HAL Id: jpa-00233710
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00233710
Submitted on 1 Jan 1939
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Forme et propagation des ondes sonores dans un espace limité par des surfaces absorbantes
Jacques Brillouin
To cite this version:
Jacques Brillouin. Forme et propagation des ondes sonores dans un espace limité par des surfaces absorbantes. J. Phys. Radium, 1939, 10 (12), pp.497-503. �10.1051/jphysrad:019390010012049700�.
�jpa-00233710�
FORME ET PROPAGATION DES ONDES SONORES
DANS UN ESPACE
LIMITÉ
PAR DES SURFACES ABSORBANTES Par JACQUES BRILLOUIN.Sommaire. 2014 L’auteur examine au moyen de l’équation générale du potentiel des vitesses divers
problèmes de propagation et de vibrations forcées dans des espaces limités par des surfaces absor- bantes. L’absorption est définie par l’impédance de la surface limite.
Cet examen montre l’existence, dans les espaces limités par des plans, d’ondes planes non uniformes de structure spéciale : vibration elliptique dans un plan contenant la direction de propagation, amplitudes
suivant une loi exponentielle dans la direction du plan d’onde contenant les trajectoires elliptiques,
uniformité dans la direction du plan d’onde normale au plan des trajectoires, vitesse de phase et vitesse
de propagation de l’énergie égales entre elles et inférieures à la vitesse du son.
Ces ondes jouent, dans les espaces considérés, le rôle tenu par les ondes planes uniformes dans les espaces limités par des plans rigides.
Le calcul donne enfin pour les espaces non clos les différentes formes d’onde progressives, avec leur
vitesse de phase et leur affaiblissement, pour les espaces clos, les vibrations forcées.
1. Position des
problèmes
traités.Définition
dela surface absorbante. - Nous nous sommes limités
au cas où les surfaces absorbantes
peuvent
êtrereprésentées
par des conditions de la formeoù p est la
pression acoustique, v,,
lacomposante
normale à la
paroi, prise
versl’extérieur,
de la vitesse vibratoire et Z uneimpédance complexe.
Cette condition
signifie
que laparoi réagit
commesi elle était formée de
petits pistons jointifs
indé-pendants
les uns des autres. Cettesupposition
estraisonnable dans le cas de la
plupart
des matériaux absorbantusuels, qui agissent
par leurporosité.
Elle ne
peut,
enrevanche,
servir àreprésenter
uneparoi
dont la surface soitsusceptible
de restituerà distance
l’énergie
sonorequ’elle reçoit
du milieufluide.
Espaces
considérés. - Nous examinons le casd’un
demi-espace
limité par unplan,
del’espace compris
entre deuxplans parallèles,
destuyaux
desection
rectangulaire
etcirculaire,
de la salleparal- lélipipédique.
Dans ce dernier cas ce n’estplus
unproblème
depropagation,
mais de vibrations forcées.2. Méthodes de calcul. - Ces méthodes dérivent de celles
qui
sont utilisées dans le casd’espaces
limités par des
parois rigides.
L’une, largement développée
par lordRayleigh (Theory
ofSound)
etemployée
par monpère (1)
(1) Marcel BRILLOUIN, Propagation anormale des sons aigus dans les tuyaux larges, Congrès international de Physique, 1900,1, p. ?46; Sur la propagation du son dans les gros tuyaux cylindriques, à propos des expériences de Violle et Vauthier, Annales de Chimie et Physique, 8e série, 1906, 8, p. 443.
en I goo pour l’étude de la
propagation
et de ladispersion
du son dans lestuyaux larges,
consisteà
partir
del’équation générale
dupotentiel
desvitesses et à chercher les solutions sous forme d’ondes
planes
non uniformes cheminantparallèle-
ment aux surfaces limites.
L’autre, plus géométrique
etplus intuitive, s’applique
aux espaces limités par desplans
rectan-gulaires.
Onpart
d’ondesplanes
uniformes d’inci-dence
oblique
que l’on groupe deux à deux(onde
incidente et onde
réfléchie)
de manière à annuler surles
plans
limite lacomposante
normale de la vitesse vibratoire. On trouvera unexemple
de cetteméthode, appliquée
à desproblèmes électriques,
dans diversarticles de mon
frère,
Léon Brillouin(2).
Nous avons conduit nos calculs par la
première
méthode. Elle
permet
d’ailleurs aisément de trouver lesdécompositions
en ondesobliques,
et montreque, sauf dans le cas où il
n’y
aqu’un plan limite,
ces ondes ne sont pas
uniformes,
mais sont dutype spécial
que nous avons décrit sous le nomd’ondes S dans un
précédent
article(3).
Ces ondes
jouent
un rôleimportant
dans tous lesproblèmes
concernant les espaces limités par desplans
absorbants. D’autrepart
elles ont pour forme (2) Léon BRILLOUIN, Revue gén. de l’Électricité, 1936, 40, p. 22~; Electrical Communication, 1938, 16, p. 350; Bulletin Soc. f r, des Électriciens, 1938,9, p. 899.Signalons enfin, dans la Revue d’Acoustique, 1 939, vol VIII, fasc. 1-3 : Léon BRILLOUIN, Le tuyau acoustique comme filtre passe-haut, p. i. - Jacques BRILLOUIN, Propagation d’ondes
sonores plaines au voisinage d’un plan absorbant, p. 97.
Et d’intéressants travaux expérimentaux ; H. E. HARTIG et C. E. SwANSON, Transverse acoustic wawes in rigid Tubes, Phys. Rev., 1938, 54, p. 618. - F. V. HUNT, Investigation
of Room Acoustics by Steady-State Transmission Measu- rements, Journ. of the acoustical Soc. of --Imerica, janvier 1939, p. 2 ~ 6.
(3) e f . Revue d’Acoustique, p. 104 et figure p. 99.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019390010012049700
498
limite l’onde
plane uniforme,
de sortequ’une
décom-position
en ondes Sobliques
tend vers ladécompo-
sition
classique
en ondes uniformeslorsque l’impé-
dance des
plans
limite tend vers l’infini(plans rigides).
Nous commencerons donc par donner la forme
générale
del’équation
de ces ondes et ladescription
de leurs
propriétés.
3. Les ondes S. -
L’équation générale
dupotentie
des vitesses étant
on
peut
lasatisfaire -par
une solution de la formeoù
°1’ ~~, °3
sont desquantités complexes.
Posantalors il vient entre ces divérses quan-
tités,
les relationsUn
changement
d’orientation des axespermet
deréduire la forme
(2)
à la formenous nommerons
caractéristique
de l’onde l’archyper- bolique ! qui
détermine sa vitesse dephase
et larépartition
desamplitudes
dans la direction des y.L’onde
générale (2)
est donc une ondeoblique
dutype (4).
Cette dernière se propage sans déformation dans le sens ox avec une vitesse de
phase
W = 1.
"
chL 1
in f érieure
à la vitesse du son V.’
L’onde est uniforme dans le sens oz.
Les
composantes
de la vitesses vibratoire sontet les
composantes
dudéplacement
Les
trajectoires
sont donc desellipses
situéesdans des
plans parallèles
à Leurgrand
axeest
parallèle
à ox(direction
depropagation)
et leurpetit
axe à oy(direction
denon-uniformité).
Lerapport
des axes estth ~.
Tous les
points
duplan
d’onde ont donc des vibra-tions
elliptiques
enphase
dontl’amplitude
suit dansle sens oy une loi
exponentielle,
et est constante dansle sens oz. Le sens de parcours est
indiqué
sur lafigure.
Les
pressions acoustiques
sontet sont donc en
phase
avec lacomposante longitu-
de la vitesse vibratoire. Le maximum de
pression
seproduit quand
lesparticules passent
à l’extrémité A du
petit
axe de leurtrajectoire,
c’est-à-dire
quand
la dilatation dans le sens trans- versal oy est maxima.Lorsque ~
tend vers zéro l’onde tend vers l’ondeplane
unif orme. ’La densité moyenne
d’énergie
estIl est aisé de voir que
l’énergie
se propage dans le sens ox. En considérant uneparoi
normale ausens de
propagation
etd’impédance
qui
absorbe totalementl’onde,
on trouve que lavitesse de
propagation
del’énergie
estégale
à lavitesse de
phase 20132013’
Fh- 17, T/- *Le flux
d’énergie à
travers une surface dS normale à la direction depropagation
est donc499 De telles
ondes, évidemment,
ne sauraient avoird’existence
physique
dans un espaceillimité,
carcela conduirait à y admettre des
amplitudes
indé-finiment croissantes avec -
y.
Nous avons montré
qu’on peut
limiter ces ondesdans cette direction par des
plans
douésd’absorp-
tion totale. Les ondes S
peuvent
donc exister dansun
demi-espace
limité par unplan
absorbant.4.
Propagation
lelong
d’unplan
absorbant. - Leplan
absorbant est leplan L’espace
considéréest celui des z
positifs.
Nous nous limitons auxsolutions
ayant
la forme d’ondesplanes
uniformesen y, non uniformes en z, cheminant vers les x croissants avec une vitesse de
phase
W et un affai-blissement a.
Nous écrivons alors le
potentiel
des vitesses sousla forme
, fi) B.
et la condition à la limite
D’où,
pour déterminer F(z), l’équation
et la condition pour Z = 0
Appelant
a2 laquantité
entrecrochets,
facteurde F dans
(12),
les solutions sontet la condition
(13)
donneL’onde définie par ces conditions est la résul- tante de deux ondes S
obliques,
l’uneincidente,
l’autre
réfléchie,
d’incidence p, decaractéristique §
et il vient
Il est aisé de voir que
C, 1 représente le coefficient de réflexions des amplitudes. Le coefficient de réflexion des énergies est alors, en posant
et le coefficient
d’absorption
On a
réflexion
totale si A = o, c’est-à-dire siSi donc on se donne le
plan
absorbant(~)
et lacaractéristique v
del’onde,
on pourratoujours
trouver un
angle d’incidence (Dcompris entre. - § et + )
122pour
lequel
il y aitabsorption
totale.Si ~ > o ( Y > o)
cpet ~
seront designes contraires,
c’est-à-dire que l’onde incidente aura desampli-
tudes indéfiniment croissantes
lorsqu’on s’éloigne
du
plan
limite.Si ~
o(Y o)
pet à
sont de mêmesigne,
l’onde aura des
amplitudes
décroissanteslorsqu’on s’éloigne
duplan
limite.Pour i =
o(onde plane)
on trouve la conditionc’ est-à-dire :
Soit ~
= o(X
= o,paroi
sansviscosité,
cequi
est
évident).
Soit (p = o incidence rasante. Il faut alors remarquer que l’onde incidente et l’onde réfléchie sont en
opposition
dephase.
L’onde résultante est évanouissante.Il y a
doncincornpatibilité
entrel’existence d’un
plan
absorbant et d’une ondeplane uniforme
cheminant sous incidence rasante lelong
de ce
plan.
’
L’absorption
totale nécessite que dans(17)
lesdeux carrés
composant
le numérateur soient nuls.On en tire les conditions suivantes :
Pour §
= o(onde uniforme)
il vienttg ~
= o( Y =
o,paroi
purement visqueuse),
Si le
plan
absorbant estdonné,
les formules(19) permettent
de calculer la valeurde ~
et cellede cp correspondant
àl’absorption
totale.Éliminant
o ilvient,
pour déterminer~,
qui
donnetoujours
pour une racinepositive
) (1) C’est par erreur que nous avons donné une autre valeur dans un précédent article.
500
unique.
est donc déterminé ausigne près.
Lapremière
condition(19)
détermine alors la valeur de pcorrespondante.
Lechangement
designe de
entraîne celui de 9. On pourra donc
prendre
9 entre zéro et ’-‘ ~ *A
chaque plan
absorbant.correspond
donc uneonde S
unique
et une incidenceunique
pourlesquelles
il y a
absorption
totale.5.
Propagation
entre deuxplans
absorbantsparallèles.
- Cesplans
seront lesplans z
=z’, z
- z"avec z’ > z". Leurs
impédances respectives
sontZ~;
et
Z;.
Les conditions aux limites deviennent
nous nous limitons aux ondes
planes
uniformes en ~,non uniformes en z, normales à ox et cheminant vers
les x
positifs.
6b
prend
alors la forme(12),
F(z)
la forme(14)
et les conditions aux limites donnent
d’où,
pour déterminero, l’équation
transcendanteLa résolution de
l’équation
transcendante(22)
nous donnera
donc,
pourchaque
valeur de 5>, uneinfinité de racines _
0’ + j a’,
d’où nous tirerons les formes d’ondepossibles,
leurs vitesses dephase,
leurs affaiblissements.
Se
reportant
à la valeur de ~2[équation (12)]
on trouve en eff et
a2 et
- )
sont donc les deuxracines,
l’unepositive,
l’autrenégative,
del’équation
du seconddegré
en uLa forme
(14)
deF(z)
montre que l’onde est le résultat de lasuperposition
de deux ondes Sobliques
de
caractéristique ~
etd’incidence iD
aisément cal- culables.Ainsi le cas de deux
plans
absorbantsparallèles
est
analogue
à celui de deuxplans rigides, mais,
au lieu de deux ondes
planes
uniformesobliques,
ce sont deux ondes S
obliques
que l’on devraassocier,
et
qui
fourniront une onde résultante sepropageant
avec une vitesse de
phase
qui
pourra être inférieure àV,
et un affaiblisse- mentque la structure des ondes S
indique
clairement.Dans le cas ou les deux
plans
ant la mêmeimpé-
dance
Z,,
nous poserons z’ = zQ, z" _- z,. La condi- tion(22)
donne alors :soit
d’où soit
d’où
Nous
appellerons
lespremières
solutionspaires
et les secondes
impaires,
car, pour Z === oc;(plan rigide),
elles donnentrespectivement
les valeursclassiques
Remarquons
que, pour les solutionspaires,
leplan z
= o est unplan
desymétrie
etqu’on
y a
a F
= o, c’est-à-dire que la vitesse vibratoire d z;normale à ce
plan
est nulle. Onpeut
donc le rem-placer
par unplan rigide.
Les solutions
paires
sont donc les solutions duproblème
depropagation
entre unplan rigide
z = oet un
plan
absorbant z = z,.Les
équations (25)
et(26) peuvent
s’écrire sousune forme sans dimensions
qui
sera utile pour une discussion.Posant
et,
A étant lalongueur
d’onde(en
espacelibre)
duson
considéré,
et enfin
avec
(25)
et(26)
deviennentrespectivement
Lorsque
Z = oo(plans rigides),
nous avons donc1- -
Nous
reportant
auxéquations (23),
nous trouvonsque
c’est la _forme
classique
d’une onde formée parsuperposition
de deux ondesplanes
uniformesobliques,
et sepropageant
sans affaiblissement sousune incidence p, avec
et les
équations (16)
montrentqu’alors
lesystème
stationnaire
représenté
par cette solution est lerésultat
de lasuperposition
de deux ondes S d’in- cidence normale((p
=o), qui
donnent bien~
étant déterminé par la relationPour une valeur de 1. donnée il y a donc deux groupes de
phénomènes,
les unsprogressifs
se pro-pageant
sansaffaiblissement,
les autres station- naires etcomportant
un affaiblissement dans le sensdes x.
Ce résultat subsiste tant que les
impédances
desplans
limites sontpurement imaginaires (parois
sans
viscosité).
Il est évident en ce casqu’il
nesaurait y avoir
propagation
avecdissipation d’énergie.
Les solutions 6
complexes,
s’il s’entrouvait,
seraientincompatibles
avec les conditionsphysiques.
Larelation
(22) peut
alors donner à soitréel,
soit ima-ginaire
pur, les deux cas entraînant soit W finiavec a = o
(ondes progressives
sans affaiblisse- ment résultant de lasuperposition
de deux ondesplanes
uniformesobliques),
soit W = oc aveca ~
o(phénomènes
stationnaires résultant de la super-position
de deux ondes S d’incidencenormale).
Si l’une au moins des
impédances Z’;, Z’.’,,
contientun terme réel
(viscosité), (22)
montre que les solu- tions à sontcomplexes.
Dans ce cas(24), qui
donne a2et
- -‘~~.,
a deux racines designes
contraires. Il y a donctoujours
à la foispropagation
et affaiblis-sement.
Ainsi
l’apparition
de la viscosité sur lesparois
a deux
conséquences :
lapremière, qui
estintuitive,
est d’introduire dans les ondes
progressives
unaffaiblissement en cours de
propagation,
c’est-à-dire de transformer en ondes S les deux ondes uni- formesobliques
dont lasuperposition
forme l’ondeconsidérée;
la seconde est de rendreprogressifs
lesphénomènes stationnaires,
c’est-à-dire de rendreobliques
les deux ondes S d’incidence normalequi
les
composaient.
6.
Propagation
dans untuyau
de section rectan-gulaire.
- Lesplans
limitant letuyau
seront :Employant toujours
la même méthode de décom-position
nous écrirons2013(
( , w j
IY( fl9 )
et nous trouverons
avec, pour satisfaire à
l’équation générale
dupotentiel
des
vitesses,
.10’ , " ....
52
eta31
pourremplir
les conditions aux limites doivent chacun être racine d’uneéquation
dutype (22). Chaque racine °2 peut
êtreaccouplée
avec
chaque
racine~3
pour former une solutioncomplète.
Ainsi l’onde est le résultat de la
superposition
de
quatre
ondes Sobliques.
L’affaiblissement et la vitesse de
phase
sont alorsdonnées par
(31)
et il vient(.) 2
qui permettent
de calculer a2 et -2013
., commeracines d’une
équation
du seconddegré analogue
à
(23).
Si l’on a Z]
=Z:; ou Z‘.;
=Z"
l’une des conditions(22)
prend
la forme(25)
ou(26).
Les solutions seséparent
502
en
paires
etimpaires, qui permettent
de traiterle cas où certaines
parois
dutuyau
sontrigides.
Comme dans le cas
précédent,
si lesparois
sontsans
viscosité,
les solutions se divisent en deux groupes : ondesprogressives
sansaffaiblissement, phénomènes
stationnaires résultant de la combi- naison dequatre
ondes S normales auxparois.
Siles
parois
ont de la viscosité toutes les solutions sont des ondesprogressives
avec affaiblissement.7.
Tuyau
de section circulaire. - Lepotentiel
des vitesses
s’écrit,
en coordonnéespolaires
r, 9prises
autour de l’axe ox dutuyau,
et la condition à la
limite,
si ro est le rayon dutuyau,
’B--Y- 1-
On
prend pour 4J
la formeclassique
on trouve alors
J n étant la fonction de Bessel d’ordre n et la condi-
tion
(33)
donne -qui,
avec les mêmes notations queprécédemment
dans
lesquelles
r,remplace zo, prend
la forme sansdimensions
8.
Tuyaux
étroits. - On obtient lerésultat, qui
est celui de la théorie élémentaire
(tuyaux souples,
de
Helmholtz;
coups debélier),
où l’on considèreune tranche comme animée d’un mouvement d’en-
semble,
en confondant dans(22), (25)
ou(26)
latangente
avecl’angle,
ou, dans le cas dutuyau
desection
circulaire,
enposant
9. Vibrations forcées des espaces clos. Salle
parallélépipédique.
- La recherche des sons propresd’espaces
clos par des surfaces absorbantes(1)
conduit à poser
(1) Voir, par exemple, SCHUSTER et WAETZIANN, Uber
den Nachhall in geschlossenen Raumen, Annalen der Physik,
5 folge, Bd 1, Heft 5, 1929, p. 6y.
avec une condition aux limites
qui
donne pour Woù Z est une fonction des coordonnées et de la
pulsation
(ü.On obtient alors deux séries de valeurs : ú) 1
..., 1 ~. de la
pulsation,
et OC2, ..., del’amortissement;
et la série de fonctionsqr1’ ~Y’2,
...,qui
leurcorrespondent.
Ces
fonctions,
contrairement à cequi
se passedans les cas
classiques,
ne sont pas propres à l’étude des états stables de vibrations forcées. Eneffet,
il faut dans ce cas poser
Si l’on
prend
pour Il’ une des fonctions qrkprécé-
demment
déterminées,
les conditions aux limitesne sont pas
satisfaites,
et ce pour deux raisons : lasuppression
du terme ce dans la condition(38),
la variation de valeur de Z en fonction de G~.
L’étude des vibrations forcées
peut
être faite par la voie suivante : si les forces extérieures(sources sonores) agissant
sur l’élément de volumedx, dy,
dz dérivent d’un
potentiel R,
cequi
estgénéralement
le cas,
l’équation
dupotentiel
des vitessesprend
laforme
qui,
si R = doit donner des solutions de lad’où,
pour déterminer les fonc- tions ’Ifl’équation
Nous chercherons les fonctions
W k
satisfaisant àl’équation
où M est la
pulsation donnée,
et dk unequantité complexe
à déterminer de manière à ce queW k
satisfasse à la condition aux limitesA toute valeur donnée de ú),
(41)
et(42)
fontcorrespondre
unesuite W l’ W 2’ ..., Tk
defonctions,
et la suite
correspondante
desquantités dl, d2, ..., dk-
On
décomposera
alorsRo
en série303
sera donné par une autre série
Se
reportant
à(40),
en tenantcompte
de(41),
il vient
et
(42)
montreque -4’
satisfait à la condition auxlimites.
L’étude des aibrations
forcées
doit donc sefaire
au moyen des
équations
tirées de la condition auxlimites
(42), qui
est du mêmetype que les
conditions rencontrées dans lesproblèmes
depropagation,
etnon au moyen des
équations
tirées des conditions dutype (43)
rencontrées dans lesproblèmes
de sons propres amortis._
Nous traiterons le cas à trois
dimensions,
de la Salleparallélépipédique
dontchaque paroi
a uneimpédance
donnée. Nous posonsalors,
commeprécédemment
où les trois fonctions
Fl, F2, F 3
ont la même formeal, d2, a,
étant chacun racine d’uneéquation
dutype (22).
En associant trois valeurs de
al, ô2, Os’
et les trois.
fonctions
FI, F~, F3
nous formerons la fonctionqui
satisfait aux conditions aux limites. Portant Bj’k dansl’équation (41),
nous obtiendrons laquantité complexe d/, qui
luicorrespond
10. Problèmes se rattachant aux
problèmes pré-
cédents. - I,es mêmes méthodes et les mêmes
types
de
conditions,
conduisant auxéquations
trans-cendantes
(22), (25), (26)
et(36), permettent
detraiter les
problèmes
suivants.Tuyaux rigides
étroits ou cordes terminés à leurs extrémités par deuximpédances
Z’ etZ".,
couchefluide mince
comprise
entre deuxplans parallèles rigides,
oumembrane,
limitée par un contourrectangulaire
ou circulaired’impédance ponctuelle
Z.Ces
problèmes
sontalors,
comme celui de la Salleparallélipipédique,
desproblèmes
de vibrations forcées.11.
Classement des ondes,
discussion des résultats.- Ce travail suppose la résolution des
équations
transcendantes
régissant
leproblème étudié, puis
àpartir
du classement desracines,
l’étude du classe-ment des vitesses de
phase
et affaiblissements.Nous l’avons
entrepris
sous la formesimplifiée
- etdéjà
fort laborieuse - deséquations (2G)
et(27),
et en donnerons les résultats dans un
prochain
article.
Manuscrit reçu le io juillet 1939.