VIBRATIONS DES SOLIDES, DES LIQUIDES ET DES GAZ

Le son est un mouvement vibratoire.

Les corps sonores sont des corps élastiques, ilont les molécules, sous l'action de la percussion, du frottement ou des autres modes d'ébranlement, exécutent une série de mouvements de va-et-vient autour de leur position d'équilibre. Ces vibrations se communiquent de proche en proche aux milieux environnants, gazeux, liquides et solides, dans toutes les directions, et viennent atteindre l'organe de l'ouïe. Là, le mouvement vibratoire agit sur les nerfs spéciaux de cet organe et détermine dans le cerveau, si la vitesse et l'amplitude des vibrations ont des valeurs convenables, la sensation du son.

Des expériences très simples permettent de mettre en évidence l'existence des vibrations sonores.

Elles sont d'abord fréquemment perceptibles au simple toucher. Si l'on choque, à l'aide d'un morceau de métal ou de Lois, les branches d'une pincette suspendue, on entend un son, et en appliquant les doigts sur les branches on sent mi frémissement très facile à distinguer du mouvement d'oscillation visible. Il en est de même, si l'on fait résonner une cloche, un timbre, un instrument de musique d'un volume suffisant, si l'on pose, par exemple, les doigts sur la table d'harmonie d'un [liano pendant (ju'on joue de l'instrument. Un tambour, un clairon qui

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passe devant les fenêtres d'une maison, fait frémir les vitres des croisées, et la détonation d'un coup de canon produit un effet semblable à une grande distance. Tiré de trop près, le coup briserait les vitres, mais dans ce cas l'effet produit par l'ébranlement sonore se complique du mouvement de transport et du vide causé dans l'air par l'explosion.

Les vibrations sonores sont visibles dans les cordes et les verges métalliques. Si l'on prend une corde de violon et qu'on

la tende à ses deux extrémités au-dessus d'une surface de couleur sombre — dans les instruments à cordes, cette condition se trouve réalisée, — si l'on provoque alors un son à l'aide d'un coup d'archet transversal ou par le pincement de la corde en son milieu, on voit cette dernière s'élargir des extrémités au milieu, et présenter à l'reil, en ce dernier point (fig. 295), un renflement apparent, dû au mouvement rapide de va-etvient qu'elle exécute. La corde est vue à la fois, pour ainsi dire, dans ses positions extrêmes et moyennes, grâce à la persistance des impressions lumineuses sur la rétine.

Au lieu d'une corde, considérons une verge ou tige métallique flexible fixée à l'un de ses bouts (Tig. 296). En la dérangeant de sa position d'équilibre, on la voit exécuter une série d'oscillations dont l'amplitude va en s'affaiblissant et finit par s'annuler. Pendant toute la durée des vibrations de la tige, on entend un son qui s'affaiblit et s'éteint avec le mouvement même. Les branches d'un diapason qu'on fait résonner oscillent visi-

Fig. 296. — Vibrations transversales d'une tige métallique.

blement, de sorte que l'œil ne distingue pas nettement leurs contours : l'effet des vibrations est le même que dans le cas d'une corde sonore, et la vision confuse qui en résulte tient aussi à la durée de la sensation lumineuse. L'œil voit à la fois chaque branche dans toutes les positions que les vibrations lui font occuper de i)arl el d'autre do sa ])osition d'équilibre.

Une cloche de cristal, un timbre métallique, dont on frotte le bord avec un archet, rendent des sons souvent très éner-

VIBRATIONS DES SOLIDES

giques : on constate aisément Texistence des vibrations qui leur donnent naissance. Une tige métallique dont la pointe effleure le bord de la cloche , est choquée par le cristal de coups secs et répétés, et le bruit qui en résulte se distingue nettement du son que rend le vase (hg. 297). La boule d'un pendule en contact avec le bord de la même cloche est renvoyée avec force et oscille pendant toute la durée du son. De même une bille métallique, posée à l'intérienr d'un timbre, sautille quand ce

Fig. 297. — Vibrations d'une cloche.

dernier résonne (fig. 298) et accuse ainsi l'existence des vibrations dont les molécules du corps sonore sont animées.

Outre les vibrations dont le sens est perpendiculaire à leur longueur, et qu'on nomme pour cette raison vibrations transversales, — ce sont celles dont il vient d'être question, — les cordes, les verges métalliques, les tiges de bois, de verre ou d'autres substances élastiques, exécutent encore des vibrations longitudinales, qui peuvent être rendues sensibles par des moyens semblables à ceux qu'on vient de décrire. Prenons, par

exemple, une lige de fer ou un tube de verre, dont l'un des bouts est fixe, et frottons-les dans le sens de la longueur à l'aide d'un morceau d'étoffe enduit de colophane : un son se produit: Si une bille formant pendule est préalablement mise en contact avec le bout libre de la tige ou du tube, on la verra s'élancer et osciller pendant toute la durée du son : le mouvement de la bille s'effectuera sur la prolongation de l'axe de la tige ou du

Fig. 298. — ViliiMlions d'un timbre sonore.

tube; il sera longitudinal, comme les vibrations qui le produisent.

L'instrument de Trevelyan, dont nous avons parlé plus haut et à l'aide duquel on obtient des sons par le contact de deux corps solides à des températures inégales, permet aussi de rendre sensible à la vue l'existence des vibrations sonores (fig. 299). En plaçant en travers, sur le berceau métallique, une barre terminée par deux boules, le poids de celte barre rend les vibrations plus lentes, et ou les suit des yeux dans le

VIBRATIONS DES SOLIDES

balancement alternatif qu'exécutent la baguette elles boule&. Tyndalla imaginé un moyen fort ingénieux de mettre ces vibrations en évidence. Pour cela, il fixe au centre du berceau un petit disque d'argent poli, sur lequel il projette un faisceau de lumière électrique. La lumière réfléchie sur ce petit miroir va tomber sur un écran, et aussitôt que le fer chaud se trouve en contact avec la masse froide du plomb, on voit le reflet de lumière se balancer ou osciller sur l'écran.

On peut prouver, en étudiant les effets de la chaleur, que la cause des oscillations du berceau, dans l'instrument de Treve-

Fig. 299. — Instrument de Trevelyan.

lyan, est due à la dilatation momentanée du plomb aux points où ce métal est successivement en contact avec le fer chaud ; cette dilatation brusque donne lieu à la formation de bourrelets qui naissent au contact, puis disparaissent aussitôt que ce dernier cesse et qui font basculer le berceau à droite ou à gauche (fig. 300). Il en résulte une série de ^/ /' W^T

petits chocs assez multipliés pour Fig 300 - Oscillation du berceau ^ r r dans 1 instrument de Irevelyan.

produire un son. L'expérience peut

se faire avec une simple pelle à feu, dont on fait chauffer le manche, et qu'on pose en équilibre sur deux lames de plomb serrées dans un étau (fig. 301).

Nous verrons plus loin .d'autres preuves de l'existence de ces mouvements moléculaires, quand nous décrirons les procédés employés pour mesurer le nombre des vibrations. Nous avons d'ailleurs déjà dit que, le plus souvent, quand un corps solide

produit un son, le mouvement vibratoire est rendu sensible par le frémissement que la main éprouve au touclier.

Fiït. •^>01. — Expérience de Trevelyan simplifiée pai" Tyndall

Jusqu'ici, nous n'avons considéré, pour les mettre en évidence, que les vibrations des corps solides. Mais celles que la

production ou la transmission du son détermine dans les masses liquides et dans les gaz, peuvent être également rendues

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visibles. Un verre à moitié rempli d'eau vibre comme la cloche dont il vient d'être question, lorsqu'on en frotte les bords, soit avec le doigt mouillé, soit avec un archet. De plus, on voit alors, sur la snrface du liquide, une multitude de stries, qui se partagent en quatre, quelquefois en six groupes principaux, et ces stries sont d'autant plus serrées que le son est plus aigu (fig. 502). Si l'on force l'intensité du son, l'amplitude des vibrations devient si vive que l'eau jaillit de chaque groupe en pluie fine.

Enfin, si l'on adapte à une soufflerie un tuyau sonore dont l'une des faces est transparente, on peut constater les vibrations de la colonne d'air intérieure de la façon suivante : On suspend à l'aide d'un fil un cadre recouvert d'une inembraiie tendue à l'intérieur du tuyau.

Quand le tuyau résonne, on aperçoit les grains de sable dont la membrane était préalablement recouverte sautiller à la surface, et prouver ainsi l'existence des vibrations de la colonne gazeuse, transmises à la membrane elle-même et aux

grains légers dont elle est saupoudrée j^j, 505. - Vibrations de la

(fig. 505). Nous avons vu que les vibra- colonne gazeuse d'un tuyau \ / sonore.

tions de l'air ont quelquefois une grande

énergie, puisque les vitres frémissent, et même se brisent dans le voisinage d'une détonation un peu forte, comme celle d'une pièce de canon.

Yoilà donc un fait fondamental parfaitement démontré par l'expérience. Le son résulte des mouvements vibratoires qu'exécutent les corps élastiques, solides, liquides ou gazeux, vibrations qui se transmettent à l'organe de l'ouïe par l'intermédiaire des divers milieux qui séparent ce dernier du corps sonore. On comprend dès lors pourquoi le son ne se ])ro})agc pas dans le

vide. Le timbre frappé par le marteau sous le récipient de la machine pneumatique vibre quand même ; mais ses vibrations ne se transmettent plus, ou du moins ne se transmettent qu'imparfaitement par l'intermédiaire du coussin qui supporte l'appareil et de la faible quantité d'air qui reste toujours dans le vide le plus complet qu'on puisse réaliser.

§ 2. LES VIBRATIONS l'ENDUIAIRES.

Les expériences que nous venons de décrire ont mis en pleine évidence ce fait, que le son est dû à un mouvement vibratoire des corps ou des milieux élastiques.

Essayons maintenant d'étudier d'une manière plus intime la nature de ce mouvement, les formes qu'il affecte, selon qu'il s'effectue dans un milieu solide, dans un liquide ou dans une masse gazeuse. Cette étude est l'objet d'une branche de la science, très élevée, très délicate et difficile : nous devrons donc nous borner à donner une idée des faits d'expérience et des principes sur lesquels elle repose.

Considérons d'abord le mouvement vibratoire dans les corps solides élastiques.

Soit une tige ou lame mince, en métal, encastrée ou fixée par une de ses extrémités. En la dérangeant de sa position d'équilibre, ce qui change en ligne courbe la ligne droite qu'elle formait, puis l'abandonnant à elle-même, elle va faire une série d'oscillations, et il en résultera la production d'un son, dont la hauteur et l'intensité dépendront du nombre des oscillations et de leur amplitude. Comment s'exécutent ces oscillations ou vibrations?

Au moment oii la main qui a écarté la tige de sa position rectiligne d'équilibre, l'abandonne, la vitesse d'un quelconque des points de cette tige, de son extrémité par exemple, est nulle (fig. 504) ; puis cette vitesse va aller en augmentant jusqu'à ce que la tige soit revenue à la position verticale, c'est-àdire à son point de départ ; à ce point elle est maximum ; elle