Cette thèse décrit et analyse les caractéristiques ethnologiques, musicales et acoustiques de la lyre bagana des Amhara d’Ethiopie. L’étude des données ethnologiques montre que le bagana incarne de nombreuses valeurs de la société traditionnelle amhara. Instrument considéré comme un don de Dieu et qui fut joué par des rois, le bagana est sacré. C’est un instrument intime, dont le jeu (toujours en solo ou accompagné seulement de la voix) est considéré comme un acte de prière ou une méditation à caractère religieux. Le musicien ne se donne pas à voir, ni par une dimension spectaculaire de sa performance, ni par une dimension phatique. L’analyse des accords utilisés dans le répertoire du bagana montre que cet instrument est essentiellement accordé selon deux échelles modales pentatoniques, tezeta et anchihoye. L’organisation temporelle des chants de bagana est fondée sur des pulsations discrètes très rapides. La pulsation apparente se compose d’un multiple de cette pulsation discrète qui change en fonction du motif joué, ce qui crée une sensation de rythme libre ou de rubato. Les chants de bagana sont fondés au niveau mélodique sur des unités qui se composent de paires de notes. L’analyse musicale du répertoire du bagana montre que celui-ci est fondé sur la répétition variée d’un ostinato musical assez court couplé à des paroles qui changent sans se répéter (à l’exception du refrain) selon les lois de la poésie amharique orale traditionnelle. Les procédés de variations mis en œuvre sont en général assez subtils car ils doivent préserver la sensation de répétition tout en apportant des éléments nouveaux. L’étude des propriétés acoustiques du bagana permet de déterminer que celle-ci produit des sons très graves (jusqu’au sol 1). Le dispositif chevalet large-obstacles modifie tous les paramètres du son. L’analyse de la facture traditionnelle montre que l’instrument est conçu pour produire un son grésillant, long et intense sans avoir recours à une caisse de résonance volumineuse. Le bagana est un instrument puissant, qui permet l’établissement d’une relation directe avec des entités surnaturelles via une transe légère. La voix et l’instrument sont dans un rapport de fusion et de renforcement mutuel. Les modes phonatoires utilisés sont « breathy » et « harsh ». La présence de la voix agit comme un guide perceptif, qui intervertit le rapport fond-forme dans la perception de l’instrument.

Les effets des vibrations du corps d'un instrument de musique à vent sur le son qu'il produit, sont un sujet d'importance et peu étudié. Les vibrations mettent en jeu divers couplages vibroacoustiques : couplage conduit/fluide interne et couplage conduit/fluide externe. Ces deux mécanismes et leurs effets sont analysés.<br />Un modèle décrivant les couplages entre les vibrations d'un conduit cylindrique et la colonne d'air qu'il contient, permet d'aboutir à une expression de son impédance d'entrée acoustique, qui diffère du cas du conduit indéformable. Pour la plupart des cas d'instruments réels, les effets sont très faibles. Cependant, les couplages sont non négligeables lorsque le conduit présente un léger défaut de circularité, qui est toujours présent en pratique. La perturbation de l'impédance est maximisée lorsque la fréquence de résonance d'un mode mécanique du conduit, un mode d'ovalisation notamment, coïncide avec celle d'un des modes acoustiques de la colonne d'air. Les résultats théoriques sont confrontés à des mesures d'impédance d'entrée sur différents conduits vibrants, validant l'approche. Les sons musicaux produits par ces conduits, associés à des embouchures d'instruments de musique (bec de clarinette et embouchure de tuyau d'orgue), sont analysés. Les effets des vibrations de paroi, dépendant du niveau de perturbation de l'impédance d'entrée, vont d'une légère modification de timbre à des transitions d'un régime périodique "normal" vers un régime pseudo-périodique présentant des battements, non souhaité en situation musicale.<br />Le couplage conduit/fluide externe est exploré dans le cas d'un pavillon de trombone. Le rayonnement externe du pavillon sous excitation acoustique libre de vibrer diffère très légèrement du cas où ses vibrations sont amorties par du sable. Des différences de quelques décibels sont observées à des fréquences de résonance mécanique du pavillon, pour des modes de vibrations rayonnants, efficaces du point de vue du rayonnement acoustique.

Aujourd'hui, la qualité perçue d'un produit arbitre de plus en plus le choix du consommateur. Au-delà<br />des performances techniques, les perceptions du client deviennent très influentes dans la décision d'achat.<br />Dans cette thèse, nous proposons une démarche de conception ” orientée client ”, qui permet d'intégrer le<br />consommateur dans les différentes étapes du processus de conception en prenant en compte ses besoins et<br />ses préférences. Dans notre étude, nous appliquons cette démarche à la facture d'instruments de musique,<br />produits pour lesquels les sensations de l'utilisateur sont primordiales et doivent être intégrées lors de la<br />conception/amélioration d'un instrument. Pour étudier ces données perceptives, nous utilisons l'analyse<br />sensorielle et montrons son intégration dans le processus de conception. Notre démarche consiste, dans un premier temps, à mener une étude perceptive sur une famille de trompettes en utilisant un panel d'experts<br />et les outils de l'analyse sensorielle. Ensuite, nous réalisons une étude objective des instruments par la<br />mesure physique d'une grandeur caractéristique : l'impédance d'entrée. Puis, nous utilisons l'analyse de<br />données pour mettre en regard les évaluations perceptives et objectives, afin d'en déduire des règles utiles pour l'optimisation et la re-conception d'un instrument. Enfin, nous proposons d'intégrer des outils de réalité virtuelle dans le processus de conception centrée utilisateur. Ainsi, dans notre application, nous<br />présentons les premières conclusions concernant les simulations sonores par modèle physique.

La transcription automatique de la musique (TAM) s'inscrit dans le champ de l'indexation audio et de la recherche d'informations musicales. Elle vise à extraire l'information relative aux notes jouées - début, fin, hauteur - dans un enregistrement numérique. Cette thèse aborde la TAM dans le cadre du piano, instrument difficile à transcrire par les systèmes actuels et qui occupe une place majeure d'instrument solo dans la musique occidentale. La problématique générale de la TAM étant vaste et complexe, nous exploitons certains aspects spécifiques du piano pour spécialiser la tâche, tout en abordant des thématiques générales comme l'estimation de fréquences fondamentales (F0) ou l'évaluation. Nous étudions tout d'abord la caractérisation spectrale des sons de piano pour la transcription à travers la distribution inharmonique des partiels, la modélisation de l'enveloppe spectrale des notes et celle du bruit. Nous proposons ensuite une méthode d'estimation de F0 isolées performante dans des conditions d'analyse difficiles qui sont réunies dans le cas du piano: les contraintes d'une fenêtre d'analyse courte et d'un registre étendu. L'estimation de F0 multiples et du degré de polyphonie est abordée via une modélisation conjointe paramétrique (autorégressive/à moyenne ajustée). Cette méthode spectrale s'intègre dans un système de TAM pour le piano analysant tout enregistrement avec des limites raisonnables en termes de polyphonie, de vélocité et de tessiture. Enfin, nous proposons de nouvelles métriques d'évaluation des transcriptions, un cadre d'évaluation de la qualité des métriques et une base de données de sons de piano pour l'estimation de F0 multiples et la TAM.

Deux aspects des instruments à anche simple sont présentés : les transitions entre notes et la composante bruitée du son issue du souffle du musicien. Des mesures avec des musiciens et une bouche artificielle ont permis d'étudier le comportement des instruments et de mettre en évidence des phénomènes caractéristiques accompagnant systématiquement les transitions entre deux notes, tels que le glissando fréquentiel et la réduction de la sonie et de la brillance. Nous avons ensuite proposé un modèle de synthèse adapté au temps-réel permettant de restituer ces effets. Par ailleurs, il est apparu que le signal de pression externe, au-dessous du seuil d'oscillations, était coloré par les résonances de l'instrument ainsi que par un formant du conduit vocal du musicien. L'utilisation d'un modèle de conduit vocal en amont du modèle de l'instrument et l'introduction d'un bruit filtré a alors permis d'obtenir un comportement du modèle de synthèse proche des mesures.

L'archet, élément indispensable à la production sonore des instruments à cordes frottées, a jusqu'à présent fait l'objet de peu d'études scientifiques. Le travail présenté a pour objectif de mieux comprendre son comportement mécanique en situation de jeu. À cette fin, des modèles numériques sont développés. La baguette, précontrainte par la tension du crin, est modélisée par des éléments finis de poutre en formulation corotationnelle, afin de prendre en compte la non-linéarité géométrique inhérente au problème. Un premier modèle (2D) rend compte du comportement de l'archet dans le plan. Il donne lieu à une étude numérique sur une géométrie standard, visant à mettre en évidence l'influence des paramètres de fabrication et de réglage sur le comportement de l'archet sous tension. Un second modèle (3D) intègre le caractère tridimensionnel des sollicitations rencontrées en situation de jeu, prenant en compte la flexion latérale de la baguette. Une procédure non destructive de détermination des propriétés mécaniques du bois et de la mèche, basée sur une méthode inverse utilisant le modèle 2D, est proposée. À titre de validation expérimentale, des résultats numériques obtenus avec le modèle 3D sont confrontés aux résultats de mesures sur deux archets, pour différents réglages du cambre et de la tension. L'effet de la précontrainte sur la raideur de flexion latérale de la baguette est mis en exergue. Le bon accord observé confère au modèle un caractère prédictif, offrant des perspectives d'utilisation en tant qu'outil d'aide à la facture. Par ailleurs, la stabilité de l'archet est un problème que les facteurs doivent prendre en considération. Un modèle phénoménologique basé sur un système mécanique simple est présenté. Il vise à donner certaines tendances sur les conditions d'apparition d'une instabilité par bifurcation ou par point limite, en faisant une analogie avec les propriétés de l'archet. Le calcul numérique du comportement pré- et post-critique de l'archet permet d'identifier des cas d'instabilité similaires, dont on discute les conséquences possibles sur le jeu et la facture. Dans une dernière partie, des essais en jeu axés sur les réglages du cambre et de la tension sont effectués par des musiciens. Les résultats de ces tests subjectifs tendent à montrer l'influence des paramètres de réglage examinés dans l'appréciation des qualités de jeu.

Pour qualifier un instrument, il est possible de proposer des caractérisations acoustiques et vibratoires permettant de quantifier objectivement des différences entre instruments. Le choix des grandeurs pertinentes pour mener à bien ce travail de caractérisation est l'objectif central de la thèse. Le travail concerne essentiellement la guitare et le violon et s'intègre au projet ANR PAFI (Plateforme d'Aide à la Facture Instrumentale) qui prévoit le développement d'outils permettant au luthier d'orienter ses choix lorsqu'il conçoit, fabrique et fait évoluer un instrument. Pour cela, une méthodologie permettant l'identification de propriétés vibratoires de structures mécaniques, qu'ils s'agissent d'instruments de musique ou non est détaillée. Elle s'appuie d'une part sur l'estimation de la densité modale en moyennes fréquences, à l'aide d'une méthode haute résolution, la méthode ESPRIT, et d'autre part sur la théorie de la valeur moyenne de Skudrzyk pour estimer les paramètres caractéristiques de structures se comportant comme des plaques ou des coques minces. L'étude montre que la méthodologie est applicable tant que le facteur de recouvrement modal reste inférieur à 100 %. Des applications à des données expérimentales et simulées montrent que la méthode permet de discriminer des panneaux au moyen des valeurs des masses et raideurs équivalentes. Par ailleurs, la méthode ne requiert que très peu de points de mesures, et un matériel expérimental simple, ce qui rend la procédure abordable et utilisable par un luthier directement en atelier. L'application de la méthode à la guitare révèle que son comportement vibratoire au chevalet en moyennes fréquences est similaire à celui d'une plaque. L'instrument est alors caractérisé par quelques macroparamètres correspondant aux paramètres caractéristiques d'une plaque équivalente : masse, raideur, mobilité moyenne. Deux types de guitares, des instruments haut de gamme fabriqués par des luthiers et des instruments d'étude produits industriellement, sont clairement discriminés à l'aide des valeurs de ces macroparamètres. Une étude détaillée de la mobilité au chevalet, de la densité modale de violon, et des caractéristiques spectrales des sons de violon en situation de jeu, permet de lier des caractéristiques communes à ces trois grandeurs: l'existence de formants dans les sons de violon est établi en procédant à l'analyse spectrale de glissandi. Ces formants sont associés à des pics de la mobilité moyenne mesurée au chevalet. L'examen de la densité modale suggère que le premier pic, situé généralement entre 500 et 1000 Hz, et variable d'un violon à l'autre, est dû à la courbure de la table d'harmonie. Les méthodes développées sont illustrées à travers des exemples d'applications à des problématiques rencontrées en lutherie, mais également par des musiciens.

La harpe de concert est un instrument à cordes dont les propriétés acoustiques et vibratoires ont fait l'objet de peu d'études. L'objectif visé au cours de ce travail de thèse est de comprendre et de modéliser le comportement vibro-acoustique de cet instrument.<br />Dans une première partie, une description générale de l'instrument est proposée, de ses origines à sa constitution actuelle. Une attention particulière est ensuite portée à l'interaction entre le doigt et la corde au moment du pincement : l'analyse d'images obtenues avec une caméra rapide permet d'obtenir les paramètres d'un modèle d'interaction. <br />Dans une deuxième partie, le rayonnement acoustique du corps sonore de l'instrument est étudié. Ce rayonnement met en jeu des couplages entre la table d'harmonie et la caisse de résonance. Une analyse modale, complétée par des mesures de vitesse particulaire acoustique en sortie d'évents permet d'identier deux modes couplés caractéristiques du comportement vibro-acoustique de l'instrument en basses fréquences. Un modèle discret 2 degrés de liberté décrivant la réponse de la harpe autour des fréquences de ces deux modes est développé. Du fait de la particularité des mécanismes d'amortissement présents dans le système, l'estimation des paramètres du modèle n'est possible que grâce à l'utilisation d'une méthode non standard d'analyse modale : l'appropriation par le calcul. Par ailleurs, le rayonnement acoustique en champ lointain est étudié à l'aide d'une antenne de microphones. La méthode dite des sources équivalentes est appliquée an d'identier une distribution de monopoles acoustiques rendant compte du rayonnement acoustique de l'instrument. Finalement, en basses fréquences, la harpe de concert est modélisée par 2 sources acoustiques élémentaires, l'une placée sur la table d'harmonie et l'autre au niveau des évents.<br />La troisième partie est consacrée à l'étude des couplages entre les cordes et la table d'harmonie qui donnent lieu à des phénomènes de résonance par sympathie. Ces couplages sont étudiés au moyen d'un modèle d'instrument à cordes générique constitué d'une poutre encastrée à ses extrémités sur laquelle des cordes sont xées à leurs extrémités. Le formalisme du vecteur d'état et la méthode des matrices de transfert sont utilisés pour décrire la propagation des ondes de exion et de compression dans chaque sous-structure (cordes et poutre). A partir des conditions de couplage entre les sous-structures, les modes de l'assemblage sont déterminés et ceux responsables du phénomène de vibration par sympathie sont identiés. Appliqués au cas de la harpe de concert, ces modes, dit sympathiques, sont également extraits expérimentalement. Les multiples couplages entre les cordes, occasionnés par ces modes, donnent lieu à des signaux musicaux présentant un grand nombre de composantes spectrales, dont les fréquences sont parfois très proches et non résolues dans un même partiel. L'identication de ces composantes est alors eectuée par l'emploi de méthodes spéciques du traitement du signal : des méthodes à haute résolution.<br />Des résultats issus de ces travaux sont mis en perspective pour des applications possibles en facture instrumentale.

L'archet, élément indispensable à la production sonore des instruments à cordes frottées, a jusqu'à présent fait l'objet de peu d'études scientifiques. Le travail présenté a pour objectif de mieux comprendre son comportement mécanique en situation de jeu. À cette fin, des modèles numériques sont développés. La baguette, précontrainte par la tension du crin, est modélisée par des éléments finis de poutre en formulation corotationnelle, afin de prendre en compte la non-linéarité géométrique inhérente au problème. Un premier modèle (2D) rend compte du comportement de l'archet dans le plan. Il donne lieu à une étude numérique sur une géométrie standard, visant à mettre en évidence l'influence des paramètres de fabrication et de réglage sur le comportement de l'archet sous tension. Un second modèle (3D) intègre le caractère tridimensionnel des sollicitations rencontrées en situation de jeu, prenant en compte la flexion latérale de la baguette. Une procédure non destructive de détermination des propriétés mécaniques du bois et de la mèche, basée sur une méthode inverse utilisant le modèle 2D, est proposée. À titre de validation expérimentale, des résultats numériques obtenus avec le modèle 3D sont confrontés aux résultats de mesures sur deux archets, pour différents réglages du cambre et de la tension. L'effet de la précontrainte sur la raideur de flexion latérale de la baguette est mis en exergue. Le bon accord observé confère au modèle un caractère prédictif, offrant des perspectives d'utilisation en tant qu'outil d'aide à la facture. Par ailleurs, la stabilité de l'archet est un problème que les facteurs doivent prendre en considération. Un modèle phénoménologique basé sur un système mécanique simple est présenté. Il vise à donner certaines tendances sur les conditions d'apparition d'une instabilité par bifurcation ou par point limite, en faisant une analogie avec les propriétés de l'archet. Le calcul numérique du comportement pré- et post-critique de l'archet permet d'identifier des cas d'instabilité similaires, dont on discute les conséquences possibles sur le jeu et la facture. Dans une dernière partie, des essais en jeu axés sur les réglages du cambre et de la tension sont effectués par des musiciens. Les résultats de ces tests subjectifs tendent à montrer l'influence des paramètres de réglage examinés dans l'appréciation des qualités de jeu. / The bow, which is essential to produce the sound of bowed string instruments, has been little studied. The present work aims to better understand its mechanical behavior in playing situation. To this end, numerical models are developped. The stick, which is prestressed due to hair tension, is modelized by beam finite elements. A corotational formulation is adopted to take into account geometric nonlinearity. A first model (2D) concerns the in-plane behavior of the bow. It is used within a numerical study aiming at showing the influence of making and adjusting parameters on the tightened bow. A second model (3D) takes into account out-of-plane loading that makes the stick bend laterally. A non-destructive procedure to determine mechanical properties of wood and hair is proposed. It is based on an inverse method using the 2D model. As an experimental validation, numerical results obtained with the 3D model are confronted to measurement on two bows, for different settings of camber and hair tension. The effect of prestress on lateral bending stiffness is highlighted. A good agreement is observed. Thus, the model can be considered as predictive and might be used as an aid to bow making. Furthermore, the stability of a bow is a problem considered by bow makers. A phenomenological model based on a simple mechanical system is presented. It aims to give tendancies on conditions at which bifurcation or limit point instability can occur, by drawing an analogy with the bow. The numerical computation of pre- and post-critical behavior of the bow shows similar instability cases. Their possible consequences on playing and making are discussed. Finally, playing tests with musicians are carried out, focusing on the adjustment of camber and hair tension. The results tend to show the influence of the considered adjustment parameters on the assessment of playing qualities.

Ce travail de recherche est une contribution à l'étude des transitoires d'attaque dans les instruments de type clarinette. L'objectif est d'analyser le comportement de l'instrument en réponse à une variation lente et linéaire de la pression dans la bouche du musicien.Dans des simulations numériques ou des expériences in vitro, lorsque la pression dans la bouche du musicien varie lentement et linéairement dans le temps, on observe en général l'apparition du son lorsque la pression dans la bouche atteint une valeur, appelée seuil d’oscillation dynamique, supérieure au seuil d'oscillation statique. L'apport principal de ce travail est d'interpréter ce phénomène par la présence d'un retard à la bifurcation.L'approche analytique est privilégiée. La contribution majeure de ce doctorat est de comprendre les fondements de la théorie de la bifurcation dynamique afin d’étudier le retard à la bifurcation dans le modèle de clarinette dit "de Raman". Les propriétés du seuil dynamique d’oscillation sont ainsi reliées aux caractéristiques de la variation temporelle de la pression dans la bouche (sa valeur initiale et sa pente). L'une des caractéristiques notoires du retard à la bifurcation est sa grande dépendance au bruit, même s’il provient des erreurs d’arrondi de l’ordinateur. Les propriétés du seuil dynamique changent selon que le bruit peut être ignoré ou non.Nous montrons ensuite expérimentalement à l'aide d’une bouche artificielle et d'une clarinette de laboratoire que le retard à la bifurcation n'est pas qu'un phénomène numérique. Il est ainsi mis en évidence expérimentalement et ses propriétés sont également étudiés et comparées avec celles obtenues dans le cas numérique. / This research is a contribution to the study of attack transients in clarinet-like instruments. The main objective is to understand the behavior of the instrument when the mouth pressure is increased slowly through time at a constant rate.Although previous research proves that oscillations can appear at a value of the static oscillation threshold, numerical simulations and in vitro experiments show that for gradual increases of the mouth pressure, the audible sound generally appears when mouth pressure reaches a much higher value, called the dynamic oscillation threshold. This phenomenon is referred to as bifurcation delay in this work.A major part of this work follows an analytical approach, using the foundations of dynamic bifurcation theory to study the bifurcation delay in the simple "Raman" clarinet model. The properties of the dynamic oscillation threshold are related to indicators of the time variation of the mouth pressure such as its initial value and its slope. One of the remarkable features of the bifurcation delay is its strong dependence on noise, including that arising from round-off errors of the computer. The properties of the dynamic threshold are different according to whether the noise can be ignored or not.Additionally, an artificial mouth is used on a clarinet-like instrument to show that the bifurcation delay is not only a numerical phenomenon. Experimental observations performed on a clarinet-like instrument blown by an artificial mouth prove that bifurcation delay exists also on real-life systems. These observations show that the properties of the bifurcation delay observed in low-precision simulations are similar to experimental ones.