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Résumé OR PIM :

- L’opération de recherche (OR) Physique des instruments de musique regroupe les activités d’acoustique et mécanique appliquées aux instruments de musique, et plus particulièrement aux instruments à vent (anches et cuivres) et aux instruments à corde pincées.
- Les études sont de différentes nature : expérimentale, modélisation et simulations. Elles sont appliquées à la facture instrumentale, le geste instrumental et l’organologie. Une mission importante est la diffusion de la culture scientifique et technique auprès des musiciens et des facteurs d’instruments.
- Les membres de l’OR sont rattachés à d’autres OR thématiques du Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine, d’où un fort métissage des compétences scientifiques (acoustique guidée en fluide léger, oscillations non linéaires, vibro-acoustique, électro-acoustique, traitement du signal). Ils collaborent avec de nombreux laboratoires français et étrangers, et accueillent des étudiants stagiaires venant du monde entier.




Peu de temps après la création du LAUM, au cours des années 80, la physique des instruments de musique à vent a constitué un des thèmes de recherche du laboratoire. Il s’inscrivait et s’inscrit toujours dans l’activité du groupe " Ondes Guidées ". L’activité " acoustique musicale " y côtoie des travaux théoriques sur la propagation acoustique dans les guides d’ondes, et des travaux appliqués aux silencieux automobiles par exemple. Plus récemment la physique des instruments à cordes a été initiée : il s’agit d’un travail sur les processus vibro-acoustiques intervenant dans le fonctionnement de la harpe. Cette activité est née avec la création du groupe " Transferts Vibratoires " (voir la présentation des groupes sous la rubrique " recherche " du site du LAUM).

Contacts : Jean-Pierre Dalmont, Andre Almeida et Bruno Gazengel pour les instruments à anche , Joël Gilbert pour les cuivres , François Gautier pour les instruments à corde.

Stages en laboratoire : tous les ans, nous accueillons des stagiaires français (universités, écoles d’ingénieurs) et étrangers (niveau bac +2 à +5) pour travailler sur les thématiques d’acoustique musicale. Les sujets correspondants à nos projets du moment peuvent être facilement modulés en fonction des souhaits et du niveau d’étude des étudiants.

Projet PAFI (Plateforme d’Aide à la Facture Instrumentale) soutenu par l’ANR
http://www.pafi.fr/


Instruments à vent : bois et cuivres
Les instruments de musique à vent en situation de jeu sont constitués de guides d’ondes complexes (les instruments eux-mêmes), excités par une valve aéroélastique (anche de clarinette, lèvres du tromboniste). Nos travaux peuvent être présentés en deux volets : modélisation des éléments du système d’une part, et étude des auto-oscillations générées par le système instrument-instrumentiste d’autre part.

Modélisation
- Caractéristique non-linéaire de l’excitateur, et mécanique de l’anche

- Résonateurs coniques, cônes en escalier

- Propagation non-linéaire, application aux sons cuivrés

- Pertes non linéaires localisées en extrémité de tube

- Vibrations de paroi

Oscillations
- Recherche des solutions oscillantes, parallèle entre vents et cordes frottées, diagrammes de bifurcation

- Lèvres vibrantes, bouches artificielle pour cuivres

Outils d’investigation spécifiques

- Pont de mesure d’impédance et bouches artificielles

Instruments à cordes : harpe et guitare

- La harpe, instrument à cordes pincées est un assemblage complexe, dans lequel de multiples couplages vibro-acoustiques existent entre table d’harmonie, air confiné dans une cavité munie d’évents et air extérieur.
- Guitares et projet « Lutherie tools ».

Publications dans des revues internationales à comité de lecture (depuis 1994)

o J-P. Dalmont, J. Kergomard. Lattices of sound tubes with harmonically related eigenfrequencies. Acta Acustica 2 (1994), 223-232.

o J-P. Dalmont, B. Gazengel, J. Gilbert, J. Kergomard. Some aspects of tuning and clean intonation in reed instruments. Applied Acoustics 46 (1995), 19-60.

o B. Gazengel, J. Gilbert, N. Amir. From the measured input impedance to the synthesis signal : where are the traps ? Acta Acustica 3 (1995), 445-472.

o A. Hirschberg, J. Gilbert, R. Msallam, A-P-J. Wijnands. Shock waves in trombones. J. Acoust. Soc. Am. 99 (1996), 1754-1758.

o A. Hirschberg, X. Pelorson, J. Gilbert. Aeroacoustics of musical instruments. Meccanica 31 (1996), 131-141.

o N. Grand, J. Gilbert, F. Laloé. Oscillation threshold of woodwind instruments. Acta Acustica 1 (1997), 137-151.

o J. Gilbert, S. Ponthus, J-F. Petiot. Artificial buzzing lips and brass instruments : experimental results. J. Acoust. Soc. Am. 104 (1998), 1627-1632.

o V. Dubos, D. Keefe, J. Kergomard, J-P. Dalmont, A. Khettabi, C-J. Nederveen. Theory of sound propagation in a duct with a branched tube using modal decomposition. Acustica -Acta Acustica 85 (1999), 153-169.

o J-P. Dalmont, J. Gilbert, J. Kergomard. Reed instruments, from small to large amplitude periodic oscillations and the Helmholtz motion analogy. Acustica -Acta Acustica 86 (2000), 671-684.

o F. Gautier, N. Tahani. Vibroacoustic behaviour of a simplified musical wind instrument. Journal of Sound and Vibration 213 (1998), 107-125.

o F. Gautier, N. Tahani. Vibroacoustics of cylidrical pipes : internal radiation modal coupling. Journal of Sound and Vibration 215 (1998), 1165-1179.

o J. Cullen, J. Gilbert, D-M. Campbell. Brass instruments : linear stability analysis and experiments with an artificial mouth. Acustica -Acta Acustica 86 (2000), 704-724.

o J. Kergomard, S. Ollivier, J. Gilbert. Calculation of the spectrum of self-sustained oscillators using a variable truncation method : application to cylindrical reed instruments. Acustica -Acta Acustica 86 (2000), 685-703.

o L. Menguy, J. Gilbert. Weakly non-linear gas oscillations in air-filled tubes ; solutions and experiments. Acustica -Acta Acustica 86 (2000), 798-810.

o J-P. Dalmont. Acoustic impedance measurement, part I : a review. Journal of Sound and Vibration 243 (2001) 427-439.

o J-P. Dalmont. Acoustic impedance measurement, part II : a new calibration method. Journal of Sound and Vibration 243 (2001) 441-459.

o J-P. Dalmont, C-J. Nederveen, N. Joly. Radiation impedance of tubes with different flanges : numerical and experimental investigations. Journal of Sound and Vibration 244 (2001) 505-534.

o J-P. Dalmont, C-J. Nederveen, V. Dubos, S. Ollivier, V. Meserette, E. Te Sligte.Experimental determination of the equivalent circuit of an open side hole : linear and non linear behaviour. Acustica -Acta Acustica 88 (2002), 567-575.

o J-P. Dalmont, J. Gilbert, S. Ollivier. Non-linear characteristics of single reed instruments : quasi-static volume flow and reed opening measurements. J. Acoust. Soc. Am. 114 (2003), 2253-2262.

o J-F. Petiot, F. Teissier, J. Gilbert, D-M. Campbell. Comparative analysis of brass wind instruments with an artificial mouth : first results. Acustica-Acta Acustica 89 (2003), 974-979.

o M. Atig, J-P. Dalmont, J. Gilbert. Termination impedance of open-ended cylindrical tubes at high sound pressure level. C.R.Acad.Sci. Paris, t.332, Série II (2004), 299-304.

o C-J. Nederveen, J-P. Dalmont. Pitch level changes in organ pipes due to wall resonances. Journal of Sound and Vibration 27 (2004) 227-239.

o M. Atig., J-P. Dalmont, J. Gilbert. Saturation mechanism in clarinet-like instruments, the effect of the localised nonlinear losses. Applied Acoustics 65 (2004) 1133-1154.

o F. Gautier, N. Dauchez.. Acoustic intensity measurement of the sound field radiated by a concert harp. Applied Acoustics, Vol.64, p.1231-1331, 2004.

o S. Ollivier, J.P. Dalmont., J. Kergomard, “Idealized models of reed woodwinds. Part I : analogy with the bowed string”, Acta Acustica-Acustica, 2004, 90 (6), 1192-1203.

o S. Ollivier, J.P. Dalmont., J. Kergomard, “Idealized Madels of Reed Woodwinds. Part II : On the Stability of "Two-Step" Oscillations”. Acta Acustica-Acustica, 2005, 91, 166-179.

o J.L. Le Carrou, F. Gautier, N. Dauchez, J. Gilbert, “Modelling of sympathetic string vibrations”. Acta Acustica-Acustica, 2005, 91, 277-88.

o J.P. Dalmont, J. Gilbert, J. Kergomard, S. Ollivier, ”An analytical prediction of the oscillation and extinction thresholds of a clarinet”, J. Acoust. Soc. Am. 118 (2005), 3294-3305.

o J. Gilbert, L. Simon, J. Terroir, ”Vibratos of saxophones”, J. Acoust. Soc. Am. 118 (2005), 2649-2655.

o E. Poirson, J-F. Petiot, J. Gilbert, “Study of the brightness of trumpet tones”. J. Acoust. Soc. Am. 118 (2005), 2656-2666.

o J.P. Dalmont, C. Frappé, ” Oscillation and extinction thresholds of the clarinet : Comparison of analytical results and experiments”, J. Acoust. Soc. Am. 122 (2007), 1173-1179.

o J.-L. Le Carrou, F. Gautier, E. Foltete, Experimental study of A0 and T1 modes of the concert harp, Journal of the Acoustical Society of America, 121(1), 2007, p. 559-567.

o R. Pico, F. Gautier, J. Redondo. Acoustic input impedance of a vibrating cylindrical tube, Journal of Sound and Vibration, 301(2007), 649-664.

o R. Pico, F. Gautier, Vibroacoustics of slightly distorded cylindrical shells : model of the acoustic input impedance, Journal of Sound and Vibration, 302 (2007), p.18-38.

o E. Poirson, J-F. Petiot, J. Gilbert, “Integration of user-perceptions in the design process : application to musical instrument optimisation”. Journal of Mechanical Design, Vol.129, No.12, December 2007, pp1206-1214.

o M. Newton, D-M. Campbell, J. Gilbert, “Mechanical response measurements of real and artificial brass players lips”. A paraître dans J. Acoust. Soc. Am..

o J. Gilbert, L. Menguy., D-M. Campbell, “A simulation tool for brassiness studies”. A paraître dans J. Acoust. Soc. Am..

o G. Nief, F. Gautier, J-P. Dalmont, J. Gilbert, “Influence of wall vibrations on the behavior of a simplified wind instrument”. A paraître dans J. Acoust. Soc. Am..

Autres publications

o J-P.Dalmont, J.Gilbert, J.Kergomard. Instruments à vent harmoniques. Pour La Science n°238, 78-85, 1997.

o F.Gautier. Matériau et instruments de musique à vent, Revue des composites et des matériaux avancés, vol. 10, n°3, 2000, p. 303-314.

o Un cours illustré de vidéos et de sons sur l’acoustique des cuivres est disponible sur la page web de la Société Française d’Acoustique _ (http://www.sfa.asso.fr/fr/gsam/fichiers/cours.htm).

Thèses soutenues (depuis 1994)

o Bruno Gazengel (1994) "Caractérisation objective de la qualité de justesse, de timbre et d’émission des instruments à vent à anche simple".

o François Gautier (1997) "Contribution à l’étude à l’étude du comportement vibroacoustique des instruments de musique à vent".

o Ludovic Menguy (2001) " Propagation acoustique non linéaire dans les guides monodimensionnels".

o Eric Ducasse (2001) "Modélisation et simulation dans le domaine temporel d’instruments à vent à anche simple en situation de jeu : méthodes et modèles".

o Sébastien Ollivier (2002) " Contribution à l’étude à l’étude des oscillations des instruments à vent à anche simple, validation d’un modèle élémentaire".

o Ruben Pico Vila (2004) "Vibroacoustique des conduits cylindriques faiblement distordus, étude de l’influence des vibrations de paroi sur les oscillations des instruments de musique à vent" (thèse en cotutelle entre les universités du Maine et de Valence, Espagne).

o Mérouane Atig (2004) "Non-linéarité acoustique localisée à l’extrémité ouverte d’un tube. Mesure, modélisation et application aux instruments ".

o Jean-Loïc Le Carrou (2006) "Vibroacoustique de la harpe".

o Thomas Guimezanes (2008) "Etude expérimentale et numérique de l’anche de clarinette".

Collaborations

o Roberto Arruda (Université de Campinas, Brésil).

o Murray Campbell, Arnold Myers (Université d’Edimbourg, Ecosse).

o René Caussé (IRCAM, Paris).

o Vincent Doutaut (ITEMM, Le Mans).

o Avraham Hirschberg (Université de Eindhoven, Pays-Bas).

o Jean Kergomard (LMA, Marseille).

o Kees Nederveen (Pays-Bas).

o Jean-François Petiot (IRCCyN, Nantes).

o Ruben Pico Vila, Javier Redondo (école d’ingénieur de Gandia, Espagne).


Caractéristique non-linéaire de l’excitateur, et mécanique de l’anche
Les instruments de musique à vent sont excités par une valve aéroélastique (lèvres vibrantes du tromboniste, anche de clarinette), valve déstabilisée par l’écoulement d’air généré par l’instrumentiste. L’ensemble agit comme une source de débit d’air modulé qui met en résonance la colonne d’air délimitée par l’instrument. La fréquence fondamentale, et plus généralement l’allure des signaux acoustiques résultent de la contre-réaction acoustique du résonateur (l’instrument). La valve est caractérisée par une relation non-linéaire entre le débit entrant dans le résonateur et la différence de pression de part et d’autre de la valve, relation appelée " caractéristique non-linéaire de l’excitateur ". L’effet valve pour les instruments à anche dépend pour partie du comportement élastique de l’anche, qui en première approximation peut être approchée par sa seule raideur (hypothèse basse fréquence). La " mécanique de l’anche ", et en particulier la manière dont le contact entre l’anche et la table du bec s’opère, est un sujet actuellement à l’étude au laboratoire.

Fig. Dispositif expérimental

Fig. Caractéristique non-linéaire mesurée (bec de clarinette)

Fig. Mesure de l'ouverture anche-table du bec en fonction de la différence de pression (la pente des courbes donne la compliance – inverse de la raideur - équivalente de l'anche)

Contacts : Jean-Pierre Dalmont ou Joël Gilbert

Résonateurs coniques, cônes en escalier
Il est communément admis que, pour qu’un instrument conique fonctionne correctement, il est nécessaire que les fréquences de résonance soient quasiment harmoniques. Or, si les fréquences de résonance d’un cône complet sont effectivement harmoniques ce n’est pas le cas pour un cône tronqué (le cône est nécessairement tronqué car il faut laisser une place pour l’anche). L’anche et son tube sont donc optimisés pour rendre les résonances plus harmoniques, un résultat classique étant que le volume équivalent à l’anche doit être proche du volume du cône manquant. En fait, dans les instruments réels, la conicité augmente vers l’extrémité de l’instrument ce qui a pour effet, comme nous l’avons montré, d’améliorer l’harmonicité des fréquences de résonance.

Nous avons montré qu’un résonateur constitué d’un certain nombre de cylindres de mêmes longueurs et dont les sections sont égales à un nombre entier de fois la section du premier cylindre (cône en escalier dont les sections successives suivent la série 1, 3, 6, 10, 15,…) possède des fréquences de résonance parfaitement harmoniques. Convaincu que les cônes en escalier pouvaient avoir des qualités musicales, nous avons fait réaliser un exemplaire à quatre cylindres équivalent à peu près à un corps de saxophone soprano. Utilisé avec un bec de saxophone alto ce résonateur sonne parfaitement avec une octave et une douzième parfaitement juste. D’ailleurs, ultérieurement, nous avons été contactés par un facteur argentin (Angel Sampedro del Rio [voir son site : http://usuarios.arnet.com.ar/bambu/...]) qui fabrique des saxophones en bambou dont les dimensions se rapprochent de celles que nous avons obtenues théoriquement. Une autre particularité de ces résonateurs est qu’ils sont des analogues parfaits de la corde frottée (cf. lien). Comme de plus il se rapproche des cônes, ils constituent un outil d’étude des instruments coniques théoriquement plus simple que ceux ci (cf. lien).


Impédance d’entrée (module et argument) calculée (a) et mesurée (b)

Contacts : Jean-Pierre Dalmont

Propagation non-linéaire, application aux sons cuivrés
Chaque fois que les cuivres (trompette, cor, trombone, tuba, ...) jouent très fort, les notes émises ont un timbre brillant caractéristique que l’on qualifie de "cuivré". Toutefois ni le matériau, ni ses vibrations ne sont responsables des caractéristiques de ces sons.
Lorsqu’un musicien souffle dans l’embouchure d’un trombone, l’oscillation des lèvres y crée une onde de pression, l’onde sonore. La plupart du temps l’onde se déforme peu en se propageant à l’intérieur du tube ("hypothèse de l’acoustique linéaire" pour les oscillations de "faible" amplitude). Lorsque le tromboniste joue très fort, l’amplitude de l’onde est grande et l’onde se propage à l’intérieur du tube en se déformant (phénomène de propagation non-linéaire). Cette déformation peut aller jusqu’à la formation d’ondes de choc [LIEN video1 sonscuivrés.mpeg]. La déformation de l’onde est équivalente à une modification du contenu spectral de l’onde au cours de sa propagation, avec en particulier un transfert d’énergie vers les harmoniques de rang élevé, ceci se traduit perceptivement par une sensation de "son cuivré".
Une expérience amusante : en adaptant une embouchure de trompette ou de trombone sur un tuyau en plastique assez long (plusieurs mètres), un instrumentiste obtient aisément une note cuivrée !
Contacts : Joël Gilbert

Pertes non linéaires localisées en extrémité de tube
Les effets non-linéaires localisés au voisinage de discontinuités, telles que des orifices ou des extrémités ouvertes de tubes par exemple, sont connus depuis le début du XXième siècle. Ces effets sont la conséquence de la séparation de l’écoulement au niveau de la discontinuité et de la formations de tourbillons. Dans le cas du tube ouvert, ceci provoque des pertes supplémentaires qui s’ajoutent aux pertes par rayonnement, pertes non-linéaires illustrées par l’augmentation de la partie réelle de l’impédance terminale en fonction de l’amplitude du champ acoustique (la limite linéaire est l’impédance de rayonnement de Levine et Schwinger par exemple). Le niveau des pertes dépend de manière cruciale de la géométrie interne de l’extrémité du tube.

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Fig. 5 terminaisons de géométries différentes (du plus arrondi à droite, au plus aigu à droite)
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FIg. Partie réelle de l’impédance terminale en fonction l’amplitude de la vitesse acoustique de sortie (5 courbes expérimentales correspondant aux 5 terminaisons ; de la terminaison la plus arrondie en bas, courbe en bas de figure, à la terminaison la plus aiguë, courbe en haut de figure)

La plage de jeu des instruments à anche est liée à la dissipation totale dans l’instrument. Plus les pertes sont faibles, plus la plage de jeu (la dynamique en terme de nuance) est grande. Par conséquent, pour optimiser l’instrument il est raisonnable " d’arrondir les angles " !

Contacts : Jean-Pierre Dalmont ou Joël Gilbert

Vibrations de paroi
En situation de jeu, le champ sonore à l’intérieur des instruments à vent est intense. Une faible partie de l’énergie est rayonnée vers l’extérieur, vers les auditeurs donc, via l’extrémité ouvertes de l’instrument en question (et les trous latéraux ouverts pour les bois). C’est là le mécanisme principal de rayonnement des instruments à vent. Le corps de l’instrument étant constitué d’un matériau élastique (bois, métal), celui-ci est susceptible de vibrer sous l’effet du champ acoustique interne. A priori les vibrations mécaniques du corps de l’instrument peuvent constituer une source de rayonnement secondaire (vers l’extérieur) perturber l’oscillation acoustique interne (vers l’intérieur). L’importance de ce phénomène lié aux vibrations de parois, dont chacun peut constater l’existence par le toucher, reste aujourd’hui ouverte. Dans le cas de certains tuyaux d’orgue les vibrations de paroi peuvent entraîner un disfonctionnement caractéristique. La modélisation d’un couplage vibro-acoustique fluide interne / paroi et sa conséquence sur les oscillations acoustiques d’un instrument à vent de type clarinette ou flûte (résonateur cylindrique) a fait l’objet de la thèse de Ruben Pico. Les vibrations de parois d’un tuyau circulaire ou faiblement ovalisé donnent lieu à des perturbations de l’impédance d’entrée acoustique, modifiant dans certains cas très particulier le son émis par l’instrument. L’ovalisation du conduit joue ici un rôle essentiel dans la mesure où il induit un couplage entre le mode plan (axisymétrique) et les modes ovalisant du tuyau, qui s’avèrent en pratique être les premiers modes structuraux. La validation expérimentale de certains aspects de l’investigation conduit/fluide interne est menée dans le cas particulier d’un tuyau membranaire, dans lequel les mécanismes de couplage sont particulièrement importants.

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Fig. Simulations temporelles du son produit par une clarinette de paroi très fine constituée de différents matériaux
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Fig. spectre du signal de pression

(a) (b)
Fig. (a) antenne microphonique permettant la mesure de l’impédance d’entrée des modes d’ordre supérieurs d’un tuyau d’orgue vibrant (b) Impédance du premier mode d’ordre supérieur


Fig. Dispositif de mesure du champ vibratoire d'un guide d'onde membranaire

Contacts : François Gautier ou Jean-Pierre Dalmont ou Joël Gilbert

Recherche des solutions oscillantes, parallèle entre vents et cordes frottées, diagrammes de bifurcation
L’analogie de fonctionnement entre les instruments à vent et les instruments à corde est connue depuis longtemps. En effet, tous ces instruments couplent un système résonnant, linéaire en première approximation, à un élément non linéaire, le tout étant alimenté par une source d’énergie continue et fonctionnant en auto-oscillations. Dans le cadre d’une analogie corde frottée et instrument à vent, on montre que la pression dans la bouche est analogue à la vitesse de l’archet et que la pression acoustique dans le bec est analogue à la vitesse de la corde au niveau du point de contact avec l’archet. Le résonateur est donc l’analogue de la corde. Or, il se trouve que l’expression théorique de l’admittance mécanique réduite d’une corde au point d’attaque est identique à l’expression théorique de l’impédance d’entrée réduite d’un cône en escalier qui elle-même n’est pas très différente de l’impédance d’entrée réduite d’un instrument conique comme le saxophone ou le hautbois. Cette analogie a permis, à partir des travaux de Raman et J. Woodhouse sur la corde frottée, d’étudier les solutions du problème et leur stabilité. En particulier, dans le cadre d’un modèle simplifié (dit modèle de Raman) l’amplitude des oscillations en fonction des différents paramètres du modèle (pression dans la bouche, ouverture anche-table au repos,…) a pu être calculée analytiquement pour la clarinette et le saxophone en escalier.

(a) (b)
Fig. (a) Pression acoustique dans le bec en fonction du temps pour un " cône en escalier " muni d’un bec de saxophone, (b) Vitesse de la corde au niveau de l’archet en fonction du temps pour un violon.


La trompette marine est un instrument à corde frottée qui sonne comme une trompette. Elle a une seule corde et l’interprète joue sur les harmoniques en effleurant l’unique corde. De plus, pour obtenir une sonorité " cuivrée " elle est dotée d’un chevalet qui repose sur un pied, l’autre pied venant frapper périodiquement une plaque d’ébène ou d’os. Le choc mécanique remplace ici l’onde de choc de la trompette.

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Fig. Trompette marine

Contacts : Jean-Pierre Dalmont ou Joël Gilbert

Lèvres vibrantes, bouches artificielles pour cuivres
Sur le principe, la source aéroélastique des instruments de type cuivre est identique à celle des instruments à anche, il s’agit d’une source de débit. En situation de jeu, si l’anche de clarinette vibre à des fréquences inférieures à sa première fréquence de résonance (hypothèse type " raideur "), les lèvres vibrent au voisinage d’une de leurs résonances mécaniques. Cette différence majeure de fonctionnement avec les instruments à anche retenue depuis Helmholtz implique qu’au moins un oscillateur mécanique doit être intégré dans le modèle physique minimal du cuivre en situation de jeu.
Pour palier le manque de données caractéristiques de la mécanique des lèvres vibrantes, manque lié essentiellement à la difficulté d’effectuer des mesures in vivo, nous avons développé un dispositif spécifique , une " bouche artificielle " pour cuivres.
Des premières réponses mécaniques de lèvres (artificielles) ont ainsi pu être mesurées. Elles exhibent plusieurs résonances mécaniques. Après un grand nombre de mesures effectuées au Mans et Edimbourg, il apparaît qu’un couple de résonances mécaniques est systématiquement présent. Ceci est un des éléments qui nous ont menés à développer un modèle de lèvres type " modèle à 2 masses " utilisé dans la modélisation des cordes vocales.
Plus récemment une bouche artificielle plus compacte a été développée pour être utilisée en facture instrumentale comme " banc d’essai ".

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Fig. Bouche artificielle avec un trombone à coulisse - Réalisation Jean-François Petiot (Ecole Centrale de Nantes)
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Fig. Gros plan sur la bouche artificielle avec une embouchure seule
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Fig. Bouche artificielle démontée

Contacts : Joël Gilbert

Outils d’investigation spécifiques : pont de mesure d’impédance et bouches artificielles
Pont de mesure d’impédance : Un instrument à vent peut être divisé en deux éléments distincts : l’excitateur qui couplé à la source de pression a un comportement non linéaire et le résonateur, dont le comportement est en général supposé linéaire. Le résonateur est en général caractérisé par son impédance d’entrée, rapport entre la pression et le débit acoustique à l’entrée de l’instrument. Cette grandeur est essentielle car ses caractéristiques (en particulier l’harmonicité des fréquences de résonance) conditionnent en grande partie le fonctionnement de l’instrument. Pour mesurer cette grandeur un capteur utilisant une capsule microphonique comme source a été développé au laboratoire. La question de l’étalonnage de ce capteur a été traitée avec un soin particulier. Ce capteur est régulièrement utilisé pour la mesure d’instruments à vents entre autre.
Bouche artificielle pour les instruments à vent et pour les cuivres : Pour l’étude objective des instruments à vent on se heurte au fait qu’un musicien peut difficilement maintenir une note plus de quelques secondes sans changer son embouchure ou la pression d’alimentation. C’est ce qui a poussé le laboratoire à développer des " bouches artificielles ". La première a été développée en 1987 par X. Meynial, puis une seconde basée sur un concept modulaire a été conçue par B. Gazengel en 1994. Cette bouche artificielle possède une armature en métal qui forme les arêtes d’un cube sur laquelle on vient fixer des parois. La plupart des parois sont transparentes ce qui permet d’utiliser des méthodes optiques. La cavité créée par le volume interne de la boite simule la cavité buccale du musicien. La lèvre inférieure est constituée par un ballon remplit de mousse et d’eau. La force d’appui de la lèvre et sa position sur l’anche peuvent être modifiées. Un certain nombre de capteurs sont utilisé : capteurs de pression dans le bec et dans la cavité buccale, capteurs optiques pour mesurer l’ouverture, capteur de force pour mesurer la force d’appui de la lèvre sur l’anche et capteurs de contacts entre l’anche et la table.

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Fig. Bouches artificielles pour instrument à anche : clarinette
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Fig. Bouches artificielles pour instrument à anche : clarinette simplifiée (corps du haut, du bas et pavillon remplacés par un tube cylindrique)

Plus récemment, depuis 1995, plusieurs modèles de bouches artificielles ont été développés en collaboration avec Jean-François Petiot (Ecole Centrale de Nantes). Les lèvres artificielles sont modélisées par des tubes élastiques en latex remplis d’eau.

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Fig. Bouches artificielles pour cuivres : modèle 1998 - Réalisation Jean-François Petiot (Ecole Centrale de Nantes)
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Fig. Bouches artificielles pour cuivres : modèle 2000 - Réalisation Jean-François Petiot (Ecole Centrale de Nantes)

Contacts : Jean-Pierre Dalmont ou Joël Gilbert

Instruments à corde, harpe
La harpe instrument à cordes pincées est un assemblage complexe, dans lequel de multiples couplages vibro-acoustiques existent entre table d’harmonie, fluide confiné dans une cavité munie d’évents et fluide extérieur. La physique de cet instrument est encore aujourd’hui mal connue. Trois axes d’étude sont aujourd’hui en cours de développement : une modélisation des différents couplages vibro-acoustiques dans le cas d’une géométrie simplifiée, une étude du rayonnement de l’instrument (directivité), une analyse des couplages sympathiques entre cordes. Un contact avec l’entreprise Camac Harps (3ieme fabriquant mondial de harpe basé à Mouzeil, Loire Atlantique) est établi sur ce thème.

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Fig. Champ d’intensité acoustique 3D mesuré dans les plans de la table d’harmonie et des évents. Résultats moyennés par bandes d’octave
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Fig. Mode de flexion de la table d’harmonie isolée (f=52Hz)
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Fig. Mesure et modélisation de la directivité sonore de la harpe. Mesures effectuées au Centre de Transfert de Technologie du Mans
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Fig. Mesure et modélisation de la directivité sonore de la harpe. Diagramme de directivité à 260Hz

Contacts : François Gautier, Nicolas Dauchez, Joël Gilbert


Instruments à corde, projet « Lutherie tools »
« Lutherie tools » est un dispositif de mesure et d’analyse des instruments de musique à corde. Ce système destiné aux luthiers et aux archetiers est un outil d’aide à la conception et de contrôle qualité utilisable en atelier, directement par l’artisan. Il s’est développé dans le cadre des Journées professionnelles Facture Instrumentale et Science (JFIS), journées annuelles depuis 2001 à l’initiative du « Pôle d’innovation des métiers de la musique » (ITEMM, Le Mans) et de l’association professionnelle UNFI (Union Nationale de la Facture Instrumentale). Les réunions, construites sur la base d’exposés pédagogiques suivis d’échanges entre chercheurs et artisans, ont débouché sur la définition d’outils de prédiction et de caractérisation mécano-acoustique, qui ont été prêtés pour un an à quelques artisans pionniers, des luthiers cordes, en 2007. Ces outils regroupés en plate-forme constituent le système « Lutherie tools ». Par ailleurs ils ont déjà été utilisés sur un large éventail de guitares, dans les but de comparer, de définir des catégories ou de classer (indexer) un instruments parmi ses pairs.

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Projet "Lutherie Tools"

Contacts : François Gautier, Nicolas Dauchez