CHAPITRE III

Le DISPOSITIF OPTIQUE

L'identification des franges.

En lumière monochromatique, toutes les franges présentent la même apparence, et il n’est pas possible de connaître le déplacement des franges sur la seule vue du cliché pris au repos et du cliché pris pendant l’écoulement de Pair. On pourrait songer à suivre la position des franges par cinématographie (ou, tout au moins, par une suite de clichés), mais ce procédé n'est guère applicable que si le déplacement des franges est assez lent pour qu'il n’y ait pas substitulion d’une frange à une autre entre deux photographies conséculives; il serait donc nécessaire de prendre un très grand nombre de clichés, et encore pour peu que le régime soit instable et les franges nombreuses, la substitution d’une frange à une autre resterait possible et incontrôlable. D’autre part, lorsque dés ondes de choc apparaissent, il y a discontinuité de la pression au passage de ces surfaces et cette méthode qui suppose la continuité n’est plus valable. Cependant, lorsque le champ est suffisamment large, on peut parfois trouver une zone où la pression n’est pas modifiée, et où la position des franges est la même qu’au repos; l'identification des franges est alors facile, s’il n'y a pas d'onde de choc.

En général, le repérage des franges ne peut s'effectuer qu'avec une lumière comportant seulement deux longueurs d'onde. En lumière blanche, ou tout au moins en lumière comportant plusieurs longueurs d'ondes de valeurs suffisamment différentes, la photographie n’enregistre qu'un nombre assez faible de franges, qui s’estompent progressivement de part et d’aulre de la frange centrale qui est la plus nette; mais même en lumière polychromatique et en employant s'il y a lieu des plaques panchromatiques pour étendre la gamme des longueurs d'onde, on enregistre assez souvent un trop grand nombre de franges pour distinguer avec sûreté la frange centrale, dont la position n’est connue qu'à une frange près. Par ailleurs, cette méthode n’est plus applicable; 1° si la frange centrale est rejetée hors du champ visible à la suite d’un déplacement trop considérable, ce qui est courant; 2% s’il y a renversement de l’ordre de numérolation des franges, ce dont on ne peut s'assurer à la seule vue d’un interférogramme où la plupart des franges sont voilées ou absentes.

En lumière dichromatique, les franges, par un phénomène de balteménts, se renforcent et s’estompent à intervalles réguliers de N franges; si ce

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nombre N est suffisamment petit, il est possible de repérer individuellement les franges, comme on le voit sur nos clichés; reste à repérer les battements; ceci est le plus souvent facile, parce que les déplacements sont progressifs et ne représentent guère qu’un nombre très faible de battemenls (3 au plus, soit 21 franges à partir de la frange centrale, dans nos expériences), il suffit done d'enregistrer une série de clichés pris au repos et à vitesse régulièrement croissante. S'il n’en est pas ainsi, et surtout s’il y a des zones entourées d'ondes de choc ne permettant pas de suivre les battements par cette méthode de continuité, l'emploi d’une lumière blanche, ou tout au moins polychromatique, permet de préciser à 1 ou 2 franges près au plus la position de la frange centrale, posilion que l’on précise ensuite, s’il y a lieu, par l'examen des battements obtenus en lumière dichromatique. Si la frange centrale n'est pas dans la zone examinée, on peut, en général, l'y amener par un déplacement convenable des franges au repos; si l’on veut éviter ce réglage, on peut prendre deux clichés avec deux lumières dichromatiques différentes : le premier donnant des battements peu nombreux et faciles à identifier et permettant un repérage approximatif à quelques franges près, repérage que l’on précise sur le deuxième cliché, dont les battements ne comportant que peu de franges sont très nets el permettent l'identification des franges une par une dans leur intervalle (mais, dans ce deuxième cliché, le repérage des battements n'étant pas possible, la position de la frange n’est connue qu'à 1 ou n battements près).

Cette identification des franges et des battements doit être faite avec soin si l’on veut éviter des erreurs dans le cas où l’ordre de numérotation des franges change de sens. Soit, en effet, des franges en lumière monochromatique se succédant à partir de la frange centrale numérotée 0 dans l’ordre 0, 1, 2, 3, 2, 1, 0; si les battements ont lieu toutes les 7 franges (c’est le cas de la lumière dichromatique que nous emploierons et qui est donnée par l’étincelle entre électrodes de magnésium), on aura à première vue l’impression que les franges se sont succédées dans l’ordre 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Mais il suffira de compter les franges dans l’intervalle d’un battement pour voir qu'il y en 6 et non pas 7: il y a là un avantage de la lumière du magnésium que nous emploierons et dont les battements ont lieu toutes les 6,93 franges, nombre sensiblement entier. De même, on pourrait avoir l’ordre 0, 1, 2, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, avec l’apparence à première vue de l’ordre 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7; mais il y aurait alors 9 franges au lieu de 7 dans l'intervalle d’un battement. Avec l’ordre 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, on compterait 6 franges au lieu de 7; l'aspect en lumière dichromatique diffèrerait alors de celui obtenue avec les ordres précédents, car les franges 3 et 4 sont les seules à s’estomper fortement et les franges, dans ce cas, seraient toutes nettes, sauf celle du numéro 2. Dans chacun de ces trois cas, l’aspect des franges en lumière dichromatique diffère et n’est pas celui qu’on observe avec l’ordre 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Si le doute subsiste, on identifiera les battements par la prise d’un deuxième cliché en lumière dichromatique donnant des battements comportant environ deux fois plus de franges; sur ce cliché, les franges 0, 1, 2, seront nettes, la frange 7 sera estompée; il sera alors possible de trouver la numérotation de chaque frange. Avec la lumière dichromatique due à létincelle du magnésium, les battements

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diffèrent un peu d'aspect et il est assez souvent possible de les identifier sans

recourir à celle méthode.

Ces erreurs, dues à un changement de sens dans l’ordre de numérotation des franges, sont impossibles : 1° si on observe à l’œil l’évolution des franges et si on consulte une série de clichés pris à des vitesses progressivement croissantes et rangés dans l’ordre de croissance des vitesses; 29 si les franges avant l'écoulement sont nombreuses et rangées dans l’ordre naturel 0, 1, 2, 3, 4, etc., car alors un changement de sens de numérotation se traduit le plus souvent par un écarlement plus grand entre 2 franges, toujours par lapparition de franges dans Cet écartement, et aussi par l'apparition probable de franges formant des courbes fermées, ce qui, par ailleurs, facilite grandement leur identification; 3° si on essaye, à partir des franges sûrement identifiées, une numérotation arbitraire tenant compte de ce que l’ordre de 2 franges immédiatement voisines diffère au plus d’une unité et peut être le même : il n'y a généralement qu'une seule numérotation acceptable; 4° si on observe à lJœil les colorations des franges en lumière dichromatique dont les battements sont plus faciles à identifier, et même en lumière trichromatique qui donne aux franges des aspects et des colorations plus variées facilitant leur repérage. Malheureusement, il est difficile d’en obtenir des photographies par suite des temps de pose élevés et de la faible finesse de grain des plaques en couleurs.

Au voisinage de parois, l'identification des franges est plus délicate, puisqu'elles disparaissent au contact de ces parois. L’emploi d’une lumière dichromatique donnant des battements de période faible, 3 ou 4 franges, peul faciliter ce travail, mais sa réalisation est malaisée.

Par ces procédés, il est toujours possible d'identifier les franges à condition d'obtenir des battements suffisamment nets, mais la prise de deux ou trois pholographies successives avec des lumières différentes, peut paraître une opération peu commode, et de plus illusoire, s’il s’agit de phénomènes inslables qui ont pu se modifier au cours de ces expériences; il est toujours préférable d'obtenir simultanément ces deux ou trois clichés, et c’est absolument nécessaire s’il s’agit d'obtenir des clichés de phénomènes instables ou très rapidement variables.

L’interféromètre différentiel déjà décrit permet avec quelques modifications d'obtenir simultanément ces mulliples clichés, et presque toujours sur la même plaque photographique. En effet, on a vu (page 23, figure 11) que les images L et 1, fournissent des systèmes de franges presque identiques (sur nos clichés de repos, ils diffèrent de 1/4 de frange); on éclaire donc l’interféromètre en lumière dichromalique, on laisse passer la lumière de ces deux images au travers de deux diaphragmes, et l’on dévie légèrement le faisceau de l’image dichromatique au moyen d’un prisme achromatique (cette déviation est indispensable, car les deux images qui se forment sur la plaque photographique coincident) ; l'autre faisceau, de préférence celui de l’image I, qui fournit les meilleures franges, est rendu monochromatique par l’interposition d’un écran convenable et fournit le cliché de mesure; il ne comporte aucun prisme pour éviter une déformation et aussi une perte de lumière qu'il est préférable de faire porter

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sur l’image dichromatique trop lumineuse, et dont on diminue artificiellement l'éclairement au moyen d’un écran convenable. La distance entre les deux images I, et I, est au plus égale à deux fois le dédoublement A, soit 2x 13 mm dans nos expériences, et le plus souvent il suffit d'approcher l'appareil photographique de ces images pour que les deux faisceaux correspondants passent dans l’objectif; s’il n’en est pas ainsi, on oriente le prisme de façon à ce que les deux faisceaux se coupent et on place l'objectif dans la région commune à ces deux faisceaux. On obtient ainsi simultanément et sur la même plaque un cliché en lumière monochromatique et un cliché en lumière dichromatique, cela suffit à repérer les franges autour d’une aile d'avion dans presque tous les cas

(fig. 21).

Si l’on a besoin d'un troisième cliché en lumière polychromatique ou dichromalique, on emploie une deuxième source, placée au voisinage de la

A nil Ro que

Ecran UG2

Ecran à fade

Parsme chromatique f

Fig. 21. — Obtention de 3 clichés simultanés. 1° En lumière monochromatique, 2° En lumière dichromatique. 39 Cliché strioscopique au centre (voir fig. 34)

première, afin d’oblenir sensiblement le même cliché du tunnel et de l'aile avec un deuxième système d'images [’, el l’,; très voisines des images L et I, précédentes; un diaphragme laisse passer le faisceau .de l’image F, que l’on dévie par un prisme, si possible vers la zone où convergent les deux faisceaux précédemment formés, ceci afin que les trois faisceaux puissent passer par l'objectif d’un même appareil pholographique; si l'on ne peut y réussir, on dévie le troisième faisceau au moyen d’un prisme à réflexion lotale vers un autre appareil photographique. Ce dispositif étant surtout nécessaire pour l'étude de phénomènes très brefs, il faut que la durée des deux éclairements soit très faible et que ces deux éclairements aient lieu au même instant, ce que lon obtient au moyen de deux étincelles électriques placées en série dans un même circuit électrique ou commandées ensemble par une même étincelle pilote (1).

(1) Le dispositif des étincelles pilotes a été utilisé pour l'étude du sillage des projectiles. C'est le projectile lui-même qui déclanche l'étincelle pilote par son passage entre deux électrodes sous tension convenable. Cette étincelle pilote ferme alors le circuit de l'étincelle d'éclairage qui éclate aussitôt après.

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La combinaison des dispositifs interférentiel et strioscopique.

L'image L:, fournie par l’interféromètre différentiel (voir figure 11), peut être utilisée pour obtenir une strioscopie, mais l'examen des clichés d’interférométrie montre que les ondes de choc sont parfaitement visibles : cest qu’en effet on a réalisé le montage strioscopique de Tæpler, avec cette différence que le diaphragme plein C, qui interceptait la lumière, est remplacé par un diaphragme creux qui la laisse passer (la présence de l’interféromètre ne modifie rien, puisque les rayons interférents se recombinent, et cet appareil agit comme un miroir épais qui fournirait la série des images I, L, L, etc.), et lorsque des rayons sont déviés, ils sont arrêtés, ce qui se traduit sur le cliché strioscopique par une strie noire, là où il y aurait eu une strie blanche : nous appellerons donc celle méthode, strioscopie inversée. Elle est toujours employée simulltanément avec la méthode interférométrique (à moins d'élargir fortement le diaphragme), mais elle peut être employée isolément en laissant passer l’image T, dans un diaphragme convenable et en déviant le faisceau avec un prisme achromatique de petit angle, ou avec un miroir, pour éviter toute coïncidence avec les clichés de franges.

La méthode est donc facile à mettre en œuvre et il suffit d'exécuter un réglage grossier de la position et de la forme du diaphragme, ce qui est un corollaire de la grande résistance aux vibrations de ce dispositif. Si les clichés sont empâtés et confus, il suffit d'employer un diaphragme plus grand pour diminuer la sensibilité et obtenir des clichés plus lisibles.

Pour l'étude d’une aile d'avion, nous avons combiné la striographie inversée et l’interférométrie sur le même cliché. Avec des diaphragmes de 2 à 3 mm de diamètre, les ondes de choc sont très nettes et les franges restent lisibles, même sur des clichés pris en lumière dichromatique. Pour la prise de clichés de maquettes de souffleries supersoniques, nous avons dû prendre des clichés séparés; c'est l’image I, qui a servi d'image strioscopique, car elle ne donne aucune frange d’interférence ainsi que l’image I,, mais elle a sur celle-ci l'avantage d’être plus lumineuse. Le faisceau de cette image est dévié par un prisme ou un miroir, selon le montage de la figure 21. Les deux diaphragmes des clichés d’interférogrammes atteignent alors jusqu'à 15 mm de diamètre el le diaphragme du cliché strioscopique n'a que 1 à 3 mm de diamètre suivant les écoulements étudiés. Si les trois clichés sont pris sur la même plaque, il peut être nécessaire d’affaiblir le cliché strioscopique par l’interposition d'un écran d'Iéna UG2, ce qui fournit en même temps l’occasion d'obtenir une lumière monochromalique évitant les défauts d’achromatisme du prisme.

Les effets de la déviation de la lumière dans l’écoulement.

On conslale sur les clichés d’interférométrie, que lorsque les franges sont trop serrées, elles s’estompent dans une tâche grisâtre. Ce phénomène peut être dû à l’arrêt par le diaphragme de rayons déviés dans l’écoulement ? Dans ce cas, seuls les rayons dédoublés correspondants peuvent former une image dont l'intensité lumineuse sera atténuée et qui ne pourra présenter aucune frange.