Reproduction de : Thèse de doctorat : Acoustique : Le Mans : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 159 - 165.

Diss.--München--Univ., 1998. / Bibliogr. p. 288-307.

Diss.--Chemnitz, 2003. / Liste biographique des facteurs d'instruments à vent et des firmes p. 163-268. Arbres généalogiques des principaux facteurs p. 269-294. Sources et bibliogr. p. 327-336. Index.

Dissertation--Frankfurt am Main--Goethe-Universität, 2006. / Bibliogr. p. 225-243.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Acoustique : Le Mans : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p.123-128.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Acoustique : Le Mans : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 117-121.

Cette thèse est consacrée à l'étude des instruments de musique à vent à anche simple (saxophone, clarinette) vus comme des systèmes dynamiques auto-oscillants. Ces instruments sont modélisés sous la forme d'un système bouclé associant un élément linéaire (le résonateur) et un élément constitué du bec et de l'anche (agissant comme une valve) caractérisé par une relation non linéaire reliant le débit entrant à la différence de pression de part et d'autre de l'anche. L'intérêt est porté ici sur la caractérisation de cette relation non linéaire et son influence sur les oscillations.<br /><br />Une étude essentiellement bibliographique a montré que les modèles simplifiés d'instrument à anche simple conique ou cylindrique sont formellement analogues aux modèles élémentaires de corde frottée. En effet, grâce à de nouvelles correspondances, il est mis en évidence que pour chaque paramètre ou variable il existe un analogue.<br />Une étude théorique exploite ensuite cette analogie : des travaux antérieurs sur la stabilité des solutions périodiques pour la pression dans les instruments à vent sont prolongés et complétés en s'inspirant de travaux traitant de la corde frottée. L'intérêt est porté sur l'influence de la relation non linéaire. Faisant usage de calcul analytique et de simulations numériques dans le domaine temporel, des conditions sur la relation non linéaire pour obtenir des solutions périodiques stables sont données dans le cas d'instruments à vent de type conique dont le résonateur est modélisé comme une ligne à deux retards.<br /><br />La stabilité des solutions dépendant très fortement de la relation pression-débit à l'entrée de l'instrument, une méthode de mesure de cette caractéristique en régime statique a été mise au point pour les instruments à anche. Celle-ci a permis de valider un modèle élémentaire usuel basé sur la relation de Bernoulli et une modélisation de l'anche comme une raideur pure. Cette mesure permet en outre de mesurer précisément et simplement les paramètres de ce modèle, quasiment inaccessibles auparavant.<br /><br />Néanmoins, lorsque la différence de pression de part et d'autre de l'anche est importante, le modèle élémentaire et la caractéristique pression-débit mesurée diffèrent. Ceci est lié à la façon dont l'anche se déforme lorsqu'elle se plaque sur la table du bec (surface courbe). Afin d'obtenir des données sur cet aspect, un dispositif expérimental original permettant de mesurer la surface de contact entre la table et l'anche en mouvement a été conçu. Celui-ci a permis de tester expérimentalement pour la première fois la validité d'hypothèses formulées dans différentes publications. <br /><br />Une comparaison théorie/expérience de l'évolution du spectre des oscillations d'une clarinette est finalement proposée. Grâce à la mesure de la relation pression-débit et à la possibilité d'évaluer les paramètres du modèle élémentaire équivalent, la comparaison est ici quantitative tandis que les travaux similaires antérieurs sont essentiellement qualitatifs. Cette étude expérimentale, qui complète des travaux théoriques, permet de mettre en évidence les qualités et les lacunes du modèle élémentaire. Le protocole expérimental défini fournit de plus une méthode qui permettra de tester la validité des modifications ultérieures de ce modèle.

L'étude porte sur les pertes acoustiques non-linéaires localisées à la sortie d'un tube cylindrique. Trois aspects sont envisagés : tout d'abord la mise en évidence du phénomène par la mesure de l'impédance terminale du tube, puis la modélisation physique du phénomène et enfin l'application aux instruments de musique à vent. Le travail comprend trois parties qui traitent des trois aspects envisagés.<br /><br />Dans une première partie, des mesures de l'impédance terminale réalisées à l'aide d'une méthode à deux microphones montrent que les pertes à la sortie du tube - partie réelle de l'impédance terminale dans le cadre de l'approximation du premier harmonique - augmentent avec l'amplitude de la vitesse acoustique. Les résultats montrent que l'importance de ces pertes dépend fortement du rayon de courbure des bords intérieurs à la sortie de tube. En outre, pour les faibles rayons de courbure, deux régimes sont mis en évidence. L'existence de ces deux régimes est confirmée par des observations utilisant la vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) réalisées en collaboration avec l'Université d'Edimbourg : dans les deux cas un anneau tourbillonnaire est formé à la sortie du tube mais dans le cas du premier régime (faibles vitesses acoustiques) l'anneau reste accroché aux bords du tube alors que dans le cas du second régime (fortes vitesses acoustiques) il est expulsé.<br /><br />La seconde partie concerne la modélisation du phénomène dans le but de mieux comprendre les mécanismes physiques mis en jeu. La théorie du bruit tourbillonnaire (``vortex sound theory'') est appliquée afin d'estimer directement les pertes à la sortie du tube. Trois calculs utilisant cette théorie sont menés : le premier, analytique, sur la base d'un unique anneau tourbillonnaire fixe ou mobile, le second à partir des mesures par PIV et le troisième par la méthode numérique dite des réseaux de Boltzmann. Les trois calculs conduisent à des résultats similaires qui démontrent que les pertes non linéaires trouvent leur origine dans la formation d'anneaux tourbillonnaires en sortie de tube. Ces résultats sont confrontés avec succès aux résultats issus des mesures d'impédance. <br /><br />La troisième partie analyse les conséquences que peuvent avoir les pertes non linéaires dans le fonctionnement d'un instrument de musique à trous latéraux. Il est montré expérimentalement et à l'aide de simulations numériques que la dynamique de jeu d'un instrument à vent dépend directement des pertes dans l'instrument et que cette dynamique peut être étendue lorsque les pertes à la sortie sont minimisées par exemple en chanfreinant les bords des trous latéraux.

Le but principal de ce travail était de développer un outil numérique permettant de décrire le couplage entre le fluide interne et le fluide externe d'un résonateur de longueur finie, afin d'étudier le lien existant entre la géométrie du résonateur et son rayonnement. Pour cela nous nous sommes attachés à l'étude des résonances complexes, correspondant aux pôles de la fonction de Green du système couplé avec le milieu extérieur. La partie imaginaire des fréquences de résonance est ici directement reliée aux pertes dues au rayonnement. Nous avons basé notre travail sur trois grands axes : une étude analytique à l'aide d'une théorie modale avec la prise en compte des modes non plans, le développement d'une méthode numérique basée sur les éléments finis de frontière ainsi qu'une confrontation expérimentale de nos résultats théoriques. La théorie modale analytique nous a permis d'étudier le rayonnement de résonateurs cylindriques de longueur finie débouchant dans un écran infini, ce qui constitue un cas de référence pour la suite de l'étude. La méthode numérique développée dans un code Fortran parallélisé nous a donné la possibilité d'étudier des résonateurs de géométries plus complexes telles que celles des pavillons. Afin de réduire le temps de calcul, nous avons introduit une méthode hybride utilisant la théorie modale pour décrire la partie conservative du système, permettant des calculs rapides, et une méthode d'éléments finis de frontière, qui permet une représentation précise des géométries complexes, pour décrire la partie rayonnante. Les premiers résultats, concernant les résonances d'un système constitué d'un cylindre et d'un pavillon, ont pu être comparés aux mesures obtenues avec notre montage expérimental dans le cas du pavillon de Bessel et du pavillon conique.

Ce mémoire traite de l'acoustique de la clarinette et du rôle de l'anche, résumant des travaux menés entre 2001 et 2018 sur divers sujets :I) Étude de modèles analytiques élémentaire focalisée sur : 1) le rôle des pertes. 2) les cartes itérées, mettant en évidence divers régimes de fonctionnement, utiles aussi pour la pédagogie instrumentale. II) Étude de caractérisation des anches : 1) Étude dynamique des résonances de l'anche réalisée par holographie. Elle conduit à un modèle de matériau viscoélastique expliquant certaines différences observées dans les fréquences des 15 premiers modes de l'anche. 2) Étude statique des caractéristiques mécaniques et aérauliques de l'excitateur (anche+bec+lèvre). La méthode mesure précisément la quantité d'air entrant dans l'instrument en fonction de la pression de lèvre et d'air. III) Synthèse sonore par modèle physique en temps réel : 1) Modélisation mécanique et aéraulique de l'anche, d'après mesure. Le modèle de ressort raidissant non linéaire proposé autorise une simulation dynamique efficace. 2) Estimation modale de l'impédance d'entrée (mesurée) des instruments à vent. On montre les techniques de conception de filtres numériques précis et passifs à toute fréquence. 3) Modélisation et simulation instruments à vent au moyen de guide-ondes, par estimation modale, implémentée dans un logiciel en C++. IV) Une étude de jouabilité d'un panel de 40 anches par analyse canonique des corrélations révèle des liens statistiquement solides entre mesures physiques, évaluations subjectives et synthèse sonore. Elle autorise une caractérisation des anches pouvant être réalisé par le fabricant, selon au moins 4 facteurs indépendants. / This thesis deals with the acoustics of the clarinet and the role of the reed, summarizing studies carried out between 2001 and 2018 on various topics : I) Study of elementary analytical models, focused on 1) role of losses. 2) iterated maps, highlighting various operating regimes, which are also useful for the instrumental pedagogy. II) Reed characterization study : 1) Dynamic study of the reed resonances, by holography. It leads to a model of viscoelastic material explaining some differences observed in the frequencies of the first 15 modes of the reed. 2) Static study of the mechanical and aeraulic characteristics of the exciter (reed + mouthpiece + lip). The method accurately measures the airflow entering the instrument as a function of lip and air pressure. III) Sound synthesis by physical model in real time : 1) Mechanical and aeraulic modeling of the reed, according to measurements. The proposed nonlinear stiffening spring model allows for an efficient dynamic simulation. 2) Modal estimation of the (measured) input impedance of wind instruments. Design techniques for accurate digital filters, passive at any frequency, are described. 3) Modal estimation and simulation of wind instruments by waveguides, implemented in C ++ software. IV) A playability study of a panel of 40 reeds by canonical correlation analysis reveals statistically strong links between physical measurements, subjective evaluations and sound synthesis. It allows a characterization of the reeds that can be made by the manufacturer, according to at least 4 independent factors.