Perces et justesse

Les cylindres n’en sont pas vraiment

Le 25 Palotin 133 - Sts Potassons, acolytes , par EricW

Tout part de la question bête et méchante sur une clarinette : pourquoi mon mi grave est trop bas alors que mon si clairon est juste ? (ou tout autre configuration du même genre). Plusieurs personnes l’ont demandé (ailleurs qu’ici), et moi même il faut que je mette de l’ordre dans ce que je sais la dessus, donc c’est parti.

Préambule

Une grande part des idées développées provient des articles et notes de cours de Arthur H. Benade, acousticien américain ayant beaucoup travaillé sur les instruments à vent en général, sur la clarinette en particulier, et sur les problèmes d’accord et d’intonation de ces instruments. Une partie de ses écrits est disponible à l’adresse suivante. J’ai aussi été piocher dans des sources plus vulgarisées, de façon à essayer de maintenir un niveau théorique accessible.

Introduction

Le problème général sous-jacent est l’accord et l’ajustement des instruments à vent. Ce problème est très complexe à résoudre. Il faut bien comprendre qu’il n’y a pas de recette miracle. Un instrument à vent est un système complexe, dépendant de pas mal de paramètres, et modifier un de ces paramètres a des conséquences sur tous les autres. Notamment, on se rendra compte qu’essayer de corriger un problème de justesse a forcément des répercutions en terme de timbre et de réponse dynamique de l’instrument. Les quelques notes qui suivent essayent de dégager des grands principes sous une forme vulgarisée (mais on échappera pas à quelques notions de physique, désolé...).

Je commencerai par une petite synthèse historique sur diverses solutions utilisées au cours de l’histoire de la clarinette pour résoudre ces problèmes d’accord. Cela vous donnera (j’espère) quelques idées de base sur les problèmes à résoudre.

Je vous présenterai ensuite quelques principes physique permettant de répondre à certains des problèmes posés. Je ne répondrai pas à tous les problèmes, d’abord parce que moi même je ne maîtrise pas le sujet à fond, et ensuite parce que l’idée est ici de vulgariser, autrement dit de donner des intuitions.

L’accord des clarinettes

Ce que je vais vous raconter ici concernant l’accord de la clarinette vu sous un angle historique est une synthèse d’un article de vulgarisation de Arthur Benade sur le sujet [1]. En fait, cet article va beaucoup plus loin qu’une simple description de l’évolution des techniques utilisées pour résoudre les problèmes d’accord. Je trouve qu’il met un drôle de coup de pied dans la fourmilière, autrement dit il remet sacrément en question la façon dont sont conçues les clarinettes Boehm actuelles. C’est vraiment très très intéressant, et j’ai gardé tout cet aspect dans la synthèse/traduction qui suit. Même si je n’ai pas traduit in extenso cet article (j’ai parfois un peu abrégé certains passages), je vais quand même mettre tout entre guillemets, car c’est quand même de la quasi citation.

« Si on observe l’évolution de la conception d’un instrument de musique tout au long de son histoire, on peut mettre en relief une partie de ce que ses fabricants ont découvert à son propos, au fur et à mesure de leur confrontation aux tares de l’instrument, et en tentant d’y palier.

Commençons par regarder quelques principes de bases soutendant l’accord et la réponse d’une clarinette [2]. Commençons par considérer une clarinette très simple, formée d’un tube cylindrique, et munissons la d’une rangée de trous répartis uniformément, de façon à pouvoir produire une gamme chromatique allant des notes du chalumeau jusqu’aux clefs de cadence situées les plus « au nord » de l’instrument. La justesse et la réponse en terme de timbre de cet instrument nous apparaîtra bonne sur les deux premiers tiers de la gamme du registre chalumeau. Si l’instrument est équipé d’une clé de registre telle qu’on la connaît, on se rendra alors compte que la partie médiane du registre clairon (entre le ré5 et le la5 environ) est assez correctement juste. Par contre, si on descend en dessous du , les notes seront un peu trop hautes, et si on monte au dessus du la elles seront beaucoup trop hautes.

En ce qui concerne le timbre et la réponse de ces notes du registre clairon, elle est excellente dans la partie médiane, plutôt bonne dans la partie basse, et un peu agressive dans la partie haute, quand on va vers le do6.

Une rapide expérimentation permet de constater que c’est le trou de registre lui même qui est responsable de l’élévation des notes du registre clairon. Si on attaque une note de ce registre normalement et qu’on relâche la clé de registre en maintenant l’émission de la note, on constate que la douzième redevient presque parfaite.

Donc finalement, la moyen le plus simple de rendre juste le registre clairon par rapport au chalumeau serait de supprimer la clé de registre . Avouons que ça ne serait pas très pratique. Une autre solution serait de déplacer les trous des notes incriminées (au dessus du la5 et en dessous du ré5 vers le bas. Cela corrigerait le problème du registre clairon, mais le reporterait sur le registre chalumeau (et médium) qui deviendrait progressivement trop bas à ses deux extrémités. En revanche, le timbre et la réponse de l’instrument seraient pratiquement inchangés.

Une autre méthode permettant de baisser la hauteur des notes aux extrémités du registre clairon serait de diminuer la taille des trous allant du la5 au do6 et de ré5 au si4. Dans ce cas, l’effet abaissant sur les notes du chalumeau serait moins perceptible. En revanche, le timbre aux deux extrémités du chalumeau deviendrait sourd, faible et instable. Les notes correspondantes du clairon seraient aussi quelque peu affectées.

Il existe encore une autre approche possible pour abaisser les extrémités du registre clairon. Élargir la perce à l’extrémité la plus basse et/ou la rétrécir en haut de l’instrument ferait « monter » le registre chalumeau, mais ferait aussi monter le registre clairon dans une moindre proportion, réduisant ainsi l’intervalle entre les deux registres pour le rapprocher de la douzième. Il suffit alors de choisir la quantité de changement à apporter à la perce pour arriver à un intervalle de douzième juste, et de déplacer les trous vers le bas de l’instrument pour rétablir l’accord global de l’instrument. Le problème est que dans cette configuration, on se rend compte que le timbre et la réponse du chalumeau sont sérieusement dégradés, ainsi que le clairon.

Si on récapitule un peu ce qui vient d’être dit, voici ce que nous avons appris :

- La clé de registre hausse l’accord des notes du registre clairon de façon progressive, de chaque côté d’une note pivot qui n’est pas affectée, le mi5.
- On peut corriger ce problème de justesse du registre clairon en modifiant certains paramètres, mais on échappe pas à des effets collatéraux :

modification effet indésirable avantage
position des trous accord du chalumeau faussé timbre et réponse inchangés
diamètre des trous accord du chalumeau faussé, timbre très affecté
géométrie de la perce timbre et réponse du chalumeau affectés douzièmes parfaites

Les fabricants d’instruments n’ont pas nécessairement décrit le problème de l’accord de la clarinette dans les termes utilisés ici. En revanche, l’étude d’instruments anciens montre qu’ils comprenaient ces phénomènes, y compris au temps de l’apparition de la clarinette. Après tout, les facteurs d’instruments étaient déjà familiers de ces problèmes de trous et de perce, pour les rencontrer sur les flûtes, les hautbois et les bassons. On remarque aussi une remarquable constance dans les réponses apportées à ce problème du trou de registre dans toute l’Europe au cours du XIXème siècle.  »

Conception de la clarinette, de l’époque de Mozart à 1930

« Très tôt dans l’histoire du développement de la clarinette, on s’est rendu compte que raccourcir un petit peu l’extrémité inférieure, élargir légèrement les derniers centimètres de la perce, cylindrique par ailleurs, et ajouter un pavillon plus ou moins conique abaissaient le si et le do du bas du clairon, suffisamment pour que le clarinettiste puisse corriger ces notes sans avoir à fournir un effort démesuré. Les clarinettistes trouvèrent parallèlement qu’abaisser ces notes en relâchant légèrement leur embouchure améliorait le timbre de façon significative.

À l’autre extrémité du registre clairon, il était aussi possible d’abaisser les notes en relâchant l’embouchure. En d’autres termes, une clarinette équipée d’un pavillon et de cette percer légèrement élargie dans sa partie basse pouvait produire un bon timbre et un bon accord du registre clairon, le coût étant une coloration du timbre un peu trop prononcée dans le haut du registre clairon. Le chalumeau était aussi assez bon (ça c’est tel que le dit Benade, je pense qu’il veut dire que le timbre était bon et la réponse dynamique aussi). Une expérimentation un peu plus poussée a montré que l’articulation des toutes les notes du clairon était plus claire et plus propre si l’accord était approprié pour la tension d’embouchure qui donnait la sonorité la plus pleine et la plus stable, une fois la note émise [3].

L’instrument que nous avons décrit dans les paragraphes précédents est grosso modo celui qui a été utilisé de l’époque de Mozart jusqu’à celle de Schubert, ce qui prouve que le modèle était musicalement utilisable. »

J’ajouterai pour ma part que cela ne prouve pas qu’il était facilement utilisable, mais peut être plus pour des questions de mécanique (peu de clés, voir la présentation historique de la clarinette) que pour des questions d’émission ou de timbre. Personnellement, je constate a posteriori qu’au cours de mes expérimentations sur les clarinettes et les saxophones en bambou, j’ai fait certaines des constatations mentionnées dans les paragraphes précédents. Effectivement, avec une perce quasi cylindrique telle que celle décrite, la sonorité du registre grave est excellente, beaucoup plus claire que ce qu’on trouve sur les instruments actuels, mais on va y revenir par la suite.

Je vous abrège rapidement tout un paragraphe ou Benade montre qu’en fait, le clarinettiste avait certes un certain effort à produire pour être juste et avoir un bon timbre, mais que cet effort pouvait très largement devenir une habitude, tout comme le font encore aujourd’hui les hautboïstes ou les trompettistes, qui « jouent » beaucoup plus sur l’embouchure que les clarinettistes actuels (les classiques du moins, sans jugement de valeur aucun). Il dit ensuite quelque chose qui personnellement me donne à réfléchir :

« les facteurs de l’époque auraient parfaitement pu produire des instruments avec douzièmes justes, mais qu’ils ne l’ont pas fait parce que leurs clients, habitués à une certaine gymnastique de l’embouchure, n’auraient pas toléré la parte de réponse dynamique et de coloration du timbre qui aurait accompagné un tel accord.

Au alentour des années 1820-1830, on a découvert qu’élargir un petit peu la perce au dessus des trous (dans la région du barillet), améliorait le médium et aidait à l’amélioration du timbre de la partie la plus aiguë du registre clairon. Cela entraînait aussi une petite élévation du haut du clairon, nécessitant un ajustement un peu plus important de la part du clarinettiste, mais en pratique, ce n’était pas un gros problème. Les clarinettes non-Boehm jusqu’à aujourd’hui sont accordées sur ces principes, et les clarinettes Boehm (la mécanique que nous connaissons tous) ont été accordées ainsi jusque dans les années 1930. »

Changement de conception dans les années 1940

« À la fin de la deuxième guerre mondiale, une autre philosophie de l’accord des clarinettes est apparue, partant de bonnes intentions mais produisant, selon Benade, des effets néfastes. Ce sont les facteurs de clarinettes Boehm qui ont introduit ces nouveaux principes. Avant d’expliquer ce nouveau schéma d’accord, rappelons quelque chose de familier à propos du comportement des anches. Tout le monde sait que tirer (pincer) ou relâcher l’embouchure fait monter ou baisser la note. Quelque chose de moins connu en revanche est que lorsqu’on augmente la pince, l’élévation de la note est de moins en moins importante.

En d’autres termes, une clarinette devient très « stable » en hauteur de note si elle est jouée avec une embouchure très tirée. Un certain nombre de gens ont alors pensé que si une clarinette pouvait être accordée pour une utilisation avec une embouchure tirée, cela demanderait moins de contrôle sur l’embouchure de la part de l’instrumentiste. Il lui suffirait en quelque sorte de tirer et souffler, et c’est tout. Les défenseurs de cette idée pensaient qu’ainsi ils relevaient l’instrumentiste d’une tâche difficile. Une fois que ce style de jeu utilisant une embouchure très pincée est accepté, il devient assez facile de décider d’un ensemble de proportions pour la perce et les trous pour donner une clarinette qui arrive à jouer une gamme chromatique tempérée exacte sur toute son étendue  » (là je trouve qu’il abuse un peu, le monsieur Benade, mais ce n’est pas complètement faux non plus).

Encore une fois, ce que dit Benade dans ce qui suit est assez déstabilisant (je trouve) mais ça donne vraiment à réfléchir sur la pratique instrumentale. Je vous laisse apprécier.

« Toutes les clarinettes Boehm d’aujourd’hui sont construites suivant ces principes. En première approche, les facteurs semblent avoir résolu les problèmes d’accord de la clarinette, en enlevant toute responsabilité à l’instrumentiste. Ils ont complètement intégré le principe qui veut que la musique actuelle se joue en utilisant le tempérament égal. Mais en fait, seul le piano utilise ce tempérament : tous les musiciens d’un niveau avancé utilisant d’autres instruments prennent la responsabilité d’abaisser ou d’élever ses notes pour mieux les intégrer à l’environnement harmonique [4]. En d’autres termes, les concepteurs de la clarinette actuelle ont handicapé l’instrumentiste en lui retirant une de ses ressources.

Un autre problème apparaît avec les clarinettes conçues pour être jouées avec une embouchure tirée. La taille des trous, et surtout la perce fortement divergente sur le tiers inférieur de l’instrument conduisent à des notes sourdes, faibles et ayant peu de réponse à chaque extrémité du registre chalumeau. En bref, la stabilité de la hauteur des notes a été instaurée au détriment du timbre, de l’articulation, et de la capacité à jouer juste au sein d’un ensemble. »

Voila, je vais en rester là sur ce chapitre, je pense que les grands principes de correction sont dégagés, et que les différentes voies qui ont été explorées le sont aussi. Essayons maintenant de regarder d’un peu plus près ce qui se passe d’un point de vue physique.

Colonnes d’air et modes vibratoires

Nous allons essayer de regarder ici d’un peu plus près les principes qui lient la géométrie de la perce à l’accord de l’instrument. Je n’aborderai pas les incidences sur le timbre (ou très peu et de façon assez indirecte), car j’avoue que j’ai déjà des difficultés à comprendre moi même, donc je suis très loin de pouvoir le restituer simplement et clairement.

Pour commencer, nous allons rappeler quelques propriété des colonnes d’air, qui permettront d’expliquer certains phénomènes par la suite. Ces propriétés soutendent l’utilisation et la mise au point des instruments à vent, et peuvent être utilement énoncées dès le départ. La signification et les implications de ces propriétés deviendront plus clairs au fur et à mesure.

Je ne reviendrai pas sur les principes de base de mise en vibration d’une colonne d’air, et les différents types de résonateurs qui existent. J’en parle un petit peu dans l’article sur le placement des trous, sinon il existe à ma connaissance deux bonnes sources de vulgarisation sur le sujet, [5] et [6].

Nous prendrons comme point de départ un tuyau cylindrique fermé à une extrémité, de longueur L et de rayon a tel que celui présenté dans la figure ci dessous. Ce modèle parfaitement théorique correspond, du point de vue du comportement vibratoire de la colonne d’air, aux instruments à anche (simple ou double) et aux instrument à embouchure (trompette, etc...). La version cylindrique présentée est le modèle idéalisé d’une clarinette.

PNG - 2.2 ko
Tuyau cylindrique fermé à une extrémité

Les fréquences naturelles qui peuvent être produites par ce tuyau sont :

f_n = (2n-1)\frac{c}{4L}

n=1,2\ldots est appelé le numéro de mode, et c est la vitesse de propagation du son dans l’air. Dans le cas d’une clarinette, on peut raisonnablement poser c=345 m/s [7].

Par exemple, si on considère un tuyau d’un mètre de long, les fréquences successivement produites par des différents modes vibratoires seront f_1=86.25Hz, f_2=3\times 86.25=258.75Hz, f_3=5\times 86.25=431.25Hz,\ldots

Ne vous préoccupez pas des histoires de « correction de fin de tuyau », etc., car il y a plein d’à cotés de ce genre et nous n’en finirions jamais... La plus familière n’est de toute façon pas la plus importante pour ce qui nous concerne ici (elle l’est pour d’autres raisons, si vous avez lu le papier sur le placement des trous sur les instruments à vent).

Un outil de mesure important pour la suite est la courbe de résonance de l’impédance d’entrée mesurée à l’extrémité fermée (c.-à-d. à l’embouchure). Cette courbe ressemble à celle qui est montrée à la figure ci dessous. Cette courbe exprime l’impédance d’entrée en fonction de la fréquence d’excitation (c’est à dire la fréquence imposée au système pour le mettre en vibration). Dit plus simplement, elle nous dit à quelles fréquences la perce a une tendance naturelle à bien sonner.

PNG - 3.1 ko
Courbe de résonance de l’impédance d’entrée mesurée à l’extrémité fermée

Quelques remarques sur cette courbe :

- La hauteur des pics décroît d’un facteur \frac{1}{\sqrt{2n-1}} ;
- la largeur de bande à mi puissance (indiquée par les petites flèches bleues sur le schéma) croît de \sqrt{2n-1}.
- on a pics significatifs (exploitables d’un point de vue sonore) tant que \frac{Z\pi f_n}{c}a\ll 2.

L’idée de base de cette courbe est que le premier pic, le plus important, correspond au régime vibratoire de base de la perce. Sur la clarinette, c’est le chalumeau (et même simplement le mi grave, si on considère tout la perce). Le deuxième pic est le second mode vibratoire. Sur la clarinette, c’est le clairon (toujours si on considère toute la perce, le si dans la portée). Ce second régime sort moins facilement (c’est pour cela qu’on adjoint une clé de registre aux instruments, pour justement faire résonner l’instrument dans ce mode vibratoire plus facilement [8]). Et ainsi de suite ...

Donc, pour notre perce de référence, les fréquences naturelles (fréquences de résonance), font partie de la séquence 1,3,5,... et sont de ce fait constituées des membres impairs de la série des harmoniques. En partant de cette constatation, on peut se demander quel est l’intervalle musical qui sépare ces différentes fréquences ? Par exemple, quel est le nom de l’intervalle musical tel que f_2/f_1=3/1=??. Sur notre clarinette rustique, si on considère toute la perce, c’est l’intervalle qui sépare le mi grave (mode 1) du si clairon (mode 2). Ce n’est pas trivial ! En fait, ici, l’intervalle le plus proche est la douzième (vous vous en doutiez un peu je pense). Oui mais voilà, j’ai bien dit « l’intervalle le plus proche » ! En fait, cet intervalle représente un peu moins qu’une douzième.

Si on répète la même question pour f_3/f_2, c’est à dire qu’on veut connaître l’intervalle séparant une note du registre clairon, par exemple le mi clairon (mode 2), d’une note du registre aigu (le do#, dont le doigté est presque identique) : f_3/f_2=5/3=??. Ici, l’intervalle le plus proche est une sixte. Encore une fois, on a un peu moins qu’une sixte.

Vous aurez remarqué que les deux paragraphes précédents contiennent pas mal de guillemets et d’italique. La raison est que la plupart des problèmes de justesse des clarinettes se situent précisément dans ce qui vient d’être décrit. En termes simples : le ratio entre les différents modes vibratoire ne tombe pas sur un intervalle musical parfait. Il va falloir apporter des corrections au modèle pour obtenir un bon alignement des différents registres sur les notes, et tout le problème va être d’apporter ces corrections sans perturber le timbre des différentes notes, autrement dit en conservant la meilleure intonation possible à chacune des notes de l’instrument.

Petite digression/variation : le tronc de cône divergent

Parlons un peu des troncs de cônes. Oui je sais, la clarinette est un cylindre, mais n’oublions pas qu’on a un sérieux problème à résoudre (l’alignement des registres), et que ce que nous allons apprendre sur les cônes pourra nous aider.

Le modèle graphique est présenté à la figure ci-dessous. Dans cette configuration, le calcul des fréquences naturelles est un petit peu plus complexe, puisqu’il s’exprime par :

\begin{array}{rcl}
f_n & \cong & \left(\frac{c}{4L}\right\)\sqrt{\left(2n-1\right)^{2}+\left(\frac{8}{\pi^{2}}\right)\left(\frac{L}{X_{0}}\right)}\\
 & = & \left(\frac{c}{4L}\right)\left(2n-1\right)\sqrt{1+\left(\frac{8}{\pi^{2}}\right)\left(\frac{L}{X_{0}}\right)\left(\frac{1}{2n-1}\right)^{2}}
\end{array}

Cette expression de f_n est approximative mais relativement bonne. Le terme (\frac{L}{X_0}) exprime la conicité. Dans l’expression finale, le terme \frac{c}{4L}\right)\left(2n-1\right) est identique au cas du cylindre. Enfin, le terme \left(\frac{8}{\pi^{2}}\right)\left(\frac{L}{X_{0}}\right)\left(\frac{1}{2n-1}\right)^{2} devient négligeable quand n devient grand.

Cette formule de calcul de f_n fonctionne bien tant que X_0\gtrsim\left(1/3\right)L.

Quand X_0\gtrsim L on utilise la formule déjà donnée dans le cas du cylindre. Cela se comprend car dans ce cas, notre tronc de cône ressemble de plus en plus à un cylindre. En revanche, quand X_0\ltrsim L/2, on utilise la formule suivante :

f_n \cong \frac{nc}{2\left(L+X_0\right)}

Dans ce cas, le cône tend de plus en plus à être complet au fur et à mesure que X_0 décroît. Pour un cône quasi-complet, f_1 est pratiquement égal à 2\times f_1 de la perce cylindrique de référence et les f_n forme une série harmonique presque complète (pensez au son du saxophone). Cette approximation est assez utile à retenir dans notre cas

Ce qu’il faut bien remarquer ici, c’est ce que nous apprend cette formule, à savoir :

- tous les modes voient leur fréquence augmenter par rapport à leur ancêtre cylindrique (c’est assez moyennement important pour ce qui nous concerne, mais ça explique qu’un sax de même longueur qu’une clarinette sonne plus aigu).
- puisque la quantité (le ratio) d’augmentation est plus petite pour les modes aigus que pour les modes graves, les intervalles musicaux entre les fréquences naturelles successives sont compressés par rapport à la série de référence des harmoniques impairs.C’est cette compression qui va être excessivement importante pour nous.

PNG - 4.5 ko
tronc de cône divergent

L’allure des courbes d’impédance d’entrée de différents types de troncs de cônes est présentée à la figure ci-dessous.

PNG - 7.9 ko
Courbe de résonance de l’impédance d’entrée mesurée à une extrémité
Plusieurs types de troncs de cônes sont ici présentés.

Ces trois courbes appellent quelques remarques très importantes pour notre problème En premier lieu, le pic 1 n’est pas le plus grand quand le cône est presque complet. En revanche, le pic 1 est le plus grand quand le cône est très incomplet. Ceci explique beaucoup d’aspects de la coloration du timbre des instruments à perce conique.

Mais il y a plus important. Élargir l’extrémité ouverte ou contracter l’extrémité fermée :

  1. réduit les ratio f_{n+1}/f_n ;
  2. augmente le plus f_1, et les f_n plus aigus dans une moindre mesure.

Rétrécir vers l’extrémité ouverte ou élargir l’extrémité fermée provoque l’effet inverse Ces deux principes soutendent la plupart des ajustements les plus simples de la forme d’une colonne d’air. On a doc ici un moyen d’apporter des corrections aux problèmes décrits dans la section précédente.

Trous et fréquence de coupure

Je ne vais pas faire de grands développements sur la question, mais j’aimerais revenir un petit peu sur ce que raconte Benade sur le fait qu’on peut jouer sur la position et le diamètre des trous, mais au risque de détruire le timbre.

Vous pouvez relire avec profit ce que je raconte dans cet article sur les trous. L’article en question traite essentiellement de la position et du diamètre des trous, c.-à-d. comment les placer pour accorder une note dans le premier mode. Rappelons juste brièvement quelques principes. Pour produire une note donnée :
- un petit trou devra être situé beaucoup plus haut que sa position théorique.
- un grand trou devra être assez peu remonté par rapport à sa position théorique.

Mais il y a un paramètre important : la fréquence de coupure f_c. Chaque trou possède une fréquence de coupure. Intuitivement, il s’agit de la fréquence au delà de laquelle la source d’excitation ne pourra pas faire résonner les pics de la courbe d’impédance. La valeur de f_c dépend essentiellement des paramètre suivants :
- le diamètre de la perce en regard du trou a ;
- le diamètre du trou b ;
- l’épaisseur du trou (en fait l’épaisseur acoustique, t_e=e+(3/4)b, e étant l’épaisseur mesurée ;
- la distance au trou situé immédiatement en dessous 2s ;

La formule exacte est :

f_c=(c/2\pi)(b/a)\frac{1}{\sqrt{2s\; t_e}}

Comme d’habitude, c est la vitesse de propagation du son dans l’air.

De façon à avoir une perception du timbre homogène, les clarinettes sont conçues pour que la valeur de f_c soit pratiquement constante pour toutes les notes du premier mode (chalumeau et medium). Autrement dit, f_c va limiter les possibilités qu’a le facteur de « jouer » avec le placement et le diamètre des trous. Si les trous sont trop gros, f_c sera trop importante, cela a des conséquences en terme de timbre mais aussi d’énergie (et donc de rendement de l’instrument), sauf à réduire l’épaisseur... Regardez les trous situés dans le tiers inférieur d’une clarinette, pourquoi sont-ils si gros ? Parce que le choix des fabricants de clarinettes système Boehm de procéder à un élargissement progressif de la perce les a obligés à concevoir des trous très gros à la l’épaisseur très fine pour compenser l’abaissement de la fréquence de coupure.

Ce qu’il faut retenir ici, c’est que la géométrie des trous a un impact important sur la qualité du timbre. On ne va donc pas pouvoir jouer avec n’importe comment pour corriger les problèmes de justesse.

Régime d’oscillation, niveau de jeu

Nous allons maintenant examiner l’influence de la dynamique de jeu sur le timbre, la hauteur et le volume des notes dans deux types de perce : perce conique et perce cylindrique. Nous verrons plus loin que cet aspect du fonctionnement d’un instrument à vent est important pour ce qui concerne l’accord.

CAS 1

Prenons l’exemple d’un instrument dont la courbe de résonance pour une des notes est donnée à la figure ci-dessous. Le pic 1 est à 200Hz, le pic 2 est aux alentours de 410Hz. Le pic 3 est à 610Hz et la fréquence de coupure du trou est aux alentours de 750Hz. La perce est clairement une perce conique.

PNG - 3.6 ko
Courbe de résonnance de la colonne d’air d’un instrument sur une note
  1. Jeu pianissimo : Le pic le plus élevé mène la danse, la fréquence de jeu est proche de 200Hz, et le spectre est presque exclusivement composé d’une sinusoïde à 200Hz.
  2. Jeu piano : la non linéarité de l’anche génère une seconde harmonique assez faible à 200Hz environ qui « parle » au pic 2. Clairement, l’énergie produite serait plus importante si cette seconde harmonique de l’anche était à 410Hz au lieu de 400Hz. Ce phénomène de « négociation » élève légèrement la fréquence de la note jouée, aux alentours de 203 ou 204Hz. En conclusion, pour le jeu piano, la note est légèrement plus haute, la seconde harmonique ressort plus que pour le jeu pianissimo. De plus, la hauteur de la note est mieux tenue, du fait de la présence de deux résonances qui imposent en quelque sorte à l’anche ce qu’elle doit faire.
  3. Jeu mezzopiano à mezzoforte : Il y a suffisamment d’harmonique 3 dans la vibration de l’anche pour qu’elle parle de façon appréciable au pic trois de la résonance de la colonne d’air. Sur cet instrument, le composant à 3\times 203Hz fait bon ménage avec les deux composants plus graves et leurs pics correspondants. De plus il s’accorde bien avec le pic 3 à 610Hz. Le timbre est encore plus stable puisque 3 pics de résonance disent à l’anche ce qu’elle doit faire, et qu’ils sont bien d’accord. Le spectre est composé d’une dominante de la fondamentale à 203Hz, une bonne dose de seconde harmonique à 406Hz et une part significative de troisième harmonique à 609Hz. D’autre part, on note l’apparition d’autres composants (par action hétérodyne, je ne sais pas ce que c’est), mais situés au delà de la fréquence de coupure, et ne produisant donc pas d’énergie. Ce blocage du à la fréquence de coupure va empêcher le volume du son d’augmenter, même si l’instrumentiste souffle plus fort.

CAS 2

Prenons maintenant l’exemple d’une perce cylindrique. La courbe de résonance de la colonne d’air pour une note est décrite dans la figure ci-dessous.

PNG - 3.4 ko
Courbe de résonance de la colonne d’air sur une note
pour un instrument à perce cylindrique
  1. Le jeu pianissimo produit une note à 100Hz, ou le pic le plus grand est trouvé. Le spectre est une sinusoïde très pure.
  2. À un niveau de dynamique légèrement plus élevé, l’anche produit un petit peu d’harmonique à 200Hz, qui se retrouve dans un creux de la courbe de résonance. L’énergie est donc absorbée, et le niveau du signal généré n’augmente que très peu par rapport à l’augmentation du souffle. Il n’apparaît qu’un petit peu de la seconde harmonique dans le spectre.
  3. En soufflant plus fort, l’anche produit un peu de la 3ème harmonique. Ce composant à 300Hz trouve un pic de résonance de la colonne d’air avec lequel négocier, il y a donc un apport d’énergie à cette fréquence. Le volume du signal augmente donc.
  4. En continuant dans le crescendo, on constate une absorption d’énergie à 400Hz, suivie d’un apport à 500, suivi d’une absorption à 600, puis un apport à 700, pour finalement atteindre un niveau auquel tout accroissement de l’énergie se fait au prix d’un amortissement de plus en plus lourd à cause des composantes situées au delà de la fréquence de coupure.

C’est cette alternance d’absorptions et d’apports d’énergie qui rend la clarinette si expressive, et qui fait que le crescendo est facile à contrôler sur cet instrument.

Ce qu’il faut retenir ici tient à mon avis en deux points :
- la négociation entre les régimes vibratoires de l’anche et ceux de la colonne d’air peut engendrer des problèmes de justesse (certains pics de résonance sont « tirés » vers le haut ou vers le bas).
- les changements de géométrie d’une perce ont un impact en terme de dynamique de l’instrument.

Autrement dit autant de contraintes supplémentaires dont il faut tenir compte dans l’accord de l’instrument.

Conclusion (temporaire bien sûr)

Ouf ! Pas court ce topo hein ? Je vous répondrai que résumer l’étendue des problèmes posés en aussi peu de place sans trop faire de simplifications outrancières n’a pas été simple non plus. Et je n’ai pas tout dit ! Je n’ai pas parlé des trous fermés, qui ont aussi des influences, et d’autres choses encore...

Peut-être que j’essaierai d’aborder d’autres points de ce vaste sujet qu’est la justesse des instruments à vents dans d’autres articles, mais là je vais faire la pause et retourner à mes limes et mes fraises.

Portfolio

dérive d'accord du registre clairon

Notes

[1] Arthur H. Benade, On the Tuning of Clarinets, The Clarinet, pp 18-20, November-December 1990

[2] Le terme réponse est ici une traduction directe de ce que les anglo-saxons appellent response. Cela correspond, si j’ai bien compris, à la réponse dynamique des notes. Autrement dit cela réfère à l’homogénéïté d’une note en terme de timbre suivant qu’on la joue piano ou forte

[3] NdT : de quelle expérimentation parle-t-il, de celle faîte par les facteurs de cette époque, ou de celle faîte a posteriori par les acousticiens ?

[4] NdT : pensez au violon, au hautbois, à la trompette...

[5] Ernest Ferron, Clarinette, mon amie, International Music Diffusion, 1994.

[6] Bart Hopkin, Air Columns and Toneholes. Experimental Musical Instruments, revised edition, 1999

[7] c dépend de la température de l’air ambiant et de la pression

[8] Notez qu’en tout état de cause, on peut parfaitement faire sonner le si clairon sans clé de registre. Il « suffit » d’imprimer la bonne fréquence d’excitation, c.-à-d. que cette fréquence d’excitation « résonne » avec la fréquence du si clairon. On peut y arriver par modification de la cavité buccale. C’est le principe de base de la production d’harmoniques

13 Messages de forum

  • Perces et justesse 15 mai 2006 20:33, par Syl

    Bravo Eric pour ton article . Je l’ai lu en diagonale dans un premier temps et ça me plaît bien : juste ce qu’il faut de formules pour me replonger dans le bain ! Je profiterai de mes 9heures d’avion vers la Guyane dimanche pour approfondir .

    Bisous
    Syl

    • Perces et justesse 16 mai 2006 10:42, par Eric W

      Salut Syl

      Merci, bonne lecture et bon voyage ! N’hésite pas à faire des remarques s’il y a de grosses bêtises physiques, ce n’est pas vraiement mon domaine et je suis preneur de corrections.

      La bise

      Eric

      • Perces et justesse 25 janvier 2011 13:27, par Haig

        Bonjour,

        Je souhaiterais contacter eric mais je ne trouve pas son email.
        QUe faire ?

  • Perces et justesse 30 novembre 2006 12:46, par COUTTENIER Gérard

    Bonjour,
    J’ai apprécié l’ensemble de vos travaux et leur explication sur votre site.
    Il est vrai que l’approche et la présentation des phénomènes acoustiques afin de permettre leur compréhension n’est pas quelque chose d’aisée...
    Mais avant de poursuivre, je me présente :
    Gérard Couttenier 53 ans (très proche de la retraite...), j’habite à Wormhout dans la région du Nord.
    Je suis très intéressé par tout ce qui touche au saxophone notamment les aspects techniques et acoustiques (en projet la réalisation d’un genre de recueil...suivant mon niveau de compréhension).
    J’ai un certain nombre d’instruments anciens dont la plupart sont à restaurer.
    Je joue un peu du ténor.
    Donc pour revenir un peu sur votre article perces et justesse, votre développement sur les colonnes d’air et modes vibratoires est riche sur l’aspect développement, notamment sur la présentation du tronc de cône utilisé dans un saxophone.
    J’ai également noté que la présentation de cet article repose entre autres sur votre compréhension des études laissées par le très grand physicien américain AH Benade (cela représente pas mal de travail de traduction....Chapeau !)
    A ce sujet, je peux vous indiquer que le calcul des fréquences naturelles pour le « cone expansé » suivant l’approche de M.Benade, est issue d’un développement physique écrit par M. Philip Mac Cord Morse dans son livre « Vibration and Sound ».
    J’aimerais pouvoir en discuter davantage avec vous sur ce point suivant bien entendu votre accord et vos disponibilités.
    Sur vos interrogations concernant les composantes hétérodynes, on retrouve ces termes :
    - sur le site http://la.trompette.free.fr/Benade/...
    dans les chapitres concernant les interactions colonne d’air du muiscien et celui de l’instrument,
    une explication des composantes hétérodynes est donnée :
    - par M. Benade est donnée dans son livre « fundamentals of musical acoustics » paragraphe 25.3 Reed Woodwind Multiphonics pour donner une explication sur la production des multiphoniques par le saxophoniste de jazz américain John Coltrane durant l’année 1960.
    - sur le sites :
    http://www.niu.edu/User/u40gmb1/Cl_...
    J’ai traduit au mieux le début du texte
    Multiphonics
    Multiphonic : Quoted from Benade :
    1. A multiphonic oscillation is made up of a collection of components whose frequencies are connected to one another by an elaborate set of heterodyne (mixed frequency) relationships. The ordinary tones of woodwinds also fit this description, but the frequency components in normal tones are limited to those belonging to a single harmonic series.
    Une oscillation multiphonique est le résultat d’une réunion de composantes dont les fréquences sont mélangées (reliées) les unes aux autres par l’élaboration d’un jeu de rapports hétérodyne (fréquence mélangée). Les tonalités ordinaires des « bois » adoptent également cette description, mais les fréquences des composantes dans des tonalités normales sont limités à celles qui appartiennent à des séries d’harmoniques simples.
    2. A multiphonic oscillation is maintained by cooperations set up between several of the components and several of the taller peaks in the air-column resonance curve. Because neither the components nor the peaks need be in harmonic relationship, oscillation is not as easily maintained for multiphonics as it is for normal tones. The chief reason for the difficulty lies in the profusion of heterodyne components found in the inter-peak regions of the resonance curve.
    Une oscillation multiphonique est entretenue par les coopérations réalisées entre plusieurs composantes et plusieurs crêtes de grandes amplitudes de la courbe de résonance de la colonne d’air. Puisque ni les composantes ni les crêtes n’ont besoin d’être dans un rapport harmonique, l’oscillation n’est pas aussi facilement maintenue pour les multiphoniques que pour les tonalités normales La raison principale de la difficulté se situe dans la multitude des composantes hétérodynes trouvées dans les régions d’inter-crête de la courbe de résonance.

    http://scitation.aip.org/getabs/ser...
    J’ai traduit au mieux le texte
    Mécanisme de la production d’une tonalité multiphonique dans un instrument “bois”
    Dans le cas d’une tonalité normale produite dans un instrument « bois » , la caractéristique non linéaire d’écoulement d’air par la commande de la anche en roseau transfert l’énergie entre les composantes du spectre par l’action hétérodyne.
    La fréquence de l’oscillation est celle portée au maximum par la production d’énergie oscillante nette par un assortiment convenable de plusieurs composantes du spectre aux crêtes d’impédance d’entrée dont les fréquences sont dans un rapport approximativement harmonique.
    Le spectre résultant est strictement harmonique. Des tons « multiphoniques » appelés ainsi sont produits par une généralisation du même processus. Un ton multiphonique typique est soutenu (nourri) par la collaboration de la anche en roseau avec (par exemple) trois crêtes d’impédances d’entrées assez importantes au voisinage des fréquences fp, fq, fr Ces crêtes (sommets) n’ont aucun rapport harmonique.
    Le spectre du son se compose exclusivement des composantes hétérodyne de la forme du P ± βQ , µP ± R, etc., où P, Q, R sont les composantes de base (( , β,etc, nombre entier). Ici P fp, Q fq, R fr, les valeurs exactes étant celles qui donnent la plus grande énergie oscillante d’entrée nette sur le spectre entier. Des corrélations sans équivoque ont été faites sur des régimes oscillants composés jusqu’à 25 composants spectraux. Des exemples sont donnés, montrant l’interprétation de plusieurs tonalités multiphoniques sur l’hautbois et la clarinette.

    http://scitation.aip.org/getabs/ser...
    J’ai traduit au mieux le texte
    Le spectre d’un son multiphonique d’un bois se compose d’un grand nombre de composantes inharmoniques nommées composantes hétérodynes. Les musiciens ont besoin de ces sons. Ils écrivent habituellement des « accords » dont chaque note individuelle représente un sous-ensemble des composantes du spectre sonore perçu. Chaque sous-ensemble inclut normalement des composantes qui sont dans un rapport quasi harmonique, et son diapason perçu rapproche celui d’une tonalité correspondante ayant les harmoniques exacts. La variété des sous-ensembles qui sont perçus au même diapason est illustrée par les exemples suivants, qui composent la note ordinaire C4 dont les composantes sont des multiples de 261.6 hertz : (278.467, 620, 786, 1046) ; (267, 534, 641.764, 1071) ; (275, 512, 620, 796, 1026) ; (272.544, 622, 819, 1033). Le diapason n’est pas particulièrement sensible à l’amplitude des composantes, rendant des perceptions tonales stables en dépit des caprices de la transmission sonore dans une salle. Les divers multiphoniques d’une clarinette et d’un hautbois sont illustrés et discutés.

    Il existe probablement d’autres sources pour expliquer l’effet hétérodyne (pour infos, ce principe est très utilisé dans tout ce qui touche la réception des fréquences radio...je pense que l’on peut retenir l’idée du « mélange de fréquences »...
    Poour ce qui concerne votre article également très bien fait sur le placement des trous sur les instruments à vent, j’ai découvert une source d’information qui montre comment on élabore la correction de fin sur les colonnes d’air « le fameux 0,6133 »
    C’est un article écrit par William Paul sur l’acoustique du tuyau d’orgue Université de McGill
    http://www.ugrad.physics.mcgill.ca/...
    Je m’arrête là pour l’instant, en attendant de correspondre à nouveau.
    Sincères salutations
    Gérard Couttenier

    • Perces et justesse 6 décembre 2006 13:15, par Eric W

      Bonjour

      Un grand merci pour toutes vos remarques et compléments d’information. C’est très précieux.

      De fait, il faut que j’enrichisse cet article, a minima par des références bibliographiques supplémentaire, mais aussi par tout un tas de remarques écrites qui ont été faites par un thésard en accoustique. Je n’ai pas encore eu le temps de m’en occuper.

      J’essaye sur ce site de vulgariser au mieux une connaissance que je ne maîtrise que très imparfaitement moi même (je ne suis pas physicien, même si j’ai une culture scientifique), aussi ce type de complément est bienvenu.

      Ceci dit, un des aspects de ce site est de toujours garder un oeil sur la réalisation pratique, tout en posant des jalons théoriques explicatifs de temps en temps. Je n’ai pas pour objectif de faire de ce site une référence en matière d’accoustique des instruments à vents (j’en serais bien incapable).

      Encore merci pour vos précieux commentaires.

      Eric

      • Perces et justesse 25 décembre 2006 20:17

        Bonjour

        Bravo pour ce joli article.... je suis en train de monter un dossier d’organologie sur la clarinette en prenant comme problèmatique le thème de la correction de la justesse de l’instrument. Ainsi je pourrais bientôt vous fournir un lien avec le dossier qui à mon avis serra un bon complément à cet article....

        Encore bravo,

        Julien.

        • Perces et justesse 29 décembre 2006 19:56, par Eric W

          Merci.

          Je lirai votre dossier avec plaisir et ne manquerai pas d’y référer via un lien.

          Eric

      • placement des trous 18 novembre 2007 14:34, par didier de la reunion

        bjr,
        voila, j’apprecie votre site.
        cependant j’ai un pb ... je n’arrive pas à utiliser la méthode de placement des trous (cela ne marche pas !!!)
        j’ai acheté sur le net une clarinette bambou qui me sert d’étalon.
        en utilisant les formules téléchargés au format pdf concernant le placement des trous, je ne retrouve pas les memes positions ...!!!!
        en fait je voudrais avoir un éclaircissement sur un point, le rapport r qui est égale au diametre du trou / diametre de la perce dans la correction Cs, se transforme en gardant le meme nom (r) en diametre de la perce / diametre du trou dans les corrections suivantes Co.
        ensuite ce « r » redevient diam du trou / diam de la perce dans la correction Cc.
        est-ce normale ?
        est-ce la source de mes ennuis ?
        ps : j’ai trouve un tableau excel de peter L. HOEKJE qui fonctionne bien
        mais c’est dommage car j’en ai fait un moi-meme avec vos formules ... (je prefererai que celui ci fonctionne !)

        merci
        cordialement

        didier de la REUNION (pays du bambou)

        • placement des trous 4 décembre 2007 20:58, par EricW

          Bonsoir

          Bon, je suis un peu « au taquet » en cemoment, donc pas trop le temps de répondre lonhuement à votre message, au deumeurant intéressant. D’ici une semaine ou deux ça devrait être plus calme.

          Simplement, le fait que vous n’obteniez pas le même résultat qu’un instrument existant n’est pas alarmant. Il n’y a pas une seule position possible. Ces formules essayent de garder une certaine cohérence vis à vis de la fréquence de coupure Fc, mais on peut imaginer des calculs cherchant à optimiser d’autres paramètres.

          Je prendrais le temps de répondre plus longuement un peu plus tard.

          Eric

  • Perces et justesse 16 juin 2010 20:30, par zaoes

    c’est Emile Leip qu’il faut lire « musique et acoustique je crois »

    c’est du scientifique écrit par un pas scientifiques pour des pas scientifiques :)

    voila au niveau vulgarisation

    • Perces et justesse 29 juillet 2010 20:10, par EricW

      Ok, merci pour la référence, je ne connaissais pas cet ouvrage.

      Enfin ... personnellement je chercherais plutôt quelque chose écrit par des scientifiques pour des scientifiques pas du domaine. Je crains que ça ne soit une denrée rare...

      E.

      • Perces et justesse 15 juillet 2011 11:35, par pipingup

        Salut Eric,

        je me permets de tutoyer, j’espère ne pas commettre d’impair !
        Un superbe travail présenté ici = merci sincèrement.

        Pour préciser un message laissé par un lecteur, tu trouveras effectivement des pages intéressantes dans le livre d’Emile Leipp ’Acoustique et musique’.
        Plus d’infos sur l’auteur ici : http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89...
        Un autre site passionnant (Alain Boudet) ici : http://www.spirit-science.fr/

        A suivre...

        Ronan

        • Perces et justesse 17 juillet 2011 13:20

          Salut Ronan

          Merci pour ces infos très utiles.

          Eric

SPIP | | Plan du site | Suivre la vie du site RSS 2.0