Etudes expérimentales de vibrations sonores
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De même, une colonne d’air excitée n’émet que certains sons.
L'étude expérimentale des vibrations sonores peut se faire :
• par stroboscopie ;
• par l'utilisation d'un microphone ;
• par l'utilisation d'un haut-parleur.
Comment, expérimentalement, mettre en évidence et caractériser ces modes de vibration et d’excitation?
Une force magnétique de Laplace impose alors à la corde un déplacement vertical qui dépend du sens du courant.
Lorsque la corde vibre, elle le fait à la même fréquence que le courant qui la traverse.
L’ensemble microphone–oscilloscope (facultatif), permet de détecter les sons peu audibles.
• On observe que pour certaines valeurs de la fréquence, la corde vibre et émet un son audible.
Ces fréquences sont toutes des multiples d’une même valeur, f1 :
• La corde parcourue par un courant alternatif de fréquence f égale à un multiple de fois la fréquence d’oscillation libre f1 du fil, se met à vibrer avec une très forte amplitude : elle émet un son de plus grand intensité. C’est un phénomène de résonance. Chaque fréquence qui met en vibration le fil correspond à un mode propre caractérisé par sa fréquence propre.
Application :
Pour ces valeurs de fréquences, la corde 2 vibre-t-elle ?
La deuxième corde ne vibre pas pour les mêmes valeurs de fréquences de la première corde, mais pour des valeurs différentes.
Conclusion :
L’expérience 1 a mis en évidence qu’une corde tendue possède différents modes de vibration qui sont à l’origine de l’émission de sons : les modes de vibration fondamental et harmonique. Ces différents modes sont caractérisés par leur fréquence : la fréquence la plus faible (f1) qui correspond au mode de vibration fondamentale, les autres (fn) qui correspondent aux modes de vibration harmoniques, et qui sont des multiples du fondamental.
L’expérience 2 a mis en évidence que chaque corde possède des fréquences de modes de vibration qui lui sont propres.
Eclairée par le stroboscope, la corde parait immobile lorsque fe est égale à f1 ; la corde parait osciller lentement lorsque la fréquence fe est inférieure ou supérieure à f1.
Progressivement, on fait augmente la fréquence du stroboscope fe.
• On observe que pour fe inférieure à fn, certains points de la corde restent immobiles (les nœuds), d’autres varient d’amplitude, puis pour fe égale à fn la corde semble immobile et présente des nœuds et des ventres (amplitude maximale).
Aspect de la corde pour fe inférieure à f1(a) et pour fe égale à f1 (b) :
• On observe une onde stationnaire apparemment immobile à 1 fuseau lorsque f = fe, à 2 fuseaux lorsque f = 2fe, à 3 fuseaux lorsque f = 3fe, etc.
On en déduit que les autres modes de vibrations ont des fréquences multiples entiers de la fréquence fondamentale.
Conclusion :
Lorsque la corde vibre, elle présente un ou plusieurs fuseaux dont les extrémités sont immobiles. Ce sont les nœuds de vibration. Le milieu du fuseau correspond à la vibration maximale de la corde. Ce point s’appelle le ventre de vibration.
Lorsqu’une corde vibre sur le mode de rang n, son aspect présente n fuseaux.
• On observe que la colonne d’air émet un son plus fort que les autres pour certaines valeurs de fréquences. Ces fréquences sont toutes des multiples d’une même valeur , f1 :
• On observe que la colonne d’air n’émet pas de sons plus forts que les autres pour les valeurs de fréquences de vibration de L1, mais elle vibre pour d’autres valeurs de fréquences.
Conclusion :
L’expérience 1 a mis en évidence qu’une colonne d’air excitée possède différents modes de vibration qui sont à l’origine de l’émission de sons : les modes de vibration fondamental et harmonique. Ces différents modes sont caractérisés par leur fréquence : la fréquence la plus faible (f0) qui correspond au mode de vibration fondamental, les autres (fn) qui correspondent aux modes de vibration harmoniques, et qui sont des multiples du fondamental.
L’expérience 2 a mis en évidence que chaque colonne d’air possède des fréquences de modes de vibration qui lui sont propres.
On peut mettre en évidence, expérimentalement, les modes propres de vibration d’une corde et d’une colonne d’air.
Une corde tendue peut vibrer, si la tension sinusoïdale appliquée à chaque extrémité de cette corde a une fréquence qui correspond à un de ses modes propres de vibration.
On peut retrouver ces fréquences en utilisant la stroboscopie. On augmente la fréquence du stroboscope jusqu’à observer l’immobilité apparente de la corde. Dans ce cas, la période (ou la fréquence) du stroboscope, Te, est un multiple de la période (ou de la fréquence) de vibration de la corde, T : Te = k x T.
Par stroboscopie, quand la fréquence du stroboscope est égale à un multiple de celle du mode fondamental de la corde, on peut observer les nœuds (points immobiles) et les ventres (points d’amplitude maximum) de la corde.
Une colonne d’air peut vibrer, si la tension appliquée au haut-parleur situé à l’extrémité de la colonne a une fréquence qui correspond à un de ses modes propres de vibration.
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