CHAPITRE VI

Expériences sur la pression et les courants intérieurs. Tuyau sensitif, dont le son se produit à distance.

Les courants. En premier lieu, je m’occuperai des courants décrits par MM. Lootens et van Tricht.

La figure 22, au quart de la grandeur naturelle, représente ces courants dans un tuyau ouvert, dont la paroi postérieure est en verre; longueur du tuyau = 65 cm., côté de la base carrée = 6,1 cm. Le courant dérivé s’élève à 7 cm. au-dessus du biseau, puis, descendant le long de la paroi postérieure et glissant sur le biseau, il traverse le courant principal, comme il a été dit. Une partie du courant dérivé suit un cours à part, en formant à une hauteur de 18 cm. une seconde cyclone.

La figure 23 montre en grandeur naturelle une partie des courants dans un tuyau ouvert de seize pieds, l’Ut grave (Ut— i) d’une contre-basse. On peut les suivre facilement à l’aide de fils de duvet attachés à des tiges minces métalliques.

Dans la figure 24 sont représentés en grandeur naturelle les courants existant près de la bouche d’un petit tuyau fermé, PUt8 d’un bourdon. Us ont été rendus visibles en déposant de la poudre de magnésie dans le pied du tuyau.

On peut constater qu’une partie du courant dérivé, après avoir „ traversé” le courant principal, descend et retourne à la bouche, où elle s’ajoute à l’air injecté. Le courant dérivé, en sortant de la bouche, entraîne le long de sa surface des masses d’air, de sorte qu’il se fait une évacuation partielle, d’où s’explique la forme curviligne du courant de retour S.

L’expérience suivante est bien propre à faire voir que les courants en question sont liés à la production du son; en même temps, elle peut indiquer la différence entre le son produit par le frottement de l’air et le renforcement de ce son par le résonnateur.

Une petite plaque, sur laquelle se trouve un peu de poudre de magnésie, P (figure 25), est portée près de l'appareil représenté dans la figure 1. La poudre n’est pas encore entraînée par l’air passant par le tube de l’appareil. De l’autre côté de celui-ci approchons maintenant un résonnateur R. Dès que le résonnateur parle, la poudre s’envole, une partie se mêle avec le courant injecté par le tube, une autre partie est jetée dans le résonnateur. Le courant qui pénètre dans l’intérieur est ici bien distinct.

En posant de petits corps légers devant la bouche de tuyaux parlants, on constate fréquemment qu’ils sont jetés dans les tuyaux, où ils décrivent des courbes analogues à la cj^clone inférieure de la figure 22. Naturellement, on préfère pour cet effet des tuyaux de grandes dimensions.

Nous tenons encore une tige métallique, garnie de fils de duvet, près des endroits marqués par M (dans les figures 23 et 24) ; les fils s’y enroulent rapidement autour de la tige, dans le sens des flèches. Avec les grands tuyaux ouverts, de 32 pieds, ces courants sont très-intenses, la tige métallique tenue légèrement à la main est entraînée dans le tourbillon, de façon à décrire une surface conique.

Dans la figure 26, on trouve une représentation plus complète des courbes et des „ cyclones”. L’observation stroboscopique, ou la photographie instantanée, nous apprendra de quelle manière doit être considéré l’entre-croisement des courants.

La pression intérieure. Quant à la mesure des pressions de l’air intérieur, desquelles se sont occupés MM. Sonreck, Lootens et Van Tricht, elle est rendue un peu difficile à cause des courants. Je me suis borné à mesurer la pression au-dessus du biseau et, dans les tuyaux bouchés, aussi près du bout supérieur.

Je donnerai ici quelques-uns des résultats obtenus. Les chiffres (p) indiquent la différence entre la pression intérieure

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et la pression atmosphérique, en millimètres du manomètre ouvert à eau. Souvent je me suis servi d’un manomètre à capsule.

Tuyaux ouverts.

4 pieds, Ut2 p — — i mm*

2 pieds, Ut3 p = — { „

1 pied, Ut, ....... p = — | „

l pied, Ut3 P = — H »

Tuyaux bouchés.

2 pieds, Ut2, au dessus du biseau p = + mm., au bout sup. p — + £ mm .

1 pied, Ut3, // h n p — — f- 1- " * » u p — - f-1 //

£ pied, Ut4, // // // p = - \-\{u u n n p — - f-2 //

petit tuyau, Sol 4, // n n p = + 1| // n /> n p = + 2 »

pression dans le sommier = + 85 mm.

Dans ces exemples se trouve donc confirmée la règle donnée par M. van Tricht, à savoir que, dans les tuyaux ouverts, la pression de l’air près de la bouche est plus petite que la pression atmosphérique, tandis que dans les tuyaux bouchés la première de ces pressions surpasse la seconde. D’ailleurs, la différence est d’autant plus grande que le tuyau est plus court. J’ai aussi trouvé le même résultat avec d’autres tuyaux.

Pourtant, cette règle n’est pas générale, comme il ressort de l’expérience suivante. Je prends un petit tuyau bouché donnant le Sol4, et je mesure la pression au moyen d’un tube encastré dans le couvercle ; la différence de la pression est à peu près = -h 2 mm. Je recourbe la lèvre supérieure un peu en dedans, la différence de pression se réduit successivement à -h 1mm., à imm., et à zéro; à ce dernier point, la pression est donc — 1 atm. ; le tuyau parle maintenant très-mal ; je continue à forçer la lèvre, le tuyau parle de nouveau, et la diff. de pression devient égale à — |, — 1, — l}mm.; ainsi, la pression intérieure est alors plus petite que celle de l’atmosphère. Cela concorde avec les résultats de M. Sonreck.

Nous envisageons toutefois la pression mesurée comme la somme algébrique de grandeurs positives et négatives se succédant à chaque vibration de la colonne aérienne ; et de ce point de vue l’expérience indique que la valeur absolue de la somme des grandeurs de même signe change avec la position de la lèvre supérieure. Les recherches du chapitre suivant confirmeront cette manière de voir.

Au reste, la grandeur de la pression mesurée ne me semble pas de beaucoup d’importance. La même remarque s’applique à la direction d’un faible courant qui peut traverser un tuyau ouvert suivant sa longueur. On sait aussi qu’une membrane tendue au milieu d’un tel tuyau ne l’empêche pas de parler.

Influence des parois. — Selon M. van Tricht, les parois du tuyau ont une importance spéciale pour la production du son. Il fait des expériences très-intéressantes pour prouver que ces parois sont en vibration tant que le tuyau parle. On sait d’ailleurs que les tuyaux de grandes dimensions ne laissent aucun doute sur ce point.

C’est ce qu’on pouvait prévoir. En effet, l’existence des ondes dans la colonne aérienne est intimement liée à la résistance que les parois offrent aux vibrations de l’air. Or les changements périodiques des pressions dans les nœuds sont assez grands, *) de sorte que le résultat se comprend. Pour que le tuyau parle bien, il faut aussi que les parois soient d’une solidité suffisante.

A proprement parler, la théorie ne saurait être complète si l’on n’a égard à tous les milieux ambiants. On devrait donc étudier non seulement les vibrations de l’air intérieur et extérieur, mais aussi celles de la substance des parois ; il s’agit cependant de décrire les causes dont l’importance pour la production du son est dominante. Or la vibration des parois est un phénomène appartenant au mécanisme de l’onde sonore qui résulte de l’interférence de deux ondes se mouvant en sens opposés ; et il serait quelque peu partial de dire que les vibrations de l’air sont produites par celles des parois.

0 Kundt, Ann. de Pogg. T. 134.

Archives Néerlandaises, T. XXV.

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En premier lieu, M. van Tricht remarque que la saillie du courant dérivé est liée au son normal du tuyau: tant que le tuyau ne parle pas, ce courant se mêle avec le courant principal. Ensuite, il démontre qu’un coup, appliqué à la paroi mince d’un tuyau parlant mal, pousse en dehors le courant dérivé. Il rappelle encore qu’il y a des tuyaux qu’on peut forcer à parler en les frappant, et que les parois des tuyaux rendant un son normal sont en vibration, puis il demande: „ Serait-il téméraire, en présence de ces faits, de considérer „le jailissement du courant dérivé sortant comme une suite ^nécessaire et immédiate de la vibration des parois du tuyau „sonore?” Cette manière de considérer le phénomène conduit ensuite à la théorie mentionnée dans le chapitre précédent.

Tuyau sensitif, parlant à distance. — Qu’ est- ce que produit le coup appliqué à la paroi du tuyau?

Ce sera un mouvement ondulatoire de l’air, traversant la colonne, et se réfléchissant aux bouts de celle-ci. On sait, en effet, qu’un pareil coup fait entendre pendant un temps court le son fondamental d’un résonnateur quelconque, c’est-à-dire qu’il s’y forme une onde stationnaire. Or ce son fondamental se forme aussi dans le résonnateur lorsqu’on fait entendre à distance un son d’égale hauteur.

Si maintenant l’action particulière du coup faisant sonner le tuyau consiste en la production d’une telle onde, il sera possible aussi de faire parler ce tuyau en émettant à quelque distance le son fondamental. C’est ce que nous allons faire.

Prenons un tuyau ouvert en étoffe, de quatre pieds de longueur et de faible section, l’Ut2 d’un violon, et recourbons la lèvre supérieure un peu en dedans, de sorte qu’en soufflant le tuyau nous trouvions qu’il ne parle plus.

Amenons l’air au tuyau et soufflons légèrement sur la bouche, de façon que la lame d’air soit pressée dans l’intérieur ; aussitôt le tuyau parle. Le son disparaît si l’on souffle dans le bout ouvert. C’est l’expérience de M. Schneebeli.

Nous faisons aussi parler ce tuyau en le frappant. La lame

d’air étant dirigée trop en dehors, l’expérience de MM. Lootens et Van Tricht semble indiquer déjà que la production du son doit être attribuée dans ce cas à une onde sonore stationnaire. Car si l’action du coup consistait à expulser un peu d’air, ou s’il n’occasionnait qu’un mouvement dirigé en dehors, la direction de la lame d’air deviendrait encore plus défavorable. Après un temps très court l’impulsion initiale causera toutefois, comme on sait, un mouvement vibratoire, qui forcera la lame de rentrer dans le tuyau. . *

Nous conduisons de nouveau l’air au tuyau muet. A une distance de trois ou quatre mètres nous soufflons un tuyau du même son (Ut2), soit un bourdon, un principal ou un tuyau à anche. Aussitôt, le tuyau modifié parle, et il continue à parler après que le son extérieur a cessé entièrement. Nous trouvons même que, pour faire parler le premier tuyau, il suffit de produire l’octave (Ut3) à quelque distance.

Au-dessus de la lumière du tuyau modifié nous fixons un fil de duvet bien flexible, qui rendra visibles les mouvements de la lame aérienne. Tant que le tuyau ne parle pas, on entend un doux murmure, et le fil effectue des oscillations trèspetites, qui ne s’étendent pas jusqu’à la lèvre supérieure. Maintenant, on produit à plusieurs reprises le son fondamental à distance, en augmentant très graduellement la force; les oscillations du fil devrennent plus grandes, et aussitôt que le son extérieur a une hauteur et une intensité suffisantes, on les voit atteindre et dépasser la lèvre, et le tuyau parle.

Il faut que le son extérieur soit d’une hauteur bien déterminée. Souvent on peut produire un son de grande intensité, mais dont la hauteur diffère un peu de celle du son du tuyau? sans que celui-ci parle.

Ces expériences sont bien propres à éclaircir le principe de la théorie. Car c’est ici l’onde stationnaire, développée dans la colonne d’air, qui force la lame aérienne de faire des vibrations de la même période ; lorsque celles-ci sont devenues assez grandes pour dépasser le bord de la lèvre su-

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périeure, le courant injecté devient la source de l’énergie qui renforce et entretient les vibrations de la colonne d’air. Souvent on peut déjà entendre très-distinctement le son fondamental dans le murmure qui se produit avant que le tuyau ne parle. Ainsi la source sonore extérieure est capable d’évoquer le son normal du tuyau, alors que le frottement de l’air à la lèvre supérieure ne sera pas en état de le faire parler.

Il est en général très-facile de construire un „tuyau sensitif”, mais il arrive souvent qu’on n’atteigne pas le plus haut degré de sensibilité en se bornant à recourber la lèvre supérieure. Je décrirai ici, comme exemple, la construction d’un tuyau très- sensitif.

On prend un tuyau ouvert en étoffe, de deux pieds (Ut3) et de menue section (diamètre intérieure 3 2 mm.) On le met sur le sommier, en ayant soin qu’après l’opération il reste l’occasion de régler la pression de l’air. La lèvre supérieure est alors recourbée uniformément en dedans, jusqu’à ce que le tuyau soit devenu un peu sensitif; puis on règle la largeur de la lumière et en même temps de nouveau la position de la lèvre supérieure, de telle sorte qu’on perçoive légèrement la duodécime (Sol4) dans le murmure qui se fait entendre, et que le tuyau soit près de parler. Ensuite, on portera la sensibilité au degré convenable, en réglant la pression de l’air.

On peut facilement faire parler un tel tuyau à une distance de vingt ou trente mètres, en produisant le son fondamental au moyen d’un tuyau à bouche ou à anche.

Cette expérience, dans laquelle l’onde excitée dans la colonne d’air fait vibrer transversalement la lame aérienne, forme un pendant aux expériences connues de M. Tyndall, où une onde traversant l’espace ambiant fait vibrer longitudinalement des flammes ou des jets de fumée.

Pour la construction du tuyau sensitif il est préférable de prendre un tuyau dont le biseau ne soit pas muni de ces petites entailles qu’on y trouve souvent sur le bord antérieur.

Il est également possible de construire le tuyau sensitif en

forçant la lèvre supérieure un peu en dehors ; mais, dans ce cas, je n’ai pas trouvé la sensibilité aussi grande.

Je donnerai ici un aperçu de quelques expériences, nouvelles ou connues, qui se rapportent à ce sujet. Le tuyau sensitif à lèvre recourbée en dedans est amené à parler:

1°. au moyen d’un son extérieur de hauteur convenable, et produit soit en chantant, soit au moyen d’un tuyau, d’un diapason avec résonnateur, etc.;

2°. en soufflant légèrement sur la bouche (expérience de MM. Schneebeli et Kiessling),

3°. en frappant le tuyau (exp. de MM. Lootens en Van Tricht,) 4°. en aspirant l’air au bout supérieur,

5°. en mettant une lame métallique sur la lèvre supérieure, 6°. en tenant une flamme près de la lèvre inférieure.

On comprend aisément les deux derniers effets.

On fera taire le tuyau parlant:

en soufflant légèrement dans le bout supérieur, — en aspirant l’air à la bouche; — en tenant une lame ou la main près de la bouche, ce qui cause aussi une évacuation (voir la fig. 16), — en dirigeant une lame d’air de haut en bas sur le bord de la lèvre supérieure; etc.

Le tuyau à lèvre recourbée en dehors montre des relations inverses.

Une expérience intéressante consiste à faire taire le tuyau sensitif à l’aide d’une source sonore extérieure. A cet effet, prenons encore le tuyau Ut3, rétrécissons un peu la lumière et mettons à quelque distance un tuyau bouché Ut3. Nous condui ons l’air aux tuyaux après avoir désaccordé un peu le bourdon. Le tuyau sensitif ne parle pas : nous altérons le ton du tuyau bouché, en changeant la hauteur du couvercle. On entend de très faibles battements, qui se ralentissent graduellement. Tout à coup, le tuyau sensitif parle, mais seulement pendant les maxima d’intensité sonore. Lâchons la touche

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correspondante au bourdon pendant que l’intensité est minimum: le tuyau a cessé de parler. Un fil de duvet, fixé audessus de la lumière, montre pendant les maxima d’intensité une oscillation maximum. C’est un phénomène d’interférence.

Il existe encore, entre deux tuyaux, une influence mutuelle d’une tout autre nature, et que je veux rappeler ici pour la distinguer de celle dont il vient d’être question. — On connaît l’expérience de M. Kônig, avec les deux tuyaux ouverts du même ton, placés l’un à côté de l’autre sur le même sommier. Au reste, tous les facteurs d’orgue savent que deux tuyaux placés l’un auprès de l’autre peuvent altérer notablement la hauteur ainsi que l’intensité de leur son, ce qui se présente surtout lorsque le son fondamental et la taille des tuyaux ne diffèrent pas beaucoup. C’est un vaste champ de phénomènes très-intéressants.

Par exemple, en prenant deux de mes tuyaux bouchés, dont l’un rend le Ré, et l’autre le Ré, dièse, je trouve que le second, dont le son n’est qu’un peu plus fort, influence d’une manière remarquable le son du premier. Si je fais parler d’abord le Ré-dièse et ensuite le Ré, le son de celui-ci monte d’un demi-ton, de sorte qu’on entend Ré-dièse sans aucun battement. Si au contraire je fais parler le tuyau Ré et ensuite l’autre tuyau, on entend des battements, qui bientôt cessent, les deux tuyaux sonnant alors le Ré-dièse, comme dans le premier cas. Ces tuyaux sont placés l’un à côté de l’autre sur le même sommier : mais on peut aussi constater une semblable influence lorsque les tuyaux reçoivent l’air de soufflets différents.

On pourrait expliquer cette influence en remarquant que l’air sortant de la bouche d’un des tuyau pénètre dans l’autre : en effet, on peut faire monter le son notablement en soufflant dans la bouche. (Si, au contraire, on dirige un courant plan sur le bord de la lèvre supérieure,- on fait descendre le son). Mais en accordant le son le plus fort de telle manière qu’il soit un peu plus haut ou bien un peu plus bas (à peu près

d’un quart de ton entier) que l’autre tuyau, ce dernier adoptera le son du premier. On comprend que, dans tous ces cas, le son résultant ne sera pas rigoureusement égal à l’un des sons donnés. Lorsque, par ex., de deux tuyaux de son différent, le son le plus bas était le plus fort, je trouvais que le son résultant était encore un peu plus bas que celui-ci.

Dans ces dernières expériences c’est la vibration de l’air existant près de la bouche d’un des tuyaux, qui domine le courant sortant de la lumière de l’autre, surtout si l’intensité du premier mouvement est relativement grande. Nous allons maintenant étudier cette vibration de la lame d’air dans un tuyau parlant.