Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

Sciences pour l'ingénieur : spécialité Acoustique

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

sous-coupages,instruments à vent,trous latéraux,chanfreinage,impédance acoustique,

Keywords

undercut,wind instruments,tonehole,chamfering,acoustic impedance,

Titre de thèse

Influence des sous-coupages sur le son produit par les instruments de musique à vent.
Influence of tonehole undercutting on the sound produced by musical wind instruments.

Date

Lundi 13 Décembre 2021 à 14:00

Adresse

4 impasse Nikola Tesla, CS 40006, F-13453 Marseille Cedex 13 - France Amphithéâtre François Canac

Jury

Directeur de these M. Christophe VERGEZ CNRS / LMA
Rapporteur M. Jean-Pierre DALMONT Université de Mans
Rapporteur M. Alexandre GARCIA CNAM
Examinateur M. Jean-Baptiste DOC CNAM
Examinateur Mme Pauline EVENO SYOS
Examinateur M. Jean KERGOMARD CNRS / LMA

Résumé de la thèse

Cette thèse Cifre est réalisée avec le facteur d’instruments à vent Buffet-Crampon. Nous étudions la caractérisation acoustique des trous latéraux ouverts dans la clarinette, ou trous de notes. La jonction entre la cheminée de ces trous et le corps principal de l’instrument peut être chanfreinée lors de la fabrication. On parle alors de sous-coupage des trous. La motivation du facteur d’instruments à sous-couper certains trous est d’améliorer la justesse, la puissance et la facilité d’émission. Depuis des décennies, le fonctionnement acoustique des trous latéraux peut être décrit de manière simplifiée par un modèle linéaire. Ce modèle s’intègre au formalisme des lignes de transmission utilisé pour modéliser la propagation acoustique dans les guides d’onde 1D. Le trou est représenté comme un élément localisé, caractérisé par une portion de circuit acoustique en T, associant dans le domaine fréquentiel une impédance en série et une impédance en parallèle. Déterminer expérimentalement ces deux quantités est un enjeu important : cela permet à la fois d’intégrer dans le modèle l’effet de la complexité géométrique des différents types de sous-coupage pratiqués, mais également de modéliser des trous latéraux d’un instrument dont on ignore la géométrie. Pour réaliser cet objectif, deux méthodes sont étudiées et comparées dans cette thèse : une première méthode proposée par J-P Dalmont et col. (2002), et une méthode originale que nous proposons. Cette dernière est basée sur la mesure de deux impédances d’entrée là où à la première méthode repose sur la mesure des impédances d’entrée et de transfert. Une simulation de l’expérience est réalisée où la sensibilité à des incertitudes géométriques ou de mesure est évaluée afin de dimensionner au mieux l’expérience. La mise en œuvre expérimentale permet de souligner les avantages et les faiblesses de cette nouvelle méthode par rapport à l’état de l’art. En particulier, on retient les résultats obtenus sur la détermination de l’impédance en parallèle. La capacité de la méthode à estimer de manière robuste sa partie réelle d’abord. Les résultats obtenus suggèrent d’ailleurs la nécessité de nouvelles études théoriques sur la modélisation des mécanismes dissipatifs. Nous notons également la capacité de la méthode à traduire de faibles variations géométriques au travers de l’estimation de la partie imaginaire de l’impédance en parallèle. Des simulations numériques par la méthode des Elements Finis sont également réalisées pour éclairer le résultat des expériences (en particulier dans des configurations où l’approche expérimentale est mise en difficulté) mais aussi pour évaluer la pertinence de cet outil pour les travaux ultérieurs sur ces sujets. A terme, ces modèles doivent intégrer des outils numériques d’aide à la conception en facture instrumentale.

Thesis resume

This Cifre PhD thesis is done with the wind instrument maker Buffet-Crampon. We study the acoustic characterization of the open side holes in the clarinet, or toneholes. The junction between the chimney of these holes and the main body of the instrument can be chamfered during the manufacturing process. This is called undercutting the toneholes. The motivation of the instrument maker to undercut certain toneholes is to improve the tuning, the power and the ease of playing. For decades, the acoustic functioning of toneholes can be described in a simplified way by a linear model. This model fits the transmission line formalism used to model acoustic propagation in 1D waveguides. The hole is represented as a localized element, characterized by a portion of an acoustic T-shaped circuit, associating in the frequency domain a series impedance and a parallel (shunt) impedance. Determining experimentally these two quantities is an important issue: it allows both to integrate in the model the effect of the geometrical complexity of the different types of undercutting practiced, but also to model toneholes of an instrument whose geometry is unknown. To achieve this objective, two methods are studied and compared in this thesis: a first method proposed by J-P Dalmont et al. (2002), and an original method that we propose. The latter is based on the measurement of two input impedances where the first method is based on the measurement of input and transfer impedances. A simulation of the experiment is performed where the sensitivity to geometrical or measurement uncertainties is assessed in order to best size the experiment. The experiment carried out allows to highlight the advantages and weaknesses of this new method compared to the state of the art. In particular, the results obtained on the determination of the shunt impedance are interesting. First of all, the ability of the method to estimate its real part in a robust way is stressed. The results obtained suggest the need for further theoretical studies on the modeling of dissipative mechanisms. We also note the ability of the method to account small geometrical variations through the estimation of the imaginary part of the shunt impedance. Numerical simulations by the Finite Element Method are also carried out to shed some light on the results of the experiments (in particular in configurations where the experimental approach is challenged) but also to evaluate the relevance of this tool for further work on these topics. Eventually, these models are expected to be part of numerical tools to help makers in the design of instruments.