Stephen Butterworth

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Stephen Butterworth

Naissance
Rochdale (Lancashire)
Décès (à 73 ans)
Cowes (Île de Wight)
Nationalité Britannique
Domaines Physique appliquée, Électrotechnique, Métrologie
Institutions Manchester Municipal College of Technology ; National Physical Laboratory ; Admiralty Research Laboratory
Diplôme Université Victoria de Manchester
Renommé pour Filtre de Butterworth
Distinctions Officier de l'ordre de l'Empire britannique (1942)

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Stephen Butterworth, né le 11 août 1885 à Rochdale et mort le 28 octobre 1958 à Cowes, est un physicien et ingénieur britannique, spécialiste de l'électromagnétisme et des applications des mathématiques à l'ingénierie. Après des travaux de métrologie électrique au National Physical Laboratory, il consacre l'essentiel de sa carrière à la recherche scientifique pour l'Amirauté britannique, notamment sur les équipements navals et la protection des bâtiments contre les mines magnétiques[1],[2].

Il est surtout connu pour son article de 1930, « On the Theory of Filter Amplifiers », à l'origine du filtre de Butterworth. Cette méthode de conception des filtres électriques vise une réponse en fréquence particulièrement régulière dans la bande de fréquences que l'on souhaite conserver. Elle est devenue une référence dans l'histoire du traitement des signaux[3],[4].

Biographie

Formation et premiers travaux

Stephen Butterworth naît à Rochdale, dans le Lancashire. Entré en 1904 à l'université Victoria de Manchester, il y obtient un diplôme de physique en 1907, puis un Master of Science en 1908. Il enseigne ensuite la physique pendant environ onze ans au Manchester Municipal College of Technology. Cette première période est aussi celle de ses recherches sur les instruments de mesure et les circuits électriques[1].

Dès le début des années 1910, il étudie les galvanomètres vibratoires, employés pour détecter de très faibles courants alternatifs dans les ponts de mesure. Il analyse les conditions permettant d'accroître leur sensibilité et d'améliorer les mesures d'inductance. Cette recherche associe des calculs sur le comportement des circuits à la mise au point de méthodes expérimentales[5].

Il rejoint ensuite le National Physical Laboratory (NPL), à Teddington, où il participe aux travaux sur les étalons électriques, en particulier ceux d'inductance. La précision des mesures exige alors de tenir compte d'effets parasites, tels que les capacités électriques entre conducteurs et les courants de Foucault qui modifient le comportement des bobines en courant alternatif. Butterworth contribue à en établir les corrections théoriques. Un compte rendu paru dans la revue Engineering en 1922 signale ses publications sur ces sujets au moment où il vient de quitter le laboratoire[6],[7].

Recherche pour l'Amirauté

En 1921, Stephen Butterworth entre à l'Admiralty Research Laboratory (ARL), créé à Teddington pour répondre aux besoins scientifiques de la Royal Navy. Il y appartient d'abord au groupe de recherches mathématiques et électriques. Son rôle consiste notamment à donner une formulation théorique à des phénomènes complexes, afin d'orienter les essais et la conception d'appareils. Une part de son activité navale, soumise au secret, ne donne pas lieu à des publications ouvertes[2].

Ses recherches portent sur plusieurs problèmes de physique appliquée. Il examine le champ magnétique produit par un câble sous-marin parcouru par un courant alternatif et les courants qui se referment dans l'eau de mer. Publiée en 1924, cette étude met en relation calculs, expérimentations sur modèles et observations en milieu marin. Il mène également des essais en bassin sur la trajectoire d'engins pénétrant dans l'eau, notamment les torpilles et les charges sous-marines. Entre 1930 et 1932, il travaille avec E. H. Lakey à la mise au point d'un appareil permettant de tracer automatiquement la route d'un navire sur une carte ; une version de ce dispositif est adoptée par la marine en 1933[8],[2].

Lors de la Seconde Guerre mondiale, le recours allemand aux mines marines déclenchées par le champ magnétique des navires fait de l'électromagnétisme une priorité. Butterworth prend part à l'évaluation des moyens de protection, notamment la démagnétisation des bâtiments, destinée à réduire leur signature magnétique, et le dragage électromagnétique des mines. Il contribue à préciser les principes physiques et la réalisation de ces dispositifs, élaborés dans le cadre d'un effort collectif auquel participent plusieurs organismes militaires et industriels. Des travaux historiques fondés sur les archives de l'Amirauté le présentent également à la tête d'une équipe chargée d'étudier les variations du champ magnétique terrestre et leurs conséquences pour les navires[9],[2].

Parvenu au grade de Principal Scientific Officer au sein de l'Amirauté, il est nommé officier de l'ordre de l'Empire britannique (OBE) dans l'ordre civil en juin 1942[10]. Il prend sa retraite en 1945 et meurt à Cowes, sur l'île de Wight, le 28 octobre 1958, à l'âge de 73 ans[1].

Travaux scientifiques

Bobines, courants alternatifs et instruments

L'étude des pertes électriques dans les bobines constitue un fil conducteur de ses recherches. En courant alternatif, la résistance effective d'un enroulement peut être nettement supérieure à sa résistance mesurée en courant continu : le courant ne se répartit pas uniformément dans les conducteurs, et les champs magnétiques variables engendrent des courants induits. Butterworth développe des modèles pour calculer ces pertes et déterminer comment la géométrie d'un bobinage influe sur leur importance. Dans un mémoire publié par la Royal Society en 1922, il étudie notamment les conducteurs cylindriques et les bobines courtes ; il poursuit cette analyse pour les solénoïdes et les bobines utilisées aux fréquences radio[11],[12].

Ces études relient la métrologie à des préoccupations directement utiles aux concepteurs de circuits de radiocommunication : prévoir les pertes, améliorer le rendement et choisir les dimensions des enroulements. Ses travaux ne se limitent cependant pas à cette famille de problèmes. Avec F. D. Smith, il publie en 1931 une analyse du circuit électrique équivalent d'un oscillateur à magnétostriction, une contribution à la représentation des dispositifs qui convertissent l'énergie électrique en vibrations mécaniques[13].

La théorie des filtres de 1930

Dans « On the Theory of Filter Amplifiers », publié en octobre 1930, Butterworth aborde un autre problème de l'électronique de son temps : obtenir une amplification sensiblement uniforme des fréquences utiles tout en atténuant celles que l'on souhaite éliminer. Il montre comment calculer des réseaux de filtrage dont la réponse en amplitude est aussi plate que possible dans la bande passante, sans les ondulations caractéristiques d'autres familles de filtres. Le problème est traité à partir de filtres composés de plusieurs sections, séparées, dans les montages étudiés, par des amplificateurs à tube électronique[3].

L'intérêt du mémoire tient à la fois au critère mathématique choisi pour définir la réponse du filtre et à la possibilité de calculer des montages répondant à ce critère. Butterworth examine les effets des pertes dans les composants et présente des adaptations à différents types de filtrage. Sa méthode offre ainsi aux ingénieurs une démarche de conception reproductible plutôt qu'un simple réglage empirique. La famille de réponses en fréquence décrite dans cette publication porte depuis son nom[3],[4].

Postérité

Les filtres de Butterworth sont devenus des solutions courantes pour la sélection des fréquences en électronique, dans les systèmes de mesure, les communications et le traitement du son. Leurs réalisations ont évolué, des circuits analogiques à composants discrets aux filtres actifs et aux traitements numériques, sans que le principe de la réponse d'amplitude maximalement plate ait perdu son utilité. En contrepartie de cette régularité, la transition entre fréquences transmises et atténuées est moins abrupte que dans certaines autres familles de filtres de même ordre[4],[14].

Son héritage scientifique ne se réduit pas au filtre qui porte son nom. Dès 1937, le spécialiste de radioélectricité Frederick Emmons Terman distingue ses recherches sur la résistance des bobinages parmi les contributions majeures au sujet[15]. Ses calculs restent également cités dans la littérature consacrée aux composants magnétiques fonctionnant à haute fréquence, où ils figurent parmi les approches historiques de référence[16]. Sa carrière illustre également le rôle des physiciens appliqués dans les laboratoires de défense britanniques de l'entre-deux-guerres et du conflit mondial : une activité souvent moins visible que les publications académiques, mais liée à des problèmes concrets de navigation, de mesure et de sécurité en mer[2],[9].

Publications choisies

  • Stephen Butterworth, « On the Vibration Galvanometer and its Application to Inductance Bridges », Proceedings of the Physical Society of London, vol. 24, 1911, p. 75-94, DOI:10.1088/1478-7814/24/1/312.
  • Stephen Butterworth, « Eddy-Current Losses in Cylindrical Conductors, with Special Applications to the Alternating Current Resistances of Short Coils », Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, vol. 222, 1922, p. 57-100, DOI:10.1098/rsta.1922.0003.
  • Stephen Butterworth, « The Distribution of the Magnetic Field and Return Current Round a Submarine Cable Carrying Alternating Current. Part II », Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, vol. 224, 1924, p. 141-184, DOI:10.1098/rsta.1924.0004.
  • Stephen Butterworth, « On the Alternating Current Resistance of Solenoidal Coils », Proceedings of the Royal Society of London. Series A, vol. 107, 1925, p. 693-715, DOI:10.1098/rspa.1925.0050.
  • Stephen Butterworth, « Effective Resistance of Inductance Coils at Radio Frequency », Experimental Wireless and the Wireless Engineer, vol. 3, série de quatre articles, avril-août 1926.
  • Stephen Butterworth, « On the Theory of Filter Amplifiers », Experimental Wireless and the Wireless Engineer, vol. 7, 1930, p. 536-541.
  • Stephen Butterworth et F. D. Smith, « The Equivalent Circuit of the Magnetostrictive Oscillator », Proceedings of the Physical Society, vol. 43, 1931, p. 166-185, DOI:10.1088/0959-5309/43/2/307.

Notes et références

  1. ↑ 1,0 1,1 et 1,2 H. F. Willis, « Mr. Stephen Butterworth, O.B.E. », Nature, vol. 182, no 4651, 20 décembre 1958, p. 1706-1707, DOI:10.1038/1821706b0.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 et 2,4 « Admiralty Research Laboratory: History 1921–1944 », ARL Teddington, histoire de l'établissement fondée notamment sur A. B. Wood, « From Board of Invention and Research to Royal Naval Scientific Service », Journal of the Royal Naval Scientific Service, vol. 20, no 4, juillet 1965 (lire en ligne).
  3. ↑ 3,0 3,1 et 3,2 S. Butterworth, « On the Theory of Filter Amplifiers », Experimental Wireless and the Wireless Engineer, vol. 7, octobre 1930, p. 536-541 (texte intégral).
  4. ↑ 4,0 4,1 et 4,2 Luiz P. Calôba et Marcello L. R. de Campos, « Butterworth Filters », dans Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, John Wiley & Sons, 1999, DOI:10.1002/047134608X.W2215.
  5. ↑ S. Butterworth, « On the Vibration Galvanometer and its Application to Inductance Bridges », Proceedings of the Physical Society of London, vol. 24, 1911, p. 75-94, DOI:10.1088/1478-7814/24/1/312.
  6. ↑ S. Butterworth, « Capacity and Eddy Current Effects in Inductometers », Proceedings of the Physical Society of London, vol. 33, 1921, p. 312-354, DOI:10.1088/1478-7814/33/1/332.
  7. ↑ Engineering, 4 août 1922, p. 134 (numéro numérisé).
  8. ↑ S. Butterworth, « The Distribution of the Magnetic Field and Return Current Round a Submarine Cable Carrying Alternating Current. Part II », Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, vol. 224, 1924, p. 141-184, DOI:10.1098/rsta.1924.0004.
  9. ↑ 9,0 et 9,1 Samuel Alexander Robinson, Between the Devil and the Deep Blue Sea: Ocean Science and the British Cold War State, thèse de doctorat, université de Manchester, 2015, p. 73 (notice et texte intégral).
  10. ↑ « Central Chancery of the Orders of Knighthood », The London Gazette, supplément no 35586, 11 juin 1942, p. 2490 (document officiel).
  11. ↑ S. Butterworth, « Eddy-Current Losses in Cylindrical Conductors, with Special Applications to the Alternating Current Resistances of Short Coils », Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, vol. 222, 1922, p. 57-100, DOI:10.1098/rsta.1922.0003.
  12. ↑ S. Butterworth, « On the Alternating Current Resistance of Solenoidal Coils », Proceedings of the Royal Society of London. Series A, vol. 107, 1925, p. 693-715, DOI:10.1098/rspa.1925.0050.
  13. ↑ S. Butterworth et F. D. Smith, « The Equivalent Circuit of the Magnetostrictive Oscillator », Proceedings of the Physical Society, vol. 43, 1931, p. 166-185, DOI:10.1088/0959-5309/43/2/307.
  14. ↑ Dennis A. Bohn, Pro Audio Reference, glossaire technique publié par l'Audio Engineering Society, entrée consacrée aux filtres de Butterworth (consulter).
  15. ↑ Frederick Emmons Terman, Radio Engineering, 2e édition, McGraw-Hill, 1937, p. 40 (ouvrage numérisé).
  16. ↑ Georgios S. Dimitrakakis et Emmanuel C. Tatakis, « High-Frequency Copper Losses in Magnetic Components With Layered Windings », IEEE Transactions on Magnetics, vol. 45, no 8, 2009, p. 3187-3199, DOI:10.1109/TMAG.2009.2018624.

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