This work considers the synthesis of brass instrument sounds using time-domain numerical methods. The operation of such a brass instrument is as follows. The player's lips are set into motion by forcing air through them, which in turn creates a pressure disturbance in the instrument mouthpiece. These disturbances produce waves that propagate along the air column, here described using one spatial dimension, to set up a series of resonances that interact with the vibrating lips of the player. Accurate description of these resonances requires the inclusion of attenuation of the wave during propagation, due to the boundary layer effects in the tube, along with how sound radiates from the instrument. A musically interesting instrument must also be flexible in the control of the available resonances, achieved, for example, by the manipulation of valves in trumpet-like instruments. These features are incorporated into a synthesis framework that allows the user to design and play a virtual instrument. This is all achieved using the finite-difference time-domain method. Robustness of simulations is vital, so a global energy measure is employed, where possible, to ensure numerical stability of the algorithms. A new passive model of viscothermal losses is proposed using tools from electrical network theory. An embedded system is also presented that couples a one-dimensional tube to the three-dimensional wave equation to model sound radiation. Additional control of the instrument using a simple lip model as well a time varying valve model to modify the instrument resonances is presented and the range of the virtual instrument is explored. Looking towards extensions of this tool, three nonlinear propagation models are compared, and differences related to distortion and response to changing bore profiles are highlighted. A preliminary experimental investigation into the effects of partially open valve configurations is also performed.

Ce travail présente et valide une théorie nonlocale nouvelle et généralisée, de la propagation acoustique dans les milieux poreux à structure rigide, saturés par un fluide viscothermique. Cette théorie linéaire permet de dépasser les limites de la théorie classique basée sur la théorie de l'homogénéisation. Elle prend en compte non seulement les phénomènes de dispersion temporelle, mais aussi ceux de dispersion spatiale. Dans le cadre de la nouvelle approche, une nouvelle procédure d'homogénéisation est proposée, qui permet de trouver les propriétés acoustiques à l'échelle macroscopique, en résolvant deux problèmes d'action-réponse indépendants, posés à l'échelle microscopique de Navier-Stokes-Fourier. Contrairement à la méthode classique d'homogénéisation, aucune contrainte de séparation d'échelle n'est introduite. En l'absence de structure solide, la procédure redonne l'équation de dispersion de Kirchhoff-Langevin, qui décrit la propagation des ondes longitudinales dans les fluides viscothermiques. La nouvelle théorie et procédure d'homogénéisation nonlocale sont validées dans trois cas, portant sur des microgéométries significativement différentes. Dans le cas simple d'un tube circulaire rempli par un fluide viscothermique, on montre que les nombres d'ondes et les impédances prédits par la théorie nonlocale, coïncident avec ceux de la solution exacte de Kirchhoff, connue depuis longtemps. Au contraire, les résultats issus de la théorie locale (celle de Zwikker et Kosten, découlant de la théorie classique d'homogénéisation) ne donnent que le mode le plus attenué, et encore, seulement avec le petit désaccord existant entre la solution simplifiée de Zwikker et Kosten et celle exacte de Kirchhoff. Dans le cas où le milieu poreux est constitué d'un réseau carré de cylindres rigides parallèles, plongés dans le fluide, la propagation étant regardée dans une direction transverse, la vitesse de phase du mode le plus atténué peut être calculée en fonction de la fréquence en suivant les approches locale et nonlocale, résolues au moyen de simulations numériques par la méthode des Eléments Finis. Elle peut être calculée d'autre part par une méthode complètement différente et quasi-exacte, de diffusion multiple prenant en compte les effets viscothermiques. Ce dernier résultat quasi-exact montre un accord remarquable avec celui obtenu par la théorie nonlocale, sans restriction de longueur d'onde. Avec celui de la théorie locale, l'accord ne se produit que tant que la longueur d'onde reste assez grande.