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Chapitre 4 : production du son par les instruments de musique 1 définition et c

Chapitre 4 : production du son par les instruments de musique 1 définition et caractéristiques générales Un instrument de musique est une machine à fabriquer des sons, c’est-à-dire à produire des vibrations aériennes, des différences de pression acoustique. Tout instrument nécessite une source d’énergie, qui est généralement le musicien lui-même : force musculaire pour appuyer et tirer un archet, air comprimé des poumons pour exciter un tuyau, etc. D’autres fois, c’est un aide du musicien qui joue ce rôle (souffleur de l’orgue, aujourd’hui remplacé par un moteur électrique). Les instruments traditionnels sont donc des transformateurs d’énergie mécanique en énergie vibratoire aérienne. Pour obtenir un rendement sonore maximum, les facteurs d’instruments tiennent tous compte (souvent empiriquement) de la zone sensible de l’oreille humaine où ils essaient de placer au mieux les sons de leurs instruments (il est bien inutile de dissiper des quantités énormes d’énergies si elles sont placées dans des régions où l’oreille, saturée, n’entend plus que du bruit). Un instrument de musique efficace est donc une machine à fabriquer des sons, dont le fonctionnement et le rayonnement doivent implicitement tenir compte des propriétés du système auditif. Du point de vue mécanique, un instrument de musique comporte nécessairement deux parties distinctes : un système excitateur (qui constitue la source des vibrations), auquel le musicien fournit de l’énergie ; un système amplificateur ou résonateur qui est une structure vibrante (corps sonore) dont les déformations sont à l’origine du champ acoustique rayonné, et qui va amplifier les vibrations produites. L’excitateur se présente sous des aspects divers. Par exemple, on peut utiliser l’énergie cinétique d’une masse en mouvement (cas des percussions, qui produisent des phénomènes apériodiques ou quasi périodiques, cf. tambour et piano) ou d’une corde vibrante pincée (cas de la guitare). Mais l’énergie peut aussi être transformée en vibrations périodiques entretenues (c’est le cas pour l’archet des instruments à cordes frottées comme le violon ou les instruments à anche comme la clarinette). Le système amplificateur ou « corps sonore », sollicité par l’excitateur, agit à son tour sur l’air ambiant, par l’intermédiaire d’une surface solide élastique (table d’harmonie) ou en produisant en un point assez localisé des variations de pression aérienne de grande intensité (pavillon des cuivres). Exemples excitateurs/corps sonore : Pour les instruments à cordes, l’excitateur est une corde vibrante mais une corde seule ne produit qu’un son à peine audible. Il faut lui associer un résonateur pour transformer efficacement l’énergie mécanique de la vibration en énergie acoustique. Dans la majorité des instruments à cordes, le résonateur est une plaque en épicéa, appelée table d’harmonie, une pièce de bois (en hêtre ou en érable) appelée chevalet servant d’intermédiaire entre la corde et la table. Le son rayonné par un instrument à cordes provient principalement des déformations de la caisse (table d’harmonie, fond, éclisses), et de la vibration de l’air enclos dans le volume intérieur. Dans les instruments à vent, l’excitateur peut être une anche en roseau (clarinette, saxophone, hautbois), les lèvres de l’instrumentiste (cor, trompette, trombone), un jet d’air sur un biseau (flûte, orgue), et le résonateur est la colonne d’air délimitée par le tube de l’instrument. L’air contenu dans le tube vibre et le son rayonné par l’instrument provient des orifices de la cavité. Pour les instruments à percussion, l’excitateur peut être par exemple une lame, une plaque ou une membrane et le résonateur peut être un tuyau ou une caisse contenant de l’air et accordé sur le fondamental de l’excitateur. Mode de génération du son dans les trois principaux groupes d’instruments de musique. On peut tout d’abord classer sommairement les instruments de musique selon le type de vibrations sonores produites par l’excitateur : ces vibrations peuvent se classer en deux catégories : les vibrations libres où l’excitation initiale est unique, comme par exemple un choc, un pincement, une brusque compression ou dépression ; l’excitation est suivie d’une série d’oscillations plus ou moins rapidement amorties ; les vibrations entretenues ou relancées périodiquement, par synchronisation sur un des modes propres de la structure vibrante. Dans la première catégorie, on trouve les instruments à percussion, le clavecin, le piano, la guitare, mais aussi le violon lorsqu’on joue en pizzicato. Les vibrations sont dites libres car après une action brève (percussion, pincement), le corps n’est plus soumis à aucune sollicitation extérieure, et continue de vibrer librement. Dans la seconde catégorie, on trouve les instruments à vent (bois, cuivres, orgue) et les instruments à cordes frottées (violon, violoncelle, alto, contrebasse). Le son y est entretenu par l’action du souffle pour les vents ou de l’archet pour les cordes. 2 Classification des instruments selon le type d’excitations Classification des instruments selon le mode de production du son : son entretenu (classe I) ou non entretenu (vibrations libres, classe II). Les systèmes excités par une seule impulsion (classe II) transforment l’énergie cinétique qui leur a été communiquée en énergie vibratoire acoustique par le moyen de déformation des plaques qui les constituent ; celles-ci entraînent la vibration des cavités aériennes qu’elles délimitent (caisses des tambours, des instruments à cordes). Les systèmes alimentés par une source d’énergie continue comme le courant d’air ou le frottement de l’archet (classe I) transforment cette énergie en énergie vibratoire dès le système excitateur (archet + corde ou « robinet » périodique de l’anche ou du jet d’air). Schéma d'un système auto-oscillant Dans un système auto-oscillant on distingue généralement deux éléments fonctionnels : Un ou plusieurs résonateurs : Ce sont des éléments passifs. On peut en général les décrire comme des systèmes linéaires (des filtres) On y distingue des modes d'oscillation ayant leurs propres fréquences de résonances Exemples : corde de violon, corps du violon, colonne d'air contenue dans un tuyau d'orgue, membrane d'une timbale Un excitateur : L'élément actif de l'instrument. Il est chargé de créer et maintenir les oscillations dans les résonateurs, en transformant une source continue d'énergie en un apport pulsée Il s'agit normalement de systèmes fortement non-linéaires Il peut être difficile de séparer morphologiquement l'excitateur du résonateur, par exemple dans le violon, l'excitateur est l'interaction frottement, l'archet pouvant être vu comme un autre résonateur. Autres exemples: la valve constituée par l'anche ou les lèvres dans les cuivres. Les résonateurs existent aussi dans les instruments à oscillations libres, mais contrairement aux auto-oscillants, on y excite un ou plusieurs modes de résonance et les laisse évoluer librement dans le temps. Les excitateurs existent aussi dans les instruments à oscillations libres, mais leur action est limitée dans le temps, et il n'existe pas de rétroaction du résonateur vers l'excitateur. 3 Facteurs de qualité d’un instrument de musique 3.1 Impératifs anatomo-physiologiques. Il est indispensable que le musicien soit à l’aise pour jouer : l’instrument ne sera « bon » que s’il est adapté à l’anatomie humaine. Tout d’abord, la force humaine est limitée. Or, la musique utilise des sons très graves (c’est-à- dire de grande longueur d’onde). Pour fabriquer des sons de 30 Hz assez intenses pour être nettement perçus (il faut de grands niveaux pour que les sons graves soient audibles, cf. acoustique physiologique), les poumons seraient bien insuffisants dans le cas des instruments à vent. Avec des instruments à cordes, il faudrait des caisses de résonances énormes, impossibles à manier (cf. l’expérience du luthier Jean-Baptiste Vuillaume qui construisit une contrebasse énorme, l’octobasse, de 4 m de haut). Mais les facteurs traditionnels ont toujours su contourner la difficulté en exploitant certaines propriétés de l’oreille, à propos de la sensation de hauteur (absence de fondamental). Bien sûr, cela implique certains sacrifices, comme le fait que le timbre devient nasillard, mais le résultat est atteint. D’autre part, la main humaine a aussi des limites. Chaque fois que les dimensions de la main humaine sont insuffisantes, on doit imaginer une « cléterie » adéquate. L’octobasse fabriqué par Vuillaume, à la demande de Berlioz, ne possède que trois cordes, accordées ut-1, sol-1 et ut1. L'octobasse descend donc une octave et une tierce plus bas qu'une contrebasse classique, et le son qu'elle produit est beaucoup plus puissant. Sur la photo, le personnage (1,65 m) donne l’échelle de l’objet (hauteur : 3,45m). Pour en jouer, l'instrumentiste doit monter sur un petit escabeau intégré à l’instrument et, du fait de la hauteur du manche, c’est grâce à des leviers et des pédales, et non avec ses mains, qu’il agit sur les cordes. 3.2 Impératifs perceptifs La musique est faite pour être entendue. Les propriétés du système auditif humain impliquent de nombreuses conditions sur la facture des instruments de musique. Les instruments traditionnels en tiennent compte, car ils se basent sur une longue expérience empirique, mais sûre, qu’il ne faut pas sous-estimer lorsqu’on essaie aujourd’hui de dépasser par la technologie électronique l’efficacité auditive des instruments traditionnels. 3.3 Impératifs de fabrication Les matériaux dont sont faits les instruments traditionnels sont généralement justifiés pour des raisons variées, acoustiques ou pratiques. Par exemple, on choisit l’ébène pour la clarinette parce que sa couleur foncée empêche une maculation visible de l’instrument, parce que sa grande masse volumique empêche les parois de vibrer, mais aussi parce uploads/s3/ acoustiqueet-instrument-chapitre-4.pdf