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Forme et propagation des ondes sonores dans un espace
limité par des surfaces absorbantes
Jacques Brillouin
To cite this version:
FORME ET PROPAGATION DES ONDES SONORES
DANS UN ESPACE LIMITÉ PAR DES SURFACES ABSORBANTES
Par JACQUES BRILLOUIN.
Sommaire. 2014 L’auteur examine
au moyen de l’équation générale du potentiel des vitesses divers
problèmes de propagation et de vibrations forcées dans des espaces limités par des surfaces absor-bantes. L’absorption est définie par l’impédance de la surface limite.
Cet examen montre l’existence, dans les espaces limités par des plans, d’ondes planes non uniformes de structure spéciale : vibration elliptique dans un plan contenant la direction de propagation, amplitudes
suivant une loi exponentielle dans la direction du plan d’onde contenant les trajectoires elliptiques, uniformité dans la direction du plan d’onde normale au plan des trajectoires, vitesse de phase et vitesse de propagation de l’énergie égales entre elles et inférieures à la vitesse du son.
Ces ondes jouent, dans les espaces considérés, le rôle tenu par les ondes planes uniformes dans les espaces limités par des plans rigides.
Le calcul donne enfin pour les espaces non clos les différentes formes d’onde progressives, avec leur vitesse de phase et leur affaiblissement, pour les espaces clos, les vibrations forcées.
1. Position des
problèmes
traités.Définition
de la surface absorbante. - Nous nous sommes limitésau cas où les surfaces absorbantes
peuvent
êtrereprésentées
par des conditions de la formeoù p est la
pression acoustique, v,,
lacomposante
normale à laparoi, prise
versl’extérieur,
de lavitesse vibratoire et Z une
impédance complexe.
Cette condition
signifie
que laparoi réagit
commesi elle était formée de
petits pistons jointifs
indé-pendants
les uns des autres. Cettesupposition
est raisonnable dans le cas de laplupart
des matériaux absorbantusuels,
qui agissent
par leurporosité.
Elle nepeut,
enrevanche,
servir àreprésenter
uneparoi
dont la surface soitsusceptible
de restituer à distancel’énergie
sonorequ’elle
reçoit
du milieu fluide.Espaces
considérés. - Nous examinons le cas d’undemi-espace
limité par unplan,
del’espace
compris
entre deuxplans parallèles,
destuyaux
de sectionrectangulaire
etcirculaire,
de la salleparal-lélipipédique.
Dans ce dernier cas ce n’estplus
unproblème
depropagation,
mais de vibrations forcées. 2. Méthodes de calcul. - Ces méthodes dérivent de cellesqui
sont utilisées dans le casd’espaces
limités par des
parois rigides.
L’une,
largement
développée
par lordRayleigh
(Theory
ofSound)
etemployée
par monpère (1)
(1) Marcel BRILLOUIN, Propagation anormale des sons aigus
dans les tuyaux larges, Congrès international de Physique,
1900,1, p. ?46; Sur la propagation du son dans les gros tuyaux cylindriques, à propos des expériences de Violle et Vauthier,
Annales de Chimie et Physique, 8e série, 1906, 8, p. 443.
en I goo pour l’étude de la
propagation
et de ladispersion
du son dans lestuyaux
larges,
consiste àpartir
del’équation générale
dupotentiel
des vitesses et à chercher les solutions sous formed’ondes
planes
non uniformes cheminantparallèle-ment aux surfaces limites.
L’autre,
plus géométrique
etplus
intuitive,
s’applique
aux espaces limités par desplans
rectan-gulaires.
Onpart
d’ondesplanes
uniformes d’inci-denceoblique
que l’on groupe deux à deux(onde
incidente et onderéfléchie)
de manière à annuler surles
plans
limite lacomposante
normale de la vitesse vibratoire. On trouvera unexemple
de cetteméthode,
appliquée
à desproblèmes électriques,
dans diversarticles de mon
frère,
Léon Brillouin(2).
Nous avons conduit nos calculs par la
première
méthode. Ellepermet
d’ailleurs aisément de trouver lesdécompositions
en ondesobliques,
et montre que, sauf dans le cas où iln’y
aqu’un plan
limite,
ces ondes ne sont pasuniformes,
mais sont dutype
spécial
que nous avons décrit sous le nomd’ondes S dans un
précédent
article(3).
Ces ondes
jouent
un rôleimportant
dans tous lesproblèmes
concernant les espaces limités par desplans
absorbants. D’autrepart
elles ont pour forme (2) Léon BRILLOUIN, Revue gén. de l’Électricité, 1936, 40,p. 22~; Electrical Communication, 1938, 16, p. 350; Bulletin Soc. f r, des Électriciens, 1938,9, p. 899.
Signalons enfin, dans la Revue d’Acoustique, 1 939, vol VIII, fasc. 1-3 : Léon BRILLOUIN, Le tuyau acoustique comme filtre
passe-haut, p. i. -
Jacques BRILLOUIN, Propagation d’ondes
sonores plaines au voisinage d’un plan absorbant, p. 97. Et d’intéressants travaux expérimentaux ; H. E. HARTIG et C. E. SwANSON, Transverse acoustic wawes in rigid Tubes, Phys. Rev., 1938, 54, p. 618. - F. V.
HUNT, Investigation
of Room Acoustics by Steady-State Transmission
Measu-rements, Journ. of the acoustical Soc. of --Imerica, janvier 1939, p. 2 ~ 6.
(3) e f . Revue d’Acoustique, p. 104 et figure p. 99.
498
limite l’onde
plane
uniforme,
de sortequ’une
décom-position
en ondes Sobliques
tend vers ladécompo-sition
classique
en ondes uniformeslorsque
l’impé-dance des
plans
limite tend vers l’infini(plans
rigides).
Nous commencerons donc par donner la forme
générale
del’équation
de ces ondes et ladescription
de leurspropriétés.
3. Les ondes S. -
L’équation générale
dupotentie
des vitesses étanton
peut
lasatisfaire -par
une solution de la formeoù
°1’ ~~, °3
sont desquantités complexes.
Posant alors il vient entre ces divérsesquan-tités,
les relationsUn
changement
d’orientation des axespermet
de réduire la forme(2)
à la formenous nommerons
caractéristique
de l’onde l’archyper-bolique ! qui
détermine sa vitesse dephase
et larépartition
desamplitudes
dans la direction des y. L’ondegénérale
(2)
est donc une ondeoblique
dutype (4).
Cette dernière se propage sans déformation dans le sens ox avec une vitesse de
phase
W = 1.
"
chL 1
in f érieure
à la vitesse du son V.’
L’onde est uniforme dans le sens oz.
Les
composantes
de la vitesses vibratoire sontet les
composantes
dudéplacement
Les
trajectoires
sont donc desellipses
situées dans desplans
parallèles
à Leurgrand
axeest
parallèle
à ox(direction
depropagation)
et leurpetit
axe à oy(direction
denon-uniformité).
Lerapport
des axes estth ~.
Tous les
points
duplan
d’onde ont donc des vibra-tionselliptiques
enphase
dontl’amplitude
suit dansle sens oy une loi
exponentielle,
et est constante dans le sens oz. Le sens de parcours estindiqué
sur lafigure.
Les
pressions acoustiques
sontet sont donc en
phase
avec lacomposante
longitu-de la vitesse vibratoire. Le maximum de
pression
seproduit quand
lesparticules
passent
à l’extrémité A du
petit
axe de leurtrajectoire,
c’est-à-direquand
la dilatation dans le sens trans-versal oy est maxima.Lorsque ~
tend vers zéro l’onde tend vers l’ondeplane
unif orme. ’La densité moyenne
d’énergie
estIl est aisé de voir que
l’énergie
se propage dansle sens ox. En considérant une
paroi
normale au sens depropagation
etd’impédance
qui
absorbe totalementl’onde,
on trouve que la vitesse depropagation
del’énergie
estégale
à laT/-vitesse de
phase
20132013’
Fh- 17,*
499 De telles
ondes, évidemment,
ne sauraient avoird’existence
physique
dans un espaceillimité,
carcela conduirait à y admettre des
amplitudes
indé-finiment croissantes avec -y.
Nous avons montré
qu’on
peut
limiter ces ondesdans cette direction par des
plans
douésd’absorp-tion totale. Les ondes S
peuvent
donc exister dansun
demi-espace
limité par unplan
absorbant.4.
Propagation
lelong
d’unplan
absorbant. -Leplan
absorbant est leplan
L’espace
considéré est celui des zpositifs.
Nous nous limitons auxsolutions
ayant
la forme d’ondesplanes
uniformesen y, non uniformes en z, cheminant vers les x croissants avec une vitesse de
phase
W et unaffai-blissement a.
Nous écrivons alors le
potentiel
des vitesses sousla forme
, fi) B.
et la condition à la limite
D’où,
pour déterminer F(z),
l’équation
et la condition
pour Z = 0
Appelant
a2 laquantité
entrecrochets,
facteur de F dans(12),
les solutions sontet la condition
(13)
donneL’onde définie par ces conditions est la résul-tante de deux ondes S
obliques,
l’uneincidente,
l’autreréfléchie,
d’incidence p, decaractéristique §
et il vientIl est aisé de voir que
C,
1
représente
le coefficient de réflexions desamplitudes.
Le coefficient de réflexion desénergies
estalors,
enposant
et le coefficient
d’absorption
On a
réflexion
totale si A = o, c’est-à-dire siSi donc on se donne le
plan
absorbant(~)
et lacaractéristique v
del’onde,
on pourratoujours
trouver un
angle
d’incidence (Dcompris entre. - § et + )
122
pour
lequel
il y aitabsorption
totale.Si ~ >
o ( Y >
o)
cpet ~
seront designes
contraires,
c’est-à-dire que l’onde incidente aura desampli-tudes indéfiniment croissantes
lorsqu’on
s’éloigne
duplan
limite.Si ~
o(Y
o)
pet à
sont de mêmesigne,
l’onde aura desamplitudes
décroissanteslorsqu’on
s’éloigne
duplan
limite.Pour i =
o(onde plane)
on trouve la conditionc’ est-à-dire :
Soit ~
= o(X
= o,paroi
sansviscosité,
cequi
est
évident).
Soit (p = o incidence rasante. Il faut alors remarquer que l’onde incidente et l’onde réfléchie sont en
opposition
dephase.
L’onde résultante est évanouissante.Il y a
doncincornpatibilité
entre l’existence d’unplan
absorbant et d’une ondeplane
uniforme
cheminant sous incidence rasante lelong
de ceplan.
’
L’absorption
totale nécessite que dans(17)
les deux carréscomposant
le numérateur soient nuls. On en tire les conditions suivantes :Pour §
= o(onde uniforme)
il vienttg ~
= o( Y =
o,paroi
purement visqueuse),
Si le
plan
absorbant estdonné,
les formules(19)
permettent
de calculer la valeurde ~
et cellede cp
correspondant
àl’absorption
totale.Éliminant
o ilvient, pour déterminer
~,
qui
donnetoujours
pour une racinepositive
) dans (1) C’est par erreur que nous avons donné une autre valeur
500
unique.
est donc déterminé ausigne près.
Lapremière
condition(19)
détermine alors la valeur de pcorrespondante.
Lechangement
designe de
entraîne celui de 9. On pourra doncprendre
9 entre zéro et ’-‘ ~ *A
chaque plan
absorbant.correspond
donc uneonde S
unique
et une incidenceunique
pourlesquelles
il y a
absorption
totale.5.
Propagation
entre deuxplans
absorbantsparallèles.
- Cesplans
seront lesplans z
=z’, z
- z"avec z’ > z". Leurs
impédances respectives
sontZ~;
et
Z;.
Les conditions aux limites deviennent
nous nous limitons aux ondes
planes
uniformes en ~,non uniformes en z, normales à ox et cheminant vers
les x
positifs.
6b
prend
alors la forme(12),
F(z)
la forme(14)
et les conditions aux limites donnentd’où,
pour déterminero,
l’équation
transcendanteLa résolution de
l’équation
transcendante(22)
nous donnera
donc,
pourchaque
valeur de 5>, uneinfinité de racines _
0’ + j
a’,
d’où nous tirerons les formes d’ondepossibles,
leurs vitesses dephase,
leurs affaiblissements.Se
reportant
à la valeur de ~2[équation
(12)]
on trouve en eff et
a2 et
- )
sont donc les deuxracines,
l’unepositive,
l’autrenégative,
del’équation
du seconddegré
en uLa forme
(14)
deF(z)
montre que l’onde est le résultat de lasuperposition
de deux ondes Sobliques
decaractéristique ~
etd’incidence iD
aisément cal-culables.Ainsi le cas de deux
plans
absorbantsparallèles
est
analogue
à celui de deuxplans rigides,
mais,
au lieu de deux ondes
planes
uniformesobliques,
ce sont deux ondes S
obliques
que l’on devraassocier,
et
qui
fourniront une onde résultante sepropageant
avec une vitesse de
phase
qui
pourra être inférieure àV,
et unaffaiblisse-ment
que la structure des ondes S
indique
clairement. Dans le cas ou les deuxplans
ant la mêmeimpé-dance
Z,,
nous poserons z’ = zQ, z" _-z,. La condi-tion
(22)
donne alors :soit
d’où
soit
d’où
Nous
appellerons
lespremières
solutionspaires
et les secondesimpaires,
car, pour Z === oc;(plan
rigide),
elles donnentrespectivement
les valeursclassiques
Remarquons
que, pour les solutionspaires,
leplan z
= o est unplan
desymétrie
etqu’on
y aa F
= o, c’est-à-dire que la vitesse vibratoired z;
normale à ce
plan
est nulle. Onpeut
donc lerem-placer
par unplan rigide.
Les solutions
paires
sont donc les solutions duproblème
depropagation
entre unplan rigide
z = oet un
plan
absorbant z =z,.
Les
équations
(25)
et(26)
peuvent
s’écrire sousune forme sans dimensions
qui
sera utile pour unediscussion. Posant
et,
A étant lalongueur
d’onde(en
espacelibre)
duson
considéré,
avec
(25)
et(26)
deviennentrespectivement
Lorsque
Z = oo(plans rigides),
nous avons donc1-
-Nous
reportant
auxéquations (23),
nous trouvons quec’est la _forme
classique
d’une onde formée parsuperposition
de deux ondesplanes
uniformesobliques,
et sepropageant
sans affaiblissement sous une incidence p, avecet les
équations (16)
montrentqu’alors
lesystème
stationnairereprésenté
par cette solution est lerésultat
de lasuperposition
de deux ondes S d’in-cidence normale((p
=o), qui
donnent bien~
étant déterminé par la relationPour une valeur de 1. donnée il y a donc deux
groupes de
phénomènes,
les unsprogressifs
sepro-pageant
sansaffaiblissement,
les autresstation-naires et
comportant
un affaiblissement dans le sensdes x.
Ce résultat subsiste tant que les
impédances
desplans
limites sontpurement
imaginaires (parois
sans
viscosité).
Il est évident en ce casqu’il
nesaurait y avoir
propagation
avecdissipation d’énergie.
Les solutions 6
complexes,
s’il s’entrouvait,
seraientincompatibles
avec les conditionsphysiques.
Larelation
(22)
peut
alors donner à soitréel,
soitima-ginaire
pur, les deux cas entraînant soit W finiavec a = o
(ondes progressives
sans affaiblisse-ment résultant de lasuperposition
de deux ondesplanes
uniformesobliques),
soit W = oc aveca ~
o(phénomènes
stationnaires résultant de lasuper-position
de deux ondes S d’incidencenormale).
Si l’une au moins des
impédances
Z’;,
Z’.’,,
contientun terme réel
(viscosité),
(22)
montre que lessolu-tions à sont
complexes.
Dans ce cas(24),
qui
donne a2 et- -‘~~.,
a deux racines designes
contraires. Il y adonc
toujours
à la foispropagation
et affaiblis-sement.Ainsi
l’apparition
de la viscosité sur lesparois
a deux
conséquences :
lapremière,
qui
estintuitive,
est d’introduire dans les ondesprogressives
unaffaiblissement en cours de
propagation,
c’est-à-direde transformer en ondes S les deux ondes uni-formes
obliques
dont lasuperposition
forme l’ondeconsidérée;
la seconde est de rendreprogressifs
lesphénomènes
stationnaires,
c’est-à-dire de rendreobliques
les deux ondes S d’incidence normalequi
lescomposaient.
6.
Propagation
dans untuyau
de sectionrectan-gulaire.
- Lesplans
limitant letuyau
seront :Employant toujours
la même méthode dedécom-position
nous écrirons2013(
( , w j
IY( fl9 )
et nous trouveronsavec, pour satisfaire à
l’équation générale
dupotentiel
desvitesses,
.10’ , " ....
52
eta31
pourremplir
les conditions aux limitesdoivent chacun être racine d’une
équation
dutype
(22).
Chaque racine °2
peut
êtreaccouplée
avec
chaque
racine~3
pour former une solutioncomplète.
Ainsi l’onde est le résultat de la
superposition
dequatre
ondes Sobliques.
L’affaiblissement et la vitesse de
phase
sont alors données par(31)
et il vient(.) 2
qui
permettent
de calculer a2 et -2013
., commeracines d’une
équation
du seconddegré analogue
à(23).
Si l’on a Z]
=Z:; ou Z‘.;
=Z"
l’une des conditions502
en
paires
etimpaires, qui
permettent
de traiter le cas où certainesparois
dutuyau
sontrigides.
Comme dans le casprécédent,
si lesparois
sontsans
viscosité,
les solutions se divisent en deuxgroupes : ondes
progressives
sansaffaiblissement,
phénomènes
stationnaires résultant de la combi-naison dequatre
ondes S normales auxparois.
Siles
parois
ont de la viscosité toutes les solutions sont des ondesprogressives
avec affaiblissement.7.
Tuyau
de section circulaire. - Lepotentiel
des vitesses
s’écrit,
en coordonnéespolaires
r, 9prises
autour de l’axe ox dutuyau,
et la condition à la
limite,
si ro est le rayon dutuyau,
’B--Y-
1-On
prend pour 4J
la formeclassique
on trouve alors
J n étant la fonction de Bessel d’ordre n et la
condi-tion
(33)
donne-qui,
avec les mêmes notations queprécédemment
danslesquelles
r,remplace zo, prend
la forme sansdimensions
8.
Tuyaux
étroits. - On obtient lerésultat,
qui
est celui de la théorie élémentaire(tuyaux souples,
deHelmholtz;
coups debélier),
où l’on considèreune tranche comme animée d’un mouvement
d’en-semble,
en confondant dans(22), (25)
ou(26)
latangente
avecl’angle,
ou, dans le cas dutuyau
desection
circulaire,
enposant
9. Vibrations forcées des espaces clos. Salle
parallélépipédique.
- La recherche des sons propresd’espaces
clos par des surfaces absorbantes(1)
conduit à poser(1) Voir, par exemple, SCHUSTER et WAETZIANN, Uber
den Nachhall in geschlossenen Raumen, Annalen der Physik,
5 folge, Bd 1, Heft 5, 1929, p. 6y.
avec une condition aux limites
qui
donne pour Woù Z est une fonction des coordonnées et de la
pulsation
(ü.On obtient alors deux séries de valeurs : ú) 1
..., 1 ~. de la
pulsation,
et OC2, ..., del’amortissement;
et la série de fonctionsqr1’ ~Y’2,
...,qui
leurcorrespondent.
Ces
fonctions,
contrairement à cequi
se passedans les cas
classiques,
ne sont pas propres à l’étude des états stables de vibrations forcées. Eneffet,
il faut dans ce cas poserSi l’on
prend
pour Il’ une des fonctions qrkprécé-demment
déterminées,
les conditions aux limitesne sont pas
satisfaites,
et ce pour deux raisons :la
suppression
du terme ce dans la condition(38),
la variation de valeur de Z en fonction de G~.
L’étude des vibrations forcées
peut
être faite par la voie suivante : si les forces extérieures(sources
sonores) agissant
sur l’élément de volume dx,dy,
dz dérivent d’un
potentiel
R,
cequi
estgénéralement
le cas,l’équation
dupotentiel
des vitessesprend
la formequi,
si R = doit donner des solutions de lad’où,
pour déterminer les fonc-tions ’Ifl’équation
Nous chercherons les fonctions
W k
satisfaisant àl’équation
où M est la
pulsation
donnée,
et dk unequantité
complexe
à déterminer de manière à ce queW k
satisfasse à la condition aux limites
A toute valeur donnée de ú),
(41)
et(42)
fontcorrespondre
unesuite W l’ W 2’ ...,
Tk
defonctions,
303
sera donné par une autre série
Se
reportant
à(40),
en tenantcompte
de(41),
il vientet
(42)
montreque -4’
satisfait à la condition auxlimites.
L’étude des aibrations
forcées
doit donc sefaire
au moyen des
équations
tirées de la condition auxlimites
(42),
qui
est du mêmetype que les
conditionsrencontrées dans les
problèmes
depropagation,
etnon au moyen des
équations
tirées des conditions dutype
(43)
rencontrées dans lesproblèmes
de sons propresamortis.
_
Nous traiterons le cas à trois
dimensions,
de la Salleparallélépipédique
dontchaque
paroi
a uneimpédance
donnée. Nous posonsalors,
commeprécédemment
où les trois fonctions
Fl, F2, F 3
ont la même formeal, d2, a,
étant chacun racine d’uneéquation
dutype
(22).
En associant trois valeurs de
al, ô2,
Os’
et les trois.
fonctions
FI, F~, F3
nous formerons la fonctionqui
satisfait aux conditions aux limites. Portant Bj’kdans
l’équation (41),
nous obtiendrons laquantité
complexe d/, qui
luicorrespond
10. Problèmes se rattachant aux
problèmes
pré-cédents. - I,es mêmes méthodes et les mêmes
types
de
conditions,
conduisant auxéquations
trans-cendantes(22), (25),
(26)
et(36),
permettent
de traiter lesproblèmes
suivants.Tuyaux
rigides
étroits ou cordes terminés à leursextrémités par deux
impédances
Z’ etZ".,
couche fluide mincecomprise
entre deuxplans parallèles
rigides,
oumembrane,
limitée par un contourrectangulaire
ou circulaired’impédance ponctuelle
Z. Cesproblèmes
sontalors,
comme celui de la Salleparallélipipédique,
desproblèmes
de vibrations forcées.11.
Classement des ondes,
discussion des résultats. -Ce travail suppose la résolution des
équations
transcendantes
régissant
leproblème
étudié,
puis
àpartir
du classement desracines,
l’étude du classe-ment des vitesses dephase
et affaiblissements.Nous l’avons
entrepris
sous la formesimplifiée
- etdéjà
fort laborieuse - deséquations (2G)
et(27),
et en donnerons les résultats dans unprochain
article.