Modes de vibration d'un violon
Méthode de Chladni
Imaginée par le physicien Ernst Florens Friedrich Chladni (1756-1827) lors de ses études sur les vibrations des plaques, elle permet de donner une 'image' du son.
Description :
Cette expérience met en évidence les modes de vibrations d’une plaque.
Un haut parleur émet un signal sinusoïdal à une fréquence définie. Ce signal se transmet alors à la plaque,
que l’on a placée à très faible distance du haut parleur. Si la fréquence du signal est égale à la fréquence d'un mode de vibration de la planche, celle-ci va donc vibrer et s’organiser en zones de fortes vibrations, appelés ventres, séparées par des zones quasi-immobiles, les lignes nodales. Ainsi, si l’on saupoudre la planche de grains de thé (ou sable, café...), ceux-ci vont se diriger naturellement vers les zones de faibles vibrations, c'est-à-dire les lignes nodales, qui vont donc se dessiner clairement, et entre lesquelles se trouvent les ventres.
On peut ainsi visualiser facilement des modes de vibration et déterminer leurs fréquences respectives sans trop de problèmes.
Remarque : Il est préférable de connaître d'avance la répartition spatiale des modes, pour pouvoir placer les supports sur les lignes nodales, afin d’éviter de perturber les vibrations du mode recherché.
Matériel à disposition :
- Une planche à caractériser (Dos de violon et d'alto, tables de violon et d'alto, planches rectangulaires).
- Un sac de thé (ne détériore pas les planches et se déplace
facilement).
- Quatre pieds en fer avec un petit plateau en mousse de hauteur réglable : Pour suspendre la planche au dessus du haut parleur et amortir une partie des vibrations parasites.
- Un générateur de fonction basses fréquences HP 33120A : fourni un signal à la fréquence désirée.
- Un amplificateur audio DENON PMA-500AE.
- Un haut parleur.
- Eventuellement, une paire de boules quies pour le plaisir de nos oreilles.
Montage :
Pour les instruments, il est préférable de placer les surfaces intérieures vers le haut. Ainsi les grains restent plus facilement sur l'intrument, du fait de la concavité. Une fine couche de grains de thé est placée sur la surface de la planche. Les pieds sont réglés pour que le volume d'air entre la planche et le haut parleur soit minimal, ainsi on optimise l’efficacité du montage. Dans la mesure du possible, il est préférable de placer ces pieds sur des lignes nodales. Le signal transmis sera du type sinusoïdal avec une amplitude de 3A.
Protocole expérimental :
-Mettre en marche le GBF et l'amplificateur.
- Se placer à une fréquence arbitraire (Attention à ne pas griller le haut-parleur avec une fréquence non adaptée).
- Augmenter progressivement le volume jusqu'à mettre la planche en vibration (il n’est pas nécessaire d’avoir de grandes vibrations pour observer quelque chose).
-Faire varier grossièrement la fréquence du GBF.
-Si le thé s’organise, c’est que l’on a atteint une résonance.
-Ajuster alors plus précisément la fréquence pour trouver la fréquence optimale, celle où le thé bouge le plus en dehors des lignes nodales. On pourra également ajuster à l’oreille, on entend assez bien certaines résonances.
-A ce moment, ajuster la position des pieds pour qu'ils se trouvent exactement sur des lignes nodales, celle du haut parleur pour qu'il soit sous un ventre et celle du volume si nécessaire.
-Vous avez trouvé un mode, félicitations !
Quelques exemples de modes, les carrés jaunes représentent la position des pieds, le rond rouge le haut parleur et les pointillés, les lignes nodales.
