Sondes acoustiques

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Submitted on 1 Jan 1923

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Sondes acoustiques

Z. Carrière

To cite this version:

Z. Carrière. Sondes acoustiques. J. Phys. Radium, 1923, 4 (11), pp.413-419. �10.1051/jphys-

rad:01923004011041300�. �jpa-00205112�

SONDES ACOUSTIQUES

par ^M. Z. CARRIÈRE

Institut catholique de ^Toulouse

1. J’appelle ^sondes acoustiqztes ^des appareils donnant ^en chaque ;point

d’un espace ^où l’air est en mouvement périodique rapide ^la pression ^{et la}

vitesse instantanées de cet air. Leur fonctionnement suppose préalablement

connue la droite invariable suivant laquelle ^{se fait, en} chaque point, ^le déplacement ^{de l’air. Les} changements ^de [direction ^admis

pour la vitesse se réduisent à des changements ^de signe

Voici un appareil ^très simple pour faire ^cette détermination

préalable.

Une feuille d’aluminium cdef (fig. ^{f , en} bas) ^collée

.

sur un morceau de clinquant ^{abcd est fixée à une monture}

ab. En la taillant convenablement on lui donne une fré- quence propre de vibration égale ^{à la} fréquence ^{du mouve-}

ment périodique ^{à étudier} (pour ^du papier d’aluminium de trois centièmes de millimètre, ^{et une} fréquence ^{230, la feuille}

doit avoir environ 10 X 4 mm’). ^{On la} porte ^{dans la cavité à} explorer ^{où on l’oriente de telle sorte} qu’elle ^{vibre avec} l’amplitude maximum. Elle est alors, ^en moyenne, normale à la vitesse de l’air.

Dans le tuyau vertical de la figure 1 ^{et à tous} les niveaux

l’amplitude est maximum quand la feuille est horizontale, nulle quand la feuille est verticale ; pour la position ^hori-

’

zontale et des niveaux différents (la figure représente ^la

feuille à six de ces niveaux), l’amplitude ^{est maximum aux}

ventres, nulle ^{aux n0153uds.}

Dans l’enseignement élémentaire. cette expérience ^rem- place avantageusement ^le classique ^tambourin chargé ^de

sable. La feuille est fixée normalement à l’extrémité d’une

règle qu’on ^enfonce progressivement ^{dans un} tuyau à paroi ^{de verre. On}

obtient successivement les apparences représentées ^{sur la} figure ^{en f, 2... 6.}

On détermine les noeuds avec précision ^{en visant le bord de la feuille}

’

avec un microscope. ^{Pour un} petit ^{écart à} partir d’un noeud l’image ^{de ce}

bord augmente sensiblement d’épaisseur.

Avec des feuilles d’aluminium accordées aux noeuds et un microscope

d’observation, l’appareil ^de Kundt devient un mesureur très sensible.

Dans le tuyau ^{à 230} vibrations, l’amplitude ^{au ventre} supérieur ^atteint

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01923004011041300

414

3 à 4 millimètres si la feuille est bien accordée. Ce ii’est pas l’amplitude ^du déplacement ^{de l’air en ce} point. Le mouvement de la feuille est entretenu par l’air (résonance). ^{Au moins} pour ^une partie ^{de la feuille et} pendant

une partie ^{de la} période, ^{il est donc en retard sur} le mouvement de l’air.

Je ne demande présentement, ^{à cet} appareil ^très simple (~) que la direc- tion (en ^valeur absolue) de la vitesse dont il faut, par hypothése, ^déter-

miner la grandeur instantanée.

tli la vitesse ^ne change pas de signe mais, suivant une droite inva- riable. varie d’un maximum il un minimum sans jamais s’annuler, il suffit d’une girouette pour déterminer sa direction constante.

°

2. Sonde.

I)ans ce journal (janv ier ^1923, j’ai ^{mesuré des} pressions instantanées d’une boite it anche par la méthode suivante :

Ue la boîte, par ^un petit ^orifice (0. fig. 2) ^{en mince} paroi, ^{sort un} jet

d’air _{reçu il} petite ^{distance sur un tube de Pitot} convenablement disposé (non représenté ^{dans la} figure 2). ^{Une lame} obturatrice percée ^{de fentes} équidistantes. uniformément déplacée ^{dans son} plan ^{entre l’orifice de la}

boîte et rextré111ité du Pitot arrête le jet ^d’air pour le laisser passer A" fois par seconde (.1Y ---_ fréquence ^de l’anche).

L’action du jet ^sur le Pitot brève, discontinue, renouvelée .L,y fois par seconde, impose ^{au manomètre une} dénivellation qui ^{croit d’abord} puis ^se

fixe à une valeur limite. Cette limite caractérise la ditférenre ^(le phase ^entre

le mouvement de l’air dans la boîte et le passage périodique ^{des fentes.}

Changeant ^cette différence, j’obtiens ^la pression à ^{un moment} quelconque

de la période : ^{d’on le} diagramme ^des pressions.

.

Dans le mémoire que je ^{résume, la} lame obturatrice était un disque stroboscopique (D, 1), fig. 2) ^mu par turbine phonique (SS’). Quelque ^ré-

duits que soient le disque ^et la turbine, ils ne peuvent remplir ^aisément

leur rôle pour ^tous les points ^{de la} paroi de la boîte à anche ; ^{ils le} peuvent

encore moins pour les divers résonateurs employés ^comme instruments de musique ; enfin. ils ne le peuvent aucunement s’il s’agit d’explorer

l’intérieur d’un espace fermé.

Il s’agit ^{en effet,} aujourd’hui, d’explorer ^{une cavité en son} entier;

volume intérieur et surface limite. Bien plus, ^il s’agit ^{d’obtenir en même} temps que les pression,;’, ^les instantanées.

Le problème ^{est résolu en} substituant au disque stroboscopique ^une

lame vibrante H excitée comme suit :

(1) ^Il peut ^{servir encore} à couper ^un courant électrique envoyé ^{dans un électro} qui ^en-

tretient le mouvement synchrone ^d’une

phonique. J’ai réalisé cet entretien avec un

tuyau ^de fréquence ^230.

Pour le fonctionnement des sondes acoustiques, je ^conserve la turbine

phonique ^{comme rotor à mouvement uniforme de} fréquence sous-multiple

de A. Son emplacement ^est arbitraire (’). ^{Sur son axe,} je ^{cale un} rupteur ^If ayant ^{autant de touches} conductrices _que la turbine a de dièdres. Par le balai B et le rupteur, j’envoie ^{un courant} dans l’électro aimant G qui ^entre-

tient il la fréquence ^.1’les vibrations de la lame H convenablement accordée.

Fig. 2.

’

Pendant la plus grande partie ^{de son} oscillation, l’extrémité L de la lame couvre l’orifice du Pitot K (en L2, fig. ^{2, à} gauche ^{et en} haut), ^{elle le}

découvre un instant quand elle atteint son élongation ^{maxima vers le haut} (en L’2 ^à gauche). ^{L’action est} renouvelée à chaque période; la dénivella- tion limite qui ^{en résulte} caractérise la différence de phase ^{entre le mou-}

vement vibratoire de l’air et celui de la lame L.

’

Le tracé d’un diagramme exige que ^les dénivellations du Pitot soient

portées ^en ordonnées, les abscisses i- définissant la position du vibrateur

principal ^{dont le} mouvement est la cause (ou l’effet) ^des ;ariations de

pression. Il faut donc établir la correspondance, ci ^{un instant} des coordonnées hl, xi qui définissent un point ^du diagramme.

(t) ^{Annales de} Pfiysique (1922), p. t52-t60.

416

A cet effet, je ^{maintiens sur} la turbine le disque stroboscopique DD, qui permet ^{de voir dans} l’oculaire V et de repérer par rapport à ^{une échelle} micrométrique placée ^{en P} l’image ^de l’index I (vibrateur principal) à

1«’instant où une fente passe dans le plan ^{1 UPV.}

Un petit ^{trou dans} un morceau de clinquant ^{soudé à la lame H}

fortement éclair6, ^{fait son} image ^en P à travers le système optique repré-

senté en bas de la figure ² (Ci ^{est un miroir, Q une} glace ^sans tain).

Je vois donc sinitillaîtémeîtt le plan ^{P l’index 1 et la lame H. Je}

décale le disque par rapport ^au rupteur jusqu’à ^ce que l’image ^{du trou M}

soit vue à son maximum d’élongation ^{du côté} qui correspond ^{au Pitot dé-}

couvert (l’image paraît alors immobile et à bords nets). ^Je fixe d’une ma-

nière invariable le disque ^{et le} rupteur ^{sur l’axe de} la turbine. Pendant toute l’expérience l’instant de visée sera l’instant d’action de l’air sur le Pitot. Pour uri ^vibrateur principal dont le mouvement n’est pas sinusoïdal

je mesur chacune des coordonnées du diagramme : ^{h au} Pitot, ^{x au micro-}

mètre placé ^{en P.} Pour passer d’un point ^{au suivant, sans toucher ait} disque

e0u ^{rupteur, je décale la roue} des dièdres SS’ d’une fraction de leur

équidistance. ^{Ce décalage} n’a pas besoin d’être mesuré : il n’intervient pas

~ dans la mesure de .1’; mais il faut, _pour l’exécuter, ^arrêter la turbine.

On peut ^éviter cet arrêt et simultanément rendre continu le tracé du

diagramme quand le mouvement du vibrateur principal ^est sinusoïdal. Il est indifférent, ^en effet, de décaler la roue des dièdres ou le rupteur ^de

courant. Ce dernier se décale aisément et en rtlarche en tournant le balai B le long ^{de la} glissière circulaire F,, ^Une graduation ^le long ^de Fi permet

de calculer l’x actuel correspondant ^à la dénivellation actuelle h du Pitot.

Le Pitot K, l’électro aimant G et la pièce ^{A dans} laquelle ^{est encas-}

trée la lame Il (fig. 2), rigiden-tent ^{liés eîîsemble forment un tout} que

j’appelle sOJlrlc et que j’emploie à ^{mesurer soit les vitesses,} soit les pres- sions instantanées.

,

3. Sonde pour vitesses.

^{La sonde} nue, telle qu’elle vient d’être décrite, est placée ^dans l’espace ^à explorer, l’ajutage tfrlllinai du Pitot K

dirigé parallèlement ^à la vitesse à mesurer. La fig. ^{2 le montre orienté}

pour ^mesurer la vitesse d’écouleznent de l’air qui ^sort par le tube T et met

en mouvement la turbine. Seules les extrémités de K et de L sont dans le courant, ^ce qui ^{montre la} possibilité d’employer la sonde dans des espades restreints. Quand l’espace ^est suffisant, ^il est plus commode d’en disposer

les éléments comme dans la fig. ³ (où ^on supprimera ^{le tube} enveloppe).

Dans le cas de la fig. ^2, les vitesses à mesurer sont grandes, ^{la section}

d’.écoulement étant petite (20x6 mur) : ^{le manomètre relie au Pitot est}

peu sensible. Pour des cavités un peu larges, les vitesses sont notablement

plus petites, ^{on devra} employer ^{des mesureurs "de} pression plus ^sensibles.

L’appareil doit troubler le moins possible ^le phénomène qu’il ^mesure.

La lame L présentera ^{donc au flux} auquel ^{elle est} normale la surface mi- nimum : sa largeur ^mesurée normalement au plan ^{de vibration sera à} peine supérieure ^{au diamètre du Pitot} (elle ^est exagérée ^en L, ^et L,); ^sa longueur

est imposée par l’amplitude de la vibration.

Dans le cas de la figure ^{2, les vitesses non seulement sont} parallèles

à une droite invariable (génératrice ^{du tube} T), ^{mais encore} gardent, ^dans

cette direction, ^un signe constant ; ^elles varient, ^{au cours d’une} période

d’un maximum à un minimum de même signe. ^En général, il y ^aura chan-

gement ^de signe. ^Les dénivellations du Pitot bien orienté reproduisent ^ce changement, ^{mais les} dépressions ^obtenues lorsque ^{l’air va du Pitot vers}

L sont, toutes choses égales d’ailleurs, plus ^faibles que les pressions ^indi- quées lorsque ^{l’air va de L vers le Pitot.}

Il y ^a avantage ^{à mesurer} les vitesses de la première phase ^{en orien-}

tant le Pitot à 180° de la direction qui ^convient pour la seconde.

Si les vitesses varient, ^{au cours de la} période, ^en grandeur ^{et en} lion, l’appareil ^{est encore} utilisable à condition de l’orienter chaque ^fois

convenablement (direction ^donnant la dénivellation maxima).

La correspondance ^des vitesses linéaires et des indications manomé-

triques ^{ne résulte} pas d’une formule. Le Pitot est correctement placé ^dans

le flux à mesurer, mais ce flux n’est admis _que par intermittences.

11

J’étalonne l’appareil ^{en le faisant} fonctionner dans les conditions

d’usage ^à l’intérieur d’une large canalisation où circule de l’air en régime perrnanent ^connu. J’admets l’identité des vitesses qui, ^{variables ou perma-}

nentes donnent la même dénivellation au Pitot, déco2cvert par intermit- tences suivant la même loi. Si, dans la cavité à explorer, ^la pression

moyenne ^est différente de la pression atmosphérique, ^{on relie à cette}

cavité, par ^un tube à l’abri de toute action dynamique, la seconde branche du manomètre. Les fils de l’électro aimant et le caoutchouc passent ^alors

dans des ouvertures quelconques ^étanches..

4. Sonde pour pressions.

^{La sonde est fixée au fond d’un tube} (fig. 3) qu’on ^{introduit dans la cavité à} explorer par ^une ou;erture conve-

nable ZZ’ qu’il ^obture parfaitement.

Du côté de l’atmosphère (à gauche ^{de XX’ dans la} figure 3}. ^{le tube est}

ouvert. Du côté de la cavité, ^{il est} fermé par ^un fond percé ^d’un petit ^{trou 0}

418

en mince paroi ^{en face et tout} près de l’orifice du Pitot li. La lame L joue

un rôle d’obturateur intermittent _par rapport ^{au flux} qùi ^{s’écoule sans} int()rruption ^{de 0 vers K.} Pendant la presque totalité de la période ^{ce flua.}

dévié par L (mais ^non arrêté) ^est dispersé ^{dans le} large ^{tube où son} apport

ne crée qu’un débit-moyen négligeable (LI, 01 fig. ^{3 à} droite) ; quand ^{Il est}

,

’

’

Flg. 3.

à son élongation ^{maxima vers le haut} (0’~, L’1), ^le jet agit ^{librement sur le}

Pitot qui reçoit ^alors l’impulsion caractéristique.

Je pose que ^cette impulsion ^{mesure la} pression actuelle h de la cavité

au point ^0. J’admets ainsi que la ^formule donnant la vitesse d’écoulement 1" d’uu gaz à ^{travers un orifice en} mince paroi ^{vaut pour le} régime per- manent et pour ^un régime variable. En particulier, ^{f7 ne} dépend pas de la position de la lame L qui, ^{au cours d’une} oscillation, modifie la direction des mais non pas la grandeur numérique de la vitesse.

L’action du jet ^{sur le} Pitot n’est pas calculable par ^une formule. ^Il faut étalolluer l’appareil, ^{dans les} conditions ïîêîïtes de fessai, dans une

cavité où l’on établit une pression permanente ^{connue. On} élimine ainsi les incertitudes dues à la dispersion ^du jet ^{au delà de} la section contractée et à

son admission intermittente.

L’orifice O est assez petit pour ^ne pas modifier sensiblement la pression

ait point ⁰ qu’il s’agit ^{de mesurer;} la section de K est assez petite pour être entièrement couverte par ^le jet (de ^{l’ordre du} mm9). ^{Le tube enve-} loppe ^{ZZO est} également de diamètre aussi petit que possible par rapport

aux dimensions de la cavité à explorer. ^Il faut, ^de plus ^{orienter sa section}

terminale quasi ^{fermée de sorte} que la vitesse de l’air en 0 lui soit parallèle.

On évite ainsi les corrections relatives à la pression ^dite dynamique.

En général, les ^{excès de} pression ^de la cavité _par rapport ^{à l’atmos-}

phère ^sont positifs ^{pour une} partie ^{de la} période (qui ^{est celle} envisagée

jusqu’ici), négatifs pour la deuxième partie. ^{Dans ce second cas. les déni-}

vellations du Pitot sont négative. ; ^{elles sont} d’ailleurs faibles, ^toutes choses égales d’ailleurs, parce que, ^à l’instant oit to/’ificede ^l’est

dans son plan, l’afflux d’air vers 0 est de section et convergent.

Pour rendre à l’appareil ^sa sensibilité, ^on rend positifs ^{tous les excès de} pression ^{en fermant à} gauche ^{le tube} enveloppe ^et le mettant en communi-

cation, ainsi que la seconde branche du manomètre, ^{avec un} réservoir à air raréfié.

5. Applications industrielles. Diagramme. - ^Les courbes tracées sont des diagï-ammes plus ^exacts que ^ceux qu’on ^{obtient avec} l’indicateur de Watt.

Le manomètre de cet indicateur a une inertie non négligeable. ^Dans

les sondes acoustiques ^{l’inertie est} incomparablement plus petite. ^L’inertie

du manomètre relié au Pitot n’est pas ^{en cause ;} elle doit être assez

pour que les impulsions ^reçues d’une manière disaontinue soient totalisées

en une dénivellation résultante stable. L’inertie à éliminer est celle de

l’agent ^{cause des} individuelles. Cet agent ^{est un} cylindres ^d’air ayant ^{comme section la section du Pitot et comme} longueur l’espace qu’il parcourt pendant que l’orifice du Pitot reste découvert. Pour un Pitot de 1 mm’, ^{un excès de} pression ^{de 30 mm d’eau} à mesurer, ^une anche à 230 vibrations et une durée d’admission égale ^{à un} dixième de la période. ^le .volnme ^{de ce} cylindre ^{est voisin de 10 mm cubes. et son} poids ^{de Q,0i mg.}

Il est difficile de trouver ^un agent ^d’inertie plus petite. Ajoutons ^{que les}

sondes acoustiques ^{donnent non seulement les} pressions ^{mais encore les}

vitesses pour des points ^{d’un volume} quelconque. ^D’où l’indication (non limitative) ^de quelques applications.

1° Pressions et vitesses dans tous les résonateurs utilisés comme ins- tauments de musique (tous susceptibles de commander une turbine pho- nique) ; ^2Q Pressions dans les cylindres ^{de machines à} pistons, ^{mues ou} motrices (rupteur, commandé par les piston s) ; ^{3° Pressions et vitesses dans}

les aubages directeurs des turbines à vapeur, à gaz, il ^eau etc. : 4° Pressions et vitesses dans les conduites d’admission et d évacuation de machines

quelconques; ^{5° Pressions et} vitesses dans l’espace ^voisin des volume

balayés par les ^hélices propulsives ^ou fl-Liidomotrices et généralement par les rotors à masses saillantes.

Partout l’enregistren2ent ^est possible.