Roue de Savart - Savart wheel
La roue Savart est un appareil acoustique nommé d'après le physicien français Félix Savart (1791-1841), qui a été conçu et développé à l'origine par le scientifique anglais Robert Hooke (1635-1703).
Une carte tenue au bord d'une roue dentée en rotation produira un son dont la hauteur varie avec la vitesse de la roue. Un mécanisme de ce genre, fabriqué à l'aide de roues en laiton, a permis à Hooke de produire des ondes sonores d'une fréquence connue et de démontrer à la Royal Society en 1681 comment la hauteur est liée à la fréquence. Pour des raisons pratiques, le dispositif de Hooke fut bientôt supplanté par l'invention du diapason .
Environ un siècle et demi après les travaux de Hooke, le mécanisme est repris par Savart pour ses investigations sur l'étendue de l'audition humaine. Dans les années 1830, Savart a pu construire de grandes roues en laiton finement dentées produisant des fréquences allant jusqu'à 24 kHz qui semblent avoir été les premiers générateurs d' ultrasons artificiels au monde . À la fin du XIXe siècle, les roues de Savart ont également été utilisées dans des enquêtes physiologiques et psychologiques sur la perception du temps .
De nos jours, les roues Savart sont couramment démontrées dans les cours de physique, parfois entraînées et sonnées par un tuyau d'air (à la place du mécanisme de la carte).
La description
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 Démonstration des roues Savart avec différents nombres de dents
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Le dispositif de base se compose d'une roue à rochet avec un grand nombre de dents régulièrement espacées. Lorsque la roue est tournée lentement tandis que le bord d'une carte est maintenu contre les dents, une succession de clics distincts se fait entendre. Lorsque la roue tourne rapidement, elle produit une tonalité aiguë, tandis que si la roue tourne plus lentement, la tonalité diminue progressivement de hauteur. Étant donné que la fréquence de la tonalité est directement proportionnelle à la vitesse à laquelle les dents frappent la carte, une roue Savart peut être calibrée pour fournir une mesure absolue de la hauteur. Plusieurs roues de tailles différentes, portant des nombres de dents différents, peuvent également être fixées de manière à permettre la production de plusieurs pas (ou cordes ) pendant que l'essieu tourne à une vitesse constante.
La roue de Hooke
Hooke a commencé à travailler sur sa roue en mars 1676, en collaboration avec le célèbre horloger Thomas Tompion , à la suite de conversations avec le théoricien de la musique William Holder . Il s'intéressait depuis longtemps aux vibrations musicales , et une décennie plus tôt, en 1666, il s'était même vanté auprès de Samuel Pepys qu'il pouvait déterminer la vitesse à laquelle les ailes d'une mouche battaient d'après le son qu'elles produisaient. En juillet 1681, il fit la démonstration à la Royal Society de son nouveau dispositif pour produire des tonalités musicales distinctes en frappant les dents de roues en laiton à rotation rapide. De cette façon, il a pu générer pour la première fois des ondes sonores de fréquence connue et fournir une démonstration empirique de la correspondance entre la perception humaine de la hauteur et la propriété physique de la fréquence des ondes sonores. De plus, en plaçant différentes roues les unes à côté des autres sur le même axe, il a pu vérifier les rapports de fréquence pour les intervalles musicaux , tels que les quintes et les quartes parfaites , etc.
Hooke a publié ses découvertes en 1705. Bien qu'il fournisse une mesure objective de la hauteur, pour un usage quotidien, sa roue a rapidement été rendue inutile par l'invention en 1711 du diapason .
La version de Savart
L'appareil de Hooke n'a plus été utilisé à des fins d'étude pendant plus d'un siècle. Son utilisation documentée suivante a eu lieu en 1830 lorsque Savart a rapporté son utilisation d'un système similaire à celui de Hooke qu'il a développé tout en enquêtant sur la gamme inférieure de l'audition humaine . La contribution spécifique de Savart a été de fixer un tachymètre sur l'axe de la roue dentée pour faciliter l'étalonnage de la denture. Savart a utilisé sa roue comme une alternative pratique à la sirène de John Robison , qui était également adoptée à l'époque par Charles Cagniard de la Tour pour tester la portée de l'audition humaine. En 1834, Savart construisait des roues en laiton d'une largeur de 82 cm, contenant jusqu'à 720 dents. Ces roues, qui pourraient produire des fréquences jusqu'à 24 kHz , ont été provisoirement proposées comme les premiers générateurs artificiels d' ultrasons .
Utilisation dans les expériences de perception du temps
À la fin du XIXe siècle, la roue de Savart a été adaptée pour être utilisée dans les enquêtes physiologiques et psychologiques de la perception humaine du temps . En 1873, le physiologiste autrichien Sigmund Exner a rapporté la capacité auditive de distinguer les clics successifs de la roue (ou, alternativement, les étincelles électriques rapidement cassées) à des intervalles de temps aussi proches que 2 millisecondes (1/500 sec). Une roue modifiée qui produisait un nombre variable de clics à différents intervalles a ensuite été utilisée par les psychologues américains G. Stanley Hall et Joseph Jastrow , qui en 1886 ont signalé les limites de la perception humaine des discontinuités acoustiques.
Applications musicales et autres
En 1894, l'ingénieur électricien français Gustave Trouvé a breveté un instrument à clavier électrique (ou mécanique) capable de jouer une série de 88 roues Savart de différentes tailles à partir d'un clavier de piano, permettant des accords harmoniques et dynamiques . Le même principe est utilisé dans les orgues électromécaniques modernes , tels que l' orgue Hammond , qui utilisent des roues phoniques .
Le concept a également été adapté pour produire un instrument de musique expérimental créé par Bart Hopkin . Cette application de la roue de Savart consiste en une série de 30 disques en bois de taille croissante montés sur un axe motorisé. Des vibrations rauques sont induites dans un plectre lorsqu'il entre en contact avec les arêtes qui tapissent chaque disque à intervalles réguliers, et sont amplifiées dans une coupelle en polystyrène qui fait office de caisse de résonance . L'instrument est revendiquée pour faire « le plus importun, désagréable et irritant son jamais connu. »
De nos jours, les roues Savart sont couramment utilisées pour des démonstrations lors de cours de physique. Dans une variante, la roue peut être entraînée par un tuyau d'air soufflant sur les dents ; dans ce cas, la hauteur du son produit variera avec la force du courant d'air.
Voir également
Notes et références
Remarques
Les références