Tesla-tronic

7 10 2012

La bobine de Tesla, du nom de son inventeur Nikola Tesla, est une machine électrique fonctionnant sous courant alternatif à haute fréquence et permettant d’atteindre de très hautes tensions. Comme ces tensions sont supérieures à la rigidité diélectrique de l’air, des arcs électriques vont fendre l’air et  jaillir dans toutes les directions tel un éclair.

Le schéma de principe d’une bobine de Tesla est représenté ci dessous.

L’idée de Nikola Tesla a été d’élever la tension d’entrée par deux moyens. D’abord cette tension est amplifiée par une série de transformateurs. Celle ci est multipliée par un facteur correspondant au rapport du nombre de spires de la bobine secondaire et primaire. Ensuite c’est le phénomène de surtension d’un circuit résonant qui accroît la tension à la sortie du circuit.

La mise sous tension du circuit précédent commence par charger le condensateur. Lorsque la différence de potentiel aux bornes de celui-ci est suffisante, il se décharge au moyen d’un arc électrique traversant l’éclateur dans la maille de la bobine primaire. Cette décharge se produisant dans un circuit résonant, elle oscille à haute fréquence. Ainsi la bobine primaire est parcourue par un courant alternatif à haute fréquence et haute intensité.

Or une bobine parcourue par un courant produit un champ électromagnétique dans le milieu qui l’entoure. Ce champ est lui aussi intense et varie à haute fréquence. La variation de ce champ au travers de la bobine secondaire va induire à ses bornes une différence de potentiel proportionnelle au rapport des nombres de spires des bobines secondaires et primaires.

Le circuit secondaire est aussi résonant car l’électrode torique constitue un condensateur. Si sa résonance est accordée avec celle du circuit primaire, la tension de la maille primaire va être amplifiée dans la maille secondaire par le phénomène de surtension. Dès lors la tension aux bornes de la bobine secondaire peut atteindre plusieurs dizaines de milliers de volts. C’est cette tension qui produit les arcs électriques au niveau de l’électrode torique.

Le champ disruptif de l’air varie fortement avec l’humidité mais il est couramment admis que celui ci est de 30 000 V par cm. Cela signifie qu’une différence de potentiel de 30 000 V va produire un arc de 1 cm de longueur. A l’inverse, les arcs électriques longs de plusieurs mètres, comme on peut voir sur la photo ci dessus, nécessitent des tensions de plusieurs millions de volts !

Eric Goodchild and Steven Caton, deux étudiants en école d’ingénieur, se sont lancés dans la construction de deux bobines de Tesla. La vidéo ci dessous montre leur résultat :

Comme on peut l’entendre, ces étudiants ont ajouté la possibilité de modifier légèrement la fréquence de résonance de la bobine en fonction du temps. Ainsi la fréquence de génération des arcs électriques est modulable ce qui permet de produire des sons de hauteurs différentes. Voilà une chaîne hifi pour le moins décoiffante.

Source :

Wikipédia – Bobine de Tesla. (#)

Site de Steven Caton. (#)

Site de Eric Goodchild. (#)

Publicités




Waves de Daniel Palacios

25 08 2012

Dans son oeuvre Waves, Daniel Palacios s’amuse à tromper nos sens. Une longue corde vibre sous l’action de moteurs et occupe l’espace sous forme d’ondes mécaniques et sous forme d’ondes sonores.

Les vibrations de la corde apparaissent sous forme de vagues se déplaçant plus ou moins rapidement. Ce mouvement provient de la persistance rétinienne de nos yeux qui stroboscope les rapides déplacements de la corde. Alors que notre vision nous trompe sur la vitesse réelle du phénomène, l’ouïe n’en fait rien. Le son aigu émit par le déplacement de la corde dans l’air nous met en garde sur la véritable allure du phénomène. Cette confusion des sens créer une oeuvre intrigante pour le spectateur qui se rappelle que nos sens sont faillibles.

Cette oeuvre m’interroge sur un point. Comment se fait t-il que le son produit par la corde change au cours du temps ? L’on sait qu’un corde que l’on fait vibrer en un bout adopte un mode stationnaire qui produit un son unique. C’est la corde de Melde qu’illustre très bien la vidéo suivante :

Qu’est ce qui explique alors que la corde n’adopte pas un unique mode mais oscille entre plusieurs ?

Ce changement de hauteur de son produit peut provenir de plusieurs choses. Tout d’abord la corde n’est pas mise en vibration dans un seul plan mais en rotation par deux moteurs placés aux extrémités. Une légère différence de vitesse de rotation entre les deux moteurs peut faire varier l’excitation des modes stationnaires de la corde. Aussi la dissipation des vibrations de la corde comme le frottement avec l’air est susceptible de transférer de l’énergie d’un mode à un autre, ce qui aurait pour effet de moduler le son émit par la corde. On peut alors même se demander si le passage des gens à proximité de la corde ne serait pas capable d’influencer les modes présents dans les vibrations de la corde. Auquel cas cela rendrait l’oeuvre interactive.

Sources :

Waves – Daniel Palacios. #

Wikipédia – Corde de Melde. #





Ondes de lumière

12 05 2012

Une corde tendue peut vibrer selon plusieurs modes. Compte tenu de la rapidité avec laquelle la corde vibre, il est généralement difficile de distinguer à l’oeil nu entre ces modes. Pour les mettre en évidence, le professeur Sebastien Perlmutter de l’université de Berkley a réalisé les superbes clichés suivants. Ce dernier a attaché des LED de différentes couleurs sur une corde tendue. En réalisant une photographie avec un long temps de pose, on voit clairement apparaître les trois premiers modes d’une corde tendue. Selon l’excitation qu’on impulse à la corde, celle ci présente plus ou moins de points fixes. Ainsi le mode fondamental possède deux points fixes au niveau des points d’attaches. Les modes supérieurs en possèdent un plus grand nombre.

Mais généralement une corde vibre selon une superposition de plusieurs modes ce qui donne un aspect plus chaotique aux vibrations.

Source : Prof. S. Perlmutter of UC Berkeley. #





Les tasses musicales

29 02 2012

L’effet Allasonique se produit avec une tasse dans laquelle on dissout une poudre soluble (café ou chocolat en poudre par exemple). Lorsque l’on frappe le fond de cette tasse avec une petite cuillère, il se produit un son. Ce qui est surprenant, c’est que en frappant le fond de la tasse de manière régulière, le son émis semble varier en fréquence. Ce phénomène est visible sur la vidéo suivante :

On entend bien que le son émis monte dans les aigüe au cours du temps. Comment interpréter cette modification de la hauteur du son émis alors que la fréquence du forçage imposé par la cuillère reste identique ?

Commençons par se pencher sur l’origine du son entendu. Le choc de la cuillère sur la tasse fait vibrer la tasse et donc le liquide. Il s’installe alors une onde stationnaire dans le liquide entre le fond et sa surface. La plus grande longueur d’onde possible pour cette onde est égale à quatre fois la hauteur h de liquide dans la tasse (un point d’amplitude de vibration nulle au fond de la tasse et un point d’amplitude maximale à la surface du liquide). La fréquence correspondant à cette onde stationnaire est celle du son produit. Elle est donnée par la relation suivante :

où v est la vitesse du son dans le liquide. Il nous faut maintenant comprendre pourquoi cette fréquence est susceptible de varier au cours de l’expérience.

L’explication réside dans le fait que la vitesse du son dans un liquide dépend fortement de la présence de bulles d’air. Et il se trouve que la dissolution d’une poudre dans un liquide chaud favorise justement la création de nombreuses petites bulles d’air. Immédiatement après la dissolution de la poudre, la densité en bulle d’air est grande et la propagation du son est ralentit. La fréquence du son est donc relativement faible ce qui correspond à un son grave d’après la relation précédente. Rapidement les bulles s’échappent du liquide et la vitesse du son dans le milieu s’accroît. Ainsi la fréquence du signal produit augmente et le son entendu est plus aigu.

Source :

Wikipédia, Hot chocolate effect. #

Instant coffee effect. #





Son d’une cymbale

6 11 2011

Voici la vidéo ralentie 40 fois d’une baguette frappant une cymbale. Le choc produit une onde sur la cymbale qui se met à vibrer. L’amplitude des vibrations est telle que le fin film d’eau déposé au préalable sur la cymbale est projeté en fines gouttelettes. Ce sont ces vibrations de la cymbale qui sont à l’origine du son entendu.





Le « pop » du pop corn

9 10 2011

Que se cache t-il derrière le « pop » du pop corn ? Comment expliquer que le maïs soit la seule graine à éclater sous l’effet de la température ?

En réalité, il n’existe qu’une variété de maïs capable de produire du pop corn, c’est le maïs à éclater. Cette variété possède une coque très résistante et non poreuse. C’est-à-dire qu’elle empêche la circulation de la vapeur. Ainsi lorsque l’on chauffe un grain de maïs, l’eau qu’il contient se vaporise et la pression à l’intérieur augmente. Elle peut atteindre 9 bars avant que la coque ne cède et le pop corn éclate.

Au moment de l’éclatement, le grain contient de l’amidon ainsi que de petites bulles de vapeur d’eau. Cette mousse sous contrainte s’expand à l’instant où la coque rompt. Contrairement à la mousse d’une bière, celle ci ne va pas s’effondrer avec le temps. En effet lors du refroidissement l’amidon durci et la mousse conserve sa forme. Ceci explique la différence de volume entre les grains de maïs et le pop corn.

Les vidéos suivantes montrent au ralenti de superbes scènes de formation de pop corn :

Ces vidéos permettent d’estimer le temps d’éclatement d’un grain de maïs à 2 ms. On peut donc associer à cet événement une fréquence d’environ 500 Hz. Cette fréquence est audible pour l’homme et elle correspond à des sons graves comme l’est le « pop » du pop corn.

Si le maïs est le seul à pouvoir éclater et produire du pop corn, c’est que les autres graines (riz, blé, etc…) ne possèdent pas de coques non poreuses. D’ailleurs la moindre fissure dans la coque et la graine de maïs n’éclatera jamais. C’est ce qui explique les grains non formés au fond du paquet de pop corn au cinéma.

Source : Wikipédia





Illusion acoustique : La gamme de Shepard

31 03 2011

Ce son crée par Roger Shepard en 1964 donne l’impression d’une gamme qui monte indéfiniment.

Pour comprendre cette illusion on peut considérer l’exemple suivant. Soit un trio de basse comme une trompette, un cor et un tuba. Ils commencent par jouer la même note, disons un do, mais chacun dans une octave différente. Ensuite chaque instrument monte dans la gamme, fa, mi, etc. Lorsque l’on atteint le do de l’octave supérieure, l’instrument qui jouait dans la gamme la plus haute va revenir au do trois octaves plus basse. Ce changement d’octave est étouffé par les deux autres instruments qui continuent effectivement de monter dans la gamme et qui guide l’oreille.

L’explication précédente se résume sur le graphique suivant :

Chaque diagonale représente les notes jouées par un des instruments au cours du temps. Les traits noirs horizontaux représentent les différentes octaves. On note sur ce schéma que lorsque l’instrument qui joue les notes de la première diagonale (en haut à gauche) atteint le haut de l’octave, il redescend trois octaves au dessous à la note suivante. Ce changement n’est que faiblement perçu par l’oreille car les deux autres instruments montent dans la gamme et cachent cette modification. Ceci est d’autant plus vrai que l’intensité de la note jouée (représentée par la couleur verte pour les fortes intensités et violette pour les faibles) diminue lorsqu’on atteint l’octave supérieure ou que l’on débute l’octave inférieure.

Plus formellement, cette illusion peut être crée en superposant des ondes sinusoïdales séparées par une octave et qui se décalent en fréquence. On module par une gaussienne ces ondes pour que l’effet des fréquences naissantes ou évanescentes ne se fasse trop entendre par l’oreille. La vidéo suivante explicite ces propos.

On observe sur ce graphique l’intensité des ondes sinusoïdales au cours du temps en fonction de leur fréquence. On comprend sur cette vidéo que l’onde la plus intense (celle qui passe par le sommet de la gaussienne) est à tout moment entrain de monter en fréquence. C’est ce phénomène qui donne l’impression à l’oreille que le son écouté est toujours plus aigu.

Encore plus étonnant, si vous réécoutez ce son une deuxième fois, vous aurez l’impression qu’il est encore entrain de monter par rapport à votre première écoute. Cependant c’est bien le même morceau que vous écoutez ! Cette illusion cognitive est l’équivalent acoustique de l’escalier de Penrose sur lesquels ont monte (ou descends selon le sens de rotation) continuellement.