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Fréquencemetre radioélectrique
Z. Carrière
To cite this version:
FRÉQUENCEMETRE RADIOÉLECTRIQUE
Par Z.CARRIÈRE.
Professeur à l’Institut
Catholique
de Toulouse.Sommaire. 2014 Appareil composé d’un haut-parleur, d’une flamme sensible striée par le haut-parleur et
d’un stroboscope réglé sur les stries de la flamme. On peut obtenir, pour la fréquence 10 000, des stries
espacées d’un millimètre.
L’appareil
queje
propose est un véritablefréquen-cemètre donnant
d’emblée,
seul et par une mesureunique,
lafréquence
d’un courantradioélectrique
sup-posée
déjà
abaissée au-dessous de 10 000.Cet abaissement
préalable
estexigé
par tous les me-sureurs defréquence
actuels ;
sur ces mesureursqui
comportent
au moins un étalon àfréquence
fixe et des intermédiairescomplexes,
le nouveau al’avantage
desupprimer
tous lesintermédiaires ;
deplus,
il estapte
à recevoir immédiatement et sans additions ni transfor-mations le contrôlechronométrique
qu’il
fauttoujours
prévoir
pour un étalon defréquence.
* *
Ce
fréquencemètre
se compose d’unhaut-parleur,
d’une flamme de gaz
d’éclairage
sensible au son émis par lehaut-parleur
et d’unstroboscope
réglé
sur lesfranges
qu’engendre
lehaut- parleur
à la surfacede la flamme.Dans ces
franges
réside la nouveauté dusystème
queje
propose. Dans un article très récent de la Revued’Acoustique j’étudie
en dé lail leurscaractéristiques
et les conditions de lenr obtention.Renvoyant
à ce travaille lecteur désireux de mieux les
connaître,
je
mecon-tente de
rappeler
ici les flammes sensiblesvulgarisées
parTyndall
et utilisées parquelques
chercheurs commedétectrices d’ondes sonores très courtes.
On sait que
longues
etquasi cylindriques
en airtran-quille,
ellesrépondent
à un sifflet ou au bruit d’un trousseau declefs,
en s’affaissant et s’étalant en nappesplus
ou moins dentelées.Ces variations du contour visible à nu ont
trop
longtemps
retenu l’attention desphysiciens.
Il y amieux à observer. Une onde sonore
périodique
doitavoir des effets
périodiquement
variables. Les varia-tions de forme visibles à l’oeil nu ne sont que la résul-tante moyenne des variations instantanées de l’en-semble de la flamme. Pour les observer, il suffitd’em-ployer
l’analyseur
par excellence desphénomènes
périodiques :
lestroboscope.
Avec cet
appareil,
dans une flammequi,
au repos,serait
quasi cylindrique
et aurait 22 cm delongueur,
qui,
sous l’action des ondes defréquence
~l’= 6i37,
serapetisse
etprend
le contourreprésenté figure
1,
àgauche,
entre les cotes 2 et 5 cm, onaperçoit
enoutre,
sur les bords et la verticalemédiane,
des files de tachesrégulièrement espacées,
indices d’une structurepério-dique
liée à lapériode
du son excitateur.Fig. 1.
La
figure
de droite est obtenue par choc de deux flammes issues desajutages schématiquement
repré-sentés au-dessous de la cote zéro. Un son defréquence
tV= 8 ~00 ydéveloppe
lesfranges
équidistantes
con-caves vers le basqui
barrent laplus grande
partie
de sasurface.
Soit it le nombre de fentes
qui,
parseconde, passent
devant l’oeil de l’observateur.Les taches et les
franges représentées
sont fixes tant que lestroboscope
estréglé
à l’isochronisme n = N.Pour tout
déréglage ~V2013~,
les taches et lesfranges
572
se translatent verticalement avec une vitesse
apparente
v est la vitesse
(verticale)
d’écoulement des gaz entrain de brûler. Pour u > o les
franges
paraissent
monter,
V’ > >a ;
ellesparaissent
descendre,
u o,lorsque
~z.À n’est pas une
longueur
d’onde,
mais enjoue
lerôle
puisque,
dans le mouvement réel du gaz de vitesse ascensionnelle v, unefrange
se substitue à cellequi
laprécède
en unepériode 1 :
N.v étant de l’ordre de 10 mètres à la
seconde, À
est de l’ordre du millimètre pour l~r = 10 000. C’est unelongueur
assezgrande
pourpermettre
l’observation desfranges
sansmicroscope.
On ne pourra
plus
dire désormais(4) qu’il
est «ma-laisé de se procurer un instrument dont les vibrations de
fréquence
élevée aient uneamplitude
assezgrande
pour être aisément observables ».
Notons,
d’autrepart,
pour
répondre
aux desiderataexprimés,
que lesfranges
s’obtiennent
indépendamment
des conditions deréso-nance. Sous réserve d’un choix
judicieux
de lapression
d’alimentation,
la flamme sensible à 8 200 est sensible à toutes lesfréquences
inférieures. Nous avonsbien,
jusqu’ici,
unfréquencemètre.
Pour
expliquer
le dessin de lafigure 1 (à droite)
et donner une idée sommaire du merveilleuxphéno-mène à
utiliser,
disons que laperturbation périodique
engcndrée
par le son dans la flamme est uneondula-tion de sa nappe
unique
initialement à peuprès plane.
On obtiendrait une ondulation de ce genre en
balan-çant
périodiquement l’ajutage
d’une lanced’arrosage.
Comparaison
dénuée de valeurexplicative.
Trèsobs-cure est
l’origine
et surtoutl’amplification progressive
de cetteperturbation
dont le radioélectricien n’aqu’à
utiliser lapériodicité spatiale
définie par lesfranges.
Ces
franges
sont les lieux des sommets des ondula-tionsdirigées
vers l’une des normales à la flamme. Ces lieux sont vusgénéralement
concaves vers le bas parce que la vitesse ascensionnelle du gaz a unmaxi-mum dans le
plan
desymétrie
vertical.Du caractère ondulatoire de la
perturbation
résulteque
la source sonore doit être sur la normale â, laflamme;
pour l’action laplus
énergique,
elle doit évi-demment en être leplus rapprochée possible.
Plus
grande
est lafréquence
à mesurer,plus
élevée doit être lapression
d’alimentation de la flammequ’il
esttoujours
avantageux
de carburer au moyen duebenzine par
exemple ;
il semble doncpossible
de sepasser du gaz
d’éclairage
lui-même et d’utiliser unevapeur ou un gaz combustibles
quelconques.
,
L’excitation de la flamme se fait au moyen d’un
haut-parleur
qui
doitrépondre
auxfréquences
de 4 000 à 10000,
avec uneamplitude
sinonuniforme,
(t) R. NICOLAS, Revue d’Acoustique, 1933, p. 102.
du moins suffisante pour faire
apparaître
desfranges.
Cette dernière condition esttoujours
réaliséepuis-qu’on
peut
toujours approcher
la source àquelques
centimètres de la flamme. Lehaut-parleur Rice-Kellog
semble avoir une étendue de sensibilité satisfaisante.*
* *
La flamme à
franges
sert àrégler
lestroboscope.
Celui-ci est undisque
il fentes radialeséquidistantes,
monté sur l’axe d’un moteur
électrique
qui peut
l’en-traîner de 0 à 50 tours par seconde. Un moteur «uni-versel » d’un sixième à un
quart
de cheval convientparfaitement
pour desdisques
de 20 cm de diamètre surlesquels
onpeut loger
50 à 200 fentes. Ledisque
à 200fentes,
aurégime
de ;ï0 tours parseconde,
donne les 10 000 éclairs par secondeclu’exige
lafréquence
maximum mesurable. Sur cedisque,
lalargeur
des fentespeut
atteindre lequart
et même le tiers de leuréquidistance.
Lafréquencemètre
n’est pas destiné àphotométrer
lesfranges ;
il lui suffit d’en déceler la structurespatiale périodique,
c’est-à-dire l’existence de maxima lumineuxéquidistants.
L’effet de réseau queproduit
l’ensemble desfranges,
dont le nombre total est de l’ordre dedix,
assure cettevisibilité,
même avec un médiocre contraste entre les maxima et les minima.Soit n le nombre de fentes
qui,
par seconde,passent
devant l’0153il de l’observateur. Si n = N
(isochro-nisme),
lesfranges paraissent
immobiles. Pour11
#
N,
elles se translatent verticalement avec la vitesseapparente
comptée
positivement
vers le haut.Sur le
signe
de u,l’opérateur règle
soninterven-tion. Pour les
franges
descendent,
N n ,
ilfaut freiner
(appliquer
untampon
dedrap
sur ledisque).
Pouru > 0,
lesfranges
montent,
il faut diminuer lapression
sur le frein.Il est
parfaitement chimérique d’espérer
maintenir ainsipendant
quelques
minutes lerégime
strictemcntisochrone L’irréalisable n’est pas nécessaire. Le
disque stroboscopique
sert seulement àrégler
la rotation totale de l’axe dont l’autre boutporte à
demeure uncompte-tours
chargé
detotaliser,
après
untemps déterminé,
le lotal desfentes
qui
ont
passé
devant l’observateur. Parconstruction,
cenombre
nepeut
êtreerroné ;
mais ilpeut
être erroné de l’identifier avec le nombre depériodes
duphénomène
sonore si la différence LV - n n’a pas ététoujours
nulle. Pourjustifier
cetteidentification,
ilsuffit,
dans ce cas, de compenser lesdéréglages
pour ~1l ~ ïï. C’est facile de la manière suivante.ce nombre total pour
l’intervalle Il
-to. Admettons que t, et to
désignent
les instants lesplus
voisinsaux-quels
= 0(les
franges
sontarrêtées).
Prenons Oz vertical vers le hautLe
premier
membrereprésente
le nombre total lepériodes comptées
en moinspendant
que lesfranges
initialement immobiles ont paru monter
puis
ont étéarrêtées au moyen du frein. Le dernier membre donne
la mesure de ce nombre
total,
quotient
dudéplace-ment du
système
.~1 -par
l’espacement
X.Prati-quement,
les erreurs sur le nombre depériodes
s’ex-priment
par lesdéplacements
verticaU.TaPI)arents
niesurés en nombre de
franges.
L’égalité
vaut engran-deur et en
signe.
Lacompensation
s’en déduit aisément.A l’immobilité des
franges
succède,
parexemple,
une translation du
système
vers le haut estiméégal
il deuxfranges.
En diminuant lapression
sur lefrein,
oncherche à ramener vers le bas le
système
de la mêmequantité.
Dans cette manoeuvre, le but seragénérale-mont
dépassé.
Si,
après
descente de deuxfranges,
le mouvementapparent
du mêmesigne
se continuepen-dant trois autres
franges,
on notera comme bilan définitif ces seules troisfranges
à compenser par lamanoeuvre suivante.
Plus
simplement
encore, et pourménager
l’atten-tion del’observateur,
fixons unepointe
repère
métal-lique
qui
seprojette
vers le milieu dusystème
defranges.
Au début d’une mesure, lesfranges
étantimmobiles,
fixons celle surlaquelle
seprojette
lapointe
etaccompagnons-la
duregard
pendant
sesdéplacements
apparents
inévitables. Sur elleréglons
lefreinage
de manière à la conservertoujours
e’:1 vuedans le
champ,
sans nous astreindre à la ramenerchaque
fois aurepère,
ni àcompter
le nombre defranges
dont elle en est écartée. Réservons notre attention pourprévenir
l’instant où doitprendre
fin lamesure
et,
à ce momentprécis,
ramener exactementla
frange
visée sur sonrepère.
La somme des
intégrales
pour l’intervalle total est nulle. La mesure est sans errcur; il y a identité dunombre de fentes inscrites par le
compte-tours
et du nombre de vibrations effectuées par le son dans lemême
temps.
,Simplification
considérable d’une mesurequi
passepour
inabordable,
renduepossible
par le nombre rela-tivementgrand
defranges qu’on peut
voir simultané-ment dans une flamme sensible.*
Reste à mesurer le
temps
écoulépendant
cesréglages.
La dernière roue (la
compte-tours,
queje
suppose etappelle
roue descentaines,
porte
uninterrupteur
tournant formé d’un
cylindre
conducteur à coupure isolante 1(fig. 2).
Par lecylindre
et le balai B est fermé le circuit contenant lapile
P et la résistancepont
R. En dérivationsur R,
le casquetéléphonique
Tsignale
à l’observateur le passage du balai B sur la coupure 1et lui
permet
ainsi decompter
les centaines de tours. Le même balai actionne lecompte-secondes,
à unins-tant que l’observateur
prépare
au moyen ducommu-tateur C à 4
plots.
Fig. 2.
Il existe un
compte-secondes
(Jacquet)
dont lacom-mande
peut
être faite au moyen de deux électros M(marche)
et A(arrêt).
La remise del’aiguille
au zéro est faite à la main. L’oeil derrière ledisque
strobosco-pique
et le casquetéléphonique
entête,
letampon-frein dans une main et le commutateur
(poire
àbouton-poussoir)
dansl’autre,
l’observateur est armé pour une mesure.Ayant
misl’aiguille
au zéro et le rotor X ducom-mutateur sur le
plot
4,
ilagit
sur le frein pour rendreles
franges
à peuprès
immobiles et attend leprochain
signal
téléphonique après lequel
il pousse le bras Xsur le
plot
1,
s’attachant àgarder
lesfranges
aussi immobiles quepossible.
Ausignal
suivantqu’il
noterazéro,
lecompte-secondes
étant mis en marche sans son intervention par l’électroM,
il concentre sonattention sur la
frange projetée
en ce moment sur lerepère
etqu’il
s’efforcera degarder
constamment en vue par la manoeuvre ci-dessus détaillée. Il n’a d’autre souci que decompter
les centaines de tours annoncées par letéléphone. De plus,
au moment leplus
opportun,
il poussera le bras X sur leplot 2
àpartir
duquel
doit être commandé l’arrêt.Soit 10 centaines
de
tours à chronométrer.Quand
il aura noté la
neuvième,
il poussera X sur leplot 3
etportera
dès lors tous ses efforts sur le retour et le main-tien de lafrange
visée en face durepère
initial. Au passage suivant de 1 sous lebalai,
lecompte-secondes
est arrêté parA;
la mesure est terminée sans erreursi la
frange
visée était à ce moment sous sonrepère.
S’il n’en est pas
ainsi,
rienn’empêche
d’en déduire la correction dont nous connaissons le taux : une vibra-tion àajouter
pour un écart d’unefrange
au-dessus durepère.
Le
compte-secondes
électrique Jacquet
a l’immense574
rôle reste encore
passablement
chargé.
Deplus,
il éli-mine l’erreur ditepersonnelle imputable
à l’observa-teurqui,
même attentif etaverti,
met en marche ouarrête à la
main,
à l’audition d’un toctéléphonique,
un
compte-secondes
ordinaire.Les durées étant mesurées à
0,1
secondeprès,
ilfaut
expérimenter
pendant
100 secondes ou 2 minutes environ pour atteindre laprécision
du millième. Pour arriver auxdix-millième,
unchronographe
devien-drait nécessaire dont laprécision
indiscutablequand
il
s’agit
de mesures relativespeut
devenir illusoiredans le cas des mesures absolues.
L’acquéreur
d’un étalon defréquence
désirepouvoir
en contrôler le fonctionnement par
rapport
à un bon chronomètre. De là les «timing
unit » associés aux« Standard
frequency
assembly
Ȏquipement
com-plexe
dont les panneaux de commande couvrent unesurface
imposante.
Avec le
compte-secondes Jacquet,
il suffit d’encom-parer la marche avec un bon chronomètre de
poche,
aisément contrôlable lui-même par lessignaux
horai-res de T. S. F .
»
Le
fréquencemètre
décrit est unappareil
delabo-ratoire. On
peut
le transformer enappareil
d’atelier
de la manière suivante.
Sur l’axe du moteur
stroboscopique
calons un rotor demagnéto génératrice
de courant continu ou alter-natif redressé. Graduons enfréquences
le voltmètreappliqué.
Pour les mesures, ilsuffira, ayant
placé
le voltmètreprès
de la flammesensible,
d’immobiliser lesfranges
un instant et delire,
au mêmeinstant,
l’indi-cation del’aiguille voltmétrique.
’
Ainsi
transformé,
l’appareil
peut
servir à contrôler les variations d’unefréquence
dont on nepourrait
assurer la constancependant
lesquelques
minutes demandées par la mesureprécise
détailléeci-dessus.
Ainsi
transformé,
ilpeut remplacer
les «monito-ring
» avertisseurs d’écart depart
et d’autre d’unefréquence imposée
donnée. Pour ce butspécial
et parcequ’il
vise une valeurnumérique spéciale
de lafréquence,
on sensibilisera le voltmètre par l’artificesuivant. On le dotera de deux circuits enroulés en
différentiel dont l’un sera soumis au
voltage
de lamagnéto
et l’autre à unvoltage
connu exactement mesuré. Ses déviations serontpositives
ounégatives
suivant que la
fréquence
du courant serasupérieure
ou inférieure à la
fréquence imposée.
Dans tous les cas, on conserve le
compte-tours
et lecompte-secondes
qui
serviront soit àl’étalonnage
duvoltmètre,
soit à tous contrôles ultérieursdési-rables.
