera réfléchie à nouveau par la glace rn vers l’objectif i et l’oculaire c.
341 L’observateur voit donc simultanén1ent les images des deux index N et d. Leurs trajec-
toires sont horizontales (en réalité confondues), malgré que l’oscillation de d en b soit verti- cale. Des deux réflexions effectuées dans deux plans rectangulaires, sur
iipuis sur résulte
une rotation de 90 degrés pour l’image de la trajectoire de d.
La turbine Y tournant au synchronisme, on voit N et d en des points de leurs trajec-
toires qui dépendent des phases respectives de leurs mcuvements. Par hypothèse, en vertu
du réglage, N est vu à sa position moyenne. Sans changer cet aspect, on déplace l’image de d
en tournant, au moyen du bouton 1, la fourche e f qui est mobile à frottement dur autour de l’axe 9 et qui porte le balai du rupteur a. Un rapporteur (non représenté) repère les
azimuts de ce système. On note l’azimut pour lequel l’image de d est au maximum d’élonga-
tion du côté qui correspond à l’ouverture de l’orifice de sonde. C’est le zéio de l’appareil. Au
moment où le tube de Pitot de la sonde est découvert, l’anche passe par sa position
moyenne et le manomètre indique la dénivellation correspondant à une élongation nulle.
Soit 12 l’ordre de symétrie du rotor. A partir du zéro obtenu, les mêmes phénomènes et
apparences se reproduisent pour toutes les rotations multiples de 30 degrés. Faisons croître le calage du balai sur le rupteur a d’un degré seulement en tournant le bouton 1 dans le sens du mouvement réel. de l’axe. Cela revient à retarder les ruptures et établissements de cou-
rant d’un trentième de période ; les indications du manomètre correspondent maintenant à
une élongation de l’anche définie"par le parcours correspondant à cet intervalle de temps et qui est proportionnel à sin 12° (le zéro correspond à la position moyenne;.
Opérons de même successivement pour les 30 degrés que comprend la période. Nous
obtenons les indications manométriques correspondant aux élongations définies par les sinus des angles ~~°, ~~°, 36°,
...360’.
Ce n’est pas tout. Il reste à connaître le sens de parcours de la courbe obtenue; si l’on veut, à marquer sur l’axe des abscisses le côté qui correspond à)’élongation de l’anche pour
laquelle le résonateur est ouvert (ou fermé).
’
On détermine pour cela, en même temps que le zéro de l’appareil, le sens dans lequel ,V
passe par sa position moyenne. On y arrive aisément en considérant les oscillations de calage
de la turbine synchronisée et les oscillations qui en résultent pour l’image de N sur sa trajectoire autour de sa position actuelle moyenne. Il y a, en effet, deux sortes d’oscillations
"pour cette image : l’une de fréquence et d’amplitude imposées par la lame L, visible seule- ment quand la turbine est arrêtée dans un azimut t convenable ; l’autre, visible à le
disque s ynchroitisé, d’aniplitude notablentent plus petite et de Iériotte notable7nent plus longue, conditionnées par l’inertie du rotor, la forme et le nombre des aubes, la force du vent, etc...
La turbine synchronisée ne tourne pas uniformément ; sa vitesse passe périodique-
ment par des maxima et des minima qui produisent les déplacements mentionnés de l’image
de N. Quand l’oscillation de calage apparente, sous éclairage intermittent, se fait en sens
inverse du mouvement réel, la vitesse est moindre, le phénomène qu’on devrait voir aux
,instants 11,21B 3 T... (l’étant la période) est vu aux instants 7’ + r, 2 7’ + T’, 3 ~’ -~- ~...
ï
1:’ 1:", c’est-à-dire aux instants croissants 1:, -:". Le sens dans lequel est vue se déplacer l’image de N est donc le sens du déplacement réel.
Les oscillations de calage sont aisément observables de loin sous un éclairage intermit-
tent convenable; elles le sont difficilement t pour l’opérateur qui, suivant la figure 1, a
derrière l’oculaire c. La difficulté peut être levée au moyen d’un miroir auxiliaire. Le dispo-
sitif suivant est plus pratique et simultanément procure un fonctionnement meilleur de
l’appareil.
Doublons l’ajutage Iz qui amène sur la turbine le vent de la boîte, d’un ajutage auxi-
liaire r communiquant avec la bouche par un caoutchouc. Soufflons périodiquement de
1nanière à alnorlir les oscillations de calage, c’est-à dire à annuler l’amplitude des oscilla- tions de l’image de N. Le régime est amélioré : la vitesse devient presque rigoureusement
constante. Pour que le but soit atteint, il faut quand la turbine retarde. A ce
Y
moment, l’image de N est, par rapport à sa position moyenne, du côté où l’amènerait le
déplacement réel de l’anche ; la vitesse de l’image dont on amortït les oscillations en souf-
flaiit est en sens inverse de la vitesse réelle de X (en sens inverse à cause de l’objectif i).
Les indications du manomètre sont à convertir en mesures de pressions, après étalon-
nage de la sonde dans des réservoirs où règnent des pressions connues. L’étalonnage ne vaut
que pour une fréquence et, généralement, est renouvelé après chaque tracé d’un diagramme,
sa constance étant un contrôle précieux du bon fonctionnement de l’appareil.
En I, lI et b, la sonde doit être fixée à des supports rigoureusement isolés des masses
solides en vibration. En 1 et H, l’étanchéité est assurée, salis contact rigide, au moyen d’un
tube de caoutchouc souple ligaturé à ses extrémités comme le montre la figure.
Toute vibration sensible de la sonde rend illusoire la détermination du zéro effectuée et donc enlève tou te valeur au diagramme tracé.
Egalement en I et en H, la sonde doit garder, par rapport à la verticale, la position qu’elle avait en b pour la prise du zéro : génératrices horizontales, plan de l’orifice de
sonde vertical.
4.
-La figure 2 représente, dans trois bandes verticales distinctes, les cycles ou diagrammes obtenus pour trois longueurs de tuyau différentes : 6,57 m, 5,74 ni et 5,22 m.
Les fréquences correspondantes sont 34,~, 3~,~ et a3~,~.
Dans le haut, pour les trois longueurs, en traits continus sont tracés les cycles relatifs.
à la boîte à vent (sonde en H). La pression moyenne de ces cycles est uniformément 90 mm
d’eau. C’est la pression indiquée par un, manomètre à eau ordinaire monté sur la caisse.
Dans le bas, pour les trois longueurs, en traits continus, sont tracés les cycles relatifs à la portion du tuyau voisine de l’anche (sonde en I). La pression moyenne y est variable, mais
la pression minimum y est très voisine de zéro. Pour la longueur 5,74 m, que j’appellerai longueur optimum ou longueur ri’ accord, le minimum est cerlaiiiemenl négatif bien que peu inférieur à zéro. Cela veut dire que, pour cette longueur, au voisinage de l’anche, dans le.
tuyau, la pression devient un moment inférieure à la pression atmosphérique.
Dans le milieu, pour les trois longueurs, en traits discontinus, sont tracés les cycles.
obtenus en retranchant des ordonnées du cycle supérieur les ordonnées du cycle inférieur,
ordonnées prises sur les branches ayant même sens de parcours. Le cycle en traits discon- tinus a donc un sens qui dépend des sens des cycles en traits continus et de la grandeur do
leurs aires.
Conformément au schéma mis au bas de la figure, le tuyau est ouvert (tiiand ranche est
à gauche, feerné quand l’anche est à drcite de sa position moyenne.
Les abscisses sont divisées eu millimètres dont le noinbre compris dans chaque bande
verticales mesure l’amplitude correspondante. L’amplitude csL 1 maxiinurn pour l’accord. La
représentation a l’avantage de mettre en évidence ce maximum et, de plus, de rendre com- parables et numériquement calculables en kilogrammètres les aires de tous les cycles. Les
volumes balayés par l’anche sont, en effet, proportionnels aux amplitudes.
La figure 2 montre que :
1
a) Tous les cycles relatifs à la boîte indiquent une énergie fournie à l’anche négative :
loin c~e de l’énerg’ie à la boite lui en L’anche ne peut donc
sans intervention du résonateur. Il n’est sans doute pas légitime de conclure que l’anche ne
peut vibreur sans les cycles sont tracés pour une longueur déterminée et ne-
valent que pour cette longueur. Cependant, il est satisfaisant de savoir qu’effectivcment,
l’anche ne vibre pas pour des longueurs de tuyau inférieures à 50 centimètres. Un sait
depuis Weber que les sons entretenus par une anche sont fonction périodique de la longueur du tuyau servant de résonateur. Dans mon dispositif, les longueurs susceptible*
d’entretenir le son étaient comprises entre 0,50m et 2m; 5 m et î n~; 11 m et 13 m; etc...
Bien que le son soit plus intense pour les petites longueurs, j’ai évité celles comprises entre.
0,50 m est 2 mètres pour que les indications de la sonde en 1 soient sensiblement égales aux
indications relatives il l’extrémité voisine.
J’avais déjà indiqué de Physique, t. 4 (1923), p. I’~~ un signe négatif pour
l’énergie d’un cycle tracé dans un cas analogue au cas présent.
Pour le tuyau de 6,57 m, les variations de pression dans la boîte sont faibles; le fonc-
343 tionnement de la turbine est alors un peu précaire; toutefois, les lectures étant toujours
faites après des oscillations de ca la,fle, donc à un régitue bien défini et uni- forme, le tracé ne comporte aucune incertitude.
L’énergie négative est maximum pour l’accord.
,Fig. -:
..
b) Tous les cycles relatifs au tuyau indiquent une énergie positive. Il est vrai que le
sens de parcours est le même pour les cycles en trait continu, mais les forces qui résultent
des pressions mesurées agissent sur des faces opposées de l’anche et sont de signes con-
traires.
L’aire est encore.maximum pour raccord.
Le maximum de pression pour l’accord est inférieur au maximum de pression pour
H,B7 m et supérieur au maximum pour 5,22 m.
La pression est toujours voisine de zéro lorsque l’anche obture le tuyau au maximum.
c) Les cycles résultants indiquent une énergie positive. La résultante des pressions sur
les deux faces de l’anche produit un travail positif : d’ou l’entretien des vibrations.
L’énergie d’entretien est maximum pour l’accord ; en fonction de la longueur, l’aire positive du cycle relatif an tuyau croît plus vite que l’aire négative correspondante relative
à la boîte.
344
La boite n’est pas accordée (elle a été fabriquée pour des usages étrangers aux recherches physiques).
Il est naturel de prévoir qu’un choix convenable des dimensions de la boîte réduirait les aires négatives et peut-être changerait leur signe, augmentant par là notablement le
c,hamp des longueurs du tuyau compatibles avec les vibrations de l’anche.
d) Les phases relatives des divers mouvements et variations peuvent se déduire de la
figure 2 où on supposera aux cycles une forme elliptique.
°Dans la boîte, entre les longueurs extrêmes envisagées, le déphasage atteint presque
mie demi-période. Pour H,57 m, la pression est maximum quand l’anche ouvre au maximum
le tuyau (dans lequel la pression antagoniste est aussi maximum). Pour 5,22 m, c’est à peu
près pour l’ouverture maximum du tuyau que la pression est minimum dans la boîte.
Dans le tuyau, le déphasage ne ,dépasse pas un quart de période. Pour la plus grande longueur, 6,57 m, il y a presque synchronisme entre l’anche qui ouvre et la pression qui
’
croît. Pour la plus petite longueur, Õ, 22 m, le maximum de pression a lieu à peu près quand
l’anche passe par sa position moyenne dans le sens ouverture.
L’accord correspondrait à un retard de la pression sur l’élongation (côté ouverture)
voisin d’un huitième de période.
D’après les données de la figure 2 et pour une section d’anche égale à -fi8 cm’, l’énergie
absorbée par période pour la longueur d’accord 5,74 m, vaut à peu près 80 grammes- centimètres.
La puissance absorbée par cet oscillateur est de 280 g-cm ypar seconde. Il s’agit de l’énergie absorbée par t’anche, l’énergie absorbée par l’air et les supports en vibration étant intentionnellement exclue des mesures.
,