Le son en images

Expérience du sable sur plaque vibrante

Pour cette expérience, on utilise une plaque vibrante (le plus souvent en laiton) dont le centre est fixé à un socle. C’est sur ces plaques que sont reproduites les images de Chladni.
On y verse du sable, qui s’agite avec les vibrations de la plaque. Ces grains ne sont pas rangés aléatoirement, ils s’éloignent des ventres de vibration, où l’amplitude des ondes est maximale, pour converger vers les lignes nodales. Celles-ci sont les endroits où la plaque ne vibre pas, les ondes ont une amplitude nulle.
La figure obtenue change alors si l’on fait varier la fréquence du son, si l’on immobilise un point particulier de la plaque, etc. On peut réaliser la même expérience avec des instruments de musique comme le tambour, la guitare ou l’archet d’un violon que l’on utilise pour faire vibrer une plaque.

Expérience de l’eau dans un récipient à fond plat

On verse une goutte d’eau dans un récipient à fond plat, le faisant vibrer avec un transducteur acoustique et un générateur de tension. La goutte oscille puis prend progressivement des formes successives.
Cette expérience met en évidence la plasticité de l’eau car lors de sa déformation, elle crée un creux au centre et un pic globulaire qui dépend des oscillations sonores.
L’image ci-dessous nous illustre le début de ce phénomène.

Vibration sur goutte d'eau

Il faut constater qu’il est très difficile d’obtenir immédiatement une figure symétrique ; seule une variation de l’intensité et de la fréquence, en fonction de la quantité d’eau, pourrait le permettre. Cependant, il est important de savoir qu’à des fréquences différentes, on a des figures différentes. Ainsi, plus la fréquence du son sera élevée, plus la figure obtenue sera complexe.
Voici un exemple de déformation spectaculaire. La goutte a oscillé de manière très irrégulière avant de prendre une forme qui ressemble à la structure des invertébrés.

Exemple d'étapes intermédiaires

En 1632, Galilée est le premier à étudier le comportement des corps en vibrations, avant Robert Hooke en 1680, qui observe alors le comportement des nœuds associés aux vibrations.

C’est en 1787, qu’Ernst Chladni donne réellement naissance à ce domaine en réalisant un travail considérable. De nos jours, les figures obtenues par la vibration de différents supports sont d’ailleurs appelées « images de Chladni ».

Il établit une expérience simple afin de les retrouver : faire entrer en vibration une plaque métallique à l’aide d’une source sonore tout en disposant du sable sur celle-ci. Le principe est également très simple : le sable se déplace, grâce à la déformation du support provoquée par les ondes sonores, jusqu’à atteindre une « ligne nodale », c’est-à-dire une ligne dans laquelle il n’y a pas de vibration.

Ernst Chladni

En 1808, Chladni fait part de cette découverte à Napoléon, qui promet un kilo d’or à celui qui trouverait l’explication du phénomène. C’est Marie-Sophie Germain (1776–1831), mathématicienne française, qui remporta ce prix.

Le nom « cymatique » est seulement apparu avec le scientifique Hans Jenny (1904-1972). Il est aujourd’hui considéré comme le « père » de ce domaine. En s’inspirant des expériences de Chladni, il fait de nouvelles expériences avec d’autres matériaux tels que les matériels piézo-électriques, les amplificateurs…