La harpe laser à climats musicaux : un projet pluridisciplinaire de médiation scientifique par l art

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1 La harpe laser à climats musicaux : un projet pluridisciplinaire de médiation scientifique par l art P.Arguel*, A.Bouchier*, L.Couto-Rosado**, X.Dollat*, J.Fanchon*, B.Franc*, C.Ganibal*, F.Lozes *, P.Marcoul*, A.Mauffret* arguel@laas.fr ganibal@laas.fr anne.mauffret@laas.fr * CNRS ; LAAS ; 7 avenue du colonel Roche, F Toulouse Cedex 4, France Université de Toulouse ; UPS, INSA, INP, ISAE ; UT1, UTM, LAAS ; F Toulouse Cedex 4, France ** Ecole des beaux-arts de Toulouse, 5 quai de la Daurade, F Toulouse, France (Photo : P. Sérard, LAAS-CNRS) RESUME : La harpe laser à climats musicaux, inspirée de la harpe conventionnelle, est née de la volonté d une équipe de recherche du LAAS-CNRS de participer, en 2010, à la commémoration du 50 e anniversaire de la découverte du laser. Cette commémoration a été pilotée nationalement par le CNRS, et reprise localement dans le cadre de la 2 e édition du festival des savoirs partagés organisé par la Mairie de Toulouse. Cet instrument électronique, original par son design et ses possibilités sonores et musicales, est né de la rencontre du laser, du son et du design. Il nous plonge dans un univers exotique et envoûtant avec ses climats sonores et son aspect biomorphique et précieux inspiré d une légende chinoise. Chacune des 16 cordes simulées par des rayons laser produit une note ou une mélodie sur fond de climat musical. Chercheurs, ingénieurs électroniciens, informaticiens et mécanicien ont mutualisé leurs compétences avec celles d un compositeur et d une étudiante des Beaux-arts de Toulouse pour concevoir la harpe. Lors des démonstrations auprès de classes (collèges, lycées), de nombreux enseignants ont identifié cet objet esthétique, ludique, scientifique et accessible, comme un moyen original d aborder certaines parties de leur programme. Il permet d aborder aussi bien des aspects artistiques (musique, design) pouvant intéresser professeurs de musique et d arts plastiques, que des aspects de technologie, mécanique, géométrie, électronique, optique, informatique ou, plus largement, physique. Mots clés : harpe laser, projet pluridisciplinaire, art et science. 1 INTRODUCTION Dans cet article, nous décrivons l ensemble du projet «Harpe laser» autour duquel s est rassemblée une équipe pluridisciplinaire qui a collaboré à la conception et à la réalisation de cet instrument, de mai à octobre Nous présentons différents paragraphes sous forme de réponses apportées à une question. Ceci nous permet d aborder à la fois le «pourquoi» et le «comment», 1 mais aussi d essayer de mettre en valeur les aspects collaboratifs occasionnés par ce projet, en particulier entre physique, musique, mécanique et design. Notons que les aspects artistiques ont été encouragés par la contribution d une étudiante de l école des beaux-arts de Toulouse. Nous tentons, à la fin de l article, de dégager les pistes pédagogiques qui nous ont été suggérées par des enseignants sensibles au potentiel de cet objet, et sur lesquelles nous travaillons actuellement.

2 2 CONCEPTION ET REALISATION 2.1 Pourquoi une harpe laser? L année 2010 célébrait le 50e anniversaire de la découverte du laser. Le LAAS-CNRS s est associé à cette célébration lors de la 2e édition du festival des savoirs partagés, Novela «Toulouse laser» [1], organisé par le CNRS et la Mairie de Toulouse. La harpe laser a été présentée au public avec beaucoup de succès lors de l exposition-atelier et des portes ouvertes du laboratoire pendant la fête de la science en octobre 2010, ainsi que lors de toutes les autres expositions qui se sont succédées. 2.2 Une harpe lumineuse à laser, comment ça marche? Les cordes de la harpe conventionnelle sont remplacées par des rayons laser. Chaque rayon est indépendant. Il est issu d un émetteur laser rouge qui vise son propre détecteur. L émetteur (diode laser) et le détecteur sont des composants photoniques. Tandis que le laser émet de la lumière quand on lui injecte du courant électrique, le détecteur génère un courant électrique quand il reçoit de l énergie lumineuse Comment positionner et aligner les lasers et les récepteurs? Le récepteur (en haut) est monté sur un support en aluminium vissé à une petite équerre qui offre ainsi 2 axes de rotation. L émetteur laser (en bas) est monté dans une rotule (cône de 30 ) capable de se déplacer de 5mm en hauteur par rapport à sa base fixe (polyuréthane, téflon). Figure 1 : Supports d alignement pour laser et récepteur Ces deux montages permettent l alignement des lasers et récepteurs avec la précision requise, offrant ainsi une solution mécanique ingénieuse en regard de la complexité de la géométrie de la structure Comment jouer de la musique? Grâce à un alignement précis, chaque laser éclaire le détecteur qui lui est associé. Tant qu un détecteur est éclairé, il ne se passe rien. Lorsque le rayon laser est interrompu, un signal apparait et déclenche un son. Le signal du détecteur est lu par une carte d entrées-sorties numérique logique (24 voies tout ou rien) connectée à un ordinateur. Chaque voie est programmée individuellement en entrée ou en sortie. Les 16 voies d entrées correspondant aux 16 rayons laser (notes de musique) sont scrutées indéfiniment par un logiciel spécifiquement développé en langage C sous environnement LabWindows/CVI. Chaque fois que l état d une entrée est modifié, le fichier «son» de la corde actionnée est joué Qu est-ce qu un fichier «son»? La harpe est un instrument partiellement programmé : chaque note est complètement prédéfinie et stockée dans un fichier «son». Pour cet instrument, les diverses possibilités d agir sur la durée des notes sont limitées à trois : durée limitée à l interruption du rayon, avec combinaison éventuelle de plusieurs notes, durée prédéfinie, avec combinaison éventuelle de plusieurs notes, durée illimitée, jusqu à sélection d une autre note. Si le son n est pas modulable comme sur un instrument à vent, une grande liberté est offerte pour déclencher des sons différents prédéfinis. On peut ainsi définir autant d instruments de musique que l on veut en changeant les fichiers «son» associés aux notes. Nous proposons deux modes de fonctionnement : Mode instrumental Les 16 cordes sont les notes d un instrument que l on choisit (flûte, contrebasse, cor, ). Mode climat sonore Cinq cordes déclenchent un climat sonore (pluie, vent, forêt, cloches, océan, oiseaux, ). A chacun de ces climats est associé harmonieusement un instrument sur les 11 autres cordes à exploiter. Chaque climat dure une minute durant laquelle des notes de cet instrument peuvent ainsi être jouées. Sur ce fond sonore, elles sont perçues différemment, comme «colorées» par le climat. A titre d exemple, pour composer le climat «océan», nous proposons : Son des vagues et des mouettes Corne grave Tonnerre Vent fort Cloche

3 Les climats et instruments associés sont : Océan - Voix Voyage Flûte Forêt sauvage Marimba ; Etrange forêt Santur ; Terrible jungle - Shaku ; Village Vibraphone ; Alpage Contrebasse ; Campagne Shaku Figure 3 : Etude des trajets des rayons lumineux (visualisation sur le logiciel de CAO CATIA) 2.3 D où vient la forme de serpent? Une fructueuse interaction entre les membres de l équipe a permis de générer une forme mécanique en cohérence avec l habillage qui constitue le design très original et pare l objet de magie et de mystère Quelle est la structure de la harpe? L étude de la structure repose sur deux principes : La structure est très légère car elle n a pas à maintenir mécaniquement des cordes tendues. Elle est aussi ouverte, rendant possible une conception dans l espace. La structure retenue en forme de S comporte une boucle supérieure redressée de 90, rigide, stable et légère. Elle se compose de 10 tronçons en aluminium assemblés par vissage. Figure 4 : Vue modélisée (encarté) et réelle (sans habillage) Comment est «habillée» la harpe? Le design de la harpe découle du choix des positionnements des lasers. La forme est dynamique et l habillement est obtenu à partir d un textile de médiators tissés à la main, imitant une peau d écailles de reptiles ou d amphibiens. La fabrication de la peau a nécessité l utilisation de 2000 médiators. Le médiator, accessoire permettant de pincer les cordes des instruments de musique tels que les guitares, a été détourné de sa fonction et ne contribue plus à l élaboration d un son, mais il habille le nouvel instrument. Figure 2 : Détails de structure (visualisation sur le logiciel de CAO CATIA) Pour la répartition des lasers et des détecteurs, plusieurs dispositions ont été envisagées. En éclairant le détecteur en haut à gauche par le laser en bas à droite, et réciproquement de proche en proche, et en jouant sur l absence de symétrie, nous avons obtenu un effet de courbe supplémentaire (figure 4) généré par l ensemble des rayons : un hyperboloïde à deux nappes qui était une forme en vogue dans l architecture des années 70. Figure 5 : Médiators et détail du tissage L habillage donne un aspect biomorphique à la harpe. De plus, l aspect nacré des médiators confère à l instrument un caractère précieux et rare. Une dimension fantastique et magique propre aux mythologies et légendes constituées de personnages et d objets plus enchanteurs les uns que les autres a été 3

4 introduite. En effet, la conception de la harpe s est inspirée de la légende populaire chinoise, «Madame serpent blanc», écrite sous la dynastie Ming, objet d une belle adaptation au cinéma en 1993 par Tsui Hark sous le titre de Green snake [2]. «L histoire a dû puiser à plusieurs sources et se transmettre d abord oralement. La forme primitive, assez courte, semble être la rencontre sous la dynastie Song d une belle et riche jeune femme accompagnée de sa servante (un génie serpent vert) par un pauvre herboriste. Il l épouse et elle l aide à faire prospérer son commerce, mais un religieux l avertit que sa femme est un génie serpent tout blanc. Malgré la réticence du mari, il la démasque et l emprisonne définitivement sous les fondations d une pagode pour l empêcher de nuire. Le nom du serpent n est pas mentionné. Plusieurs variantes écrites, de plus en plus développées, sont apparues sous les Qing. Elles accordent une grande importante à l héroïne, dont le portrait devient sympathique et émouvant. Certains auteurs donnent un dénouement heureux à l histoire.» Le soin apporté au design s est traduit par l intégration de tous les éléments de câblage dans la structure et dans des câbles et boitiers d interconnexions les plus discrets possible. Ils sont enveloppés dans cette gaine d écailles qui habille l instrument de musique. L esthétique de cette «peau» est renforcée par un éclairage intégré, réparti sous les écailles. Il s agit d une rampe de LEDs multicolores dont nous contrôlons la couleur et la luminosité pour créer des ambiances particulières. Nous avons souhaité créer un objet original, exotique, séduisant et envoûtant pour le public, qui transcende sa technicité pour le plonger dans un autre univers. fumée, la vapeur ou la poussière, permettent de le visualiser. De plus, la visualisation des rayons laser étant améliorée par une forte pénombre, l ensemble de l instrument sera placé dans une zone fermée aux parois et plafond noirs suffisamment grande pour accueillir une dizaine de personnes (joueur et spectateurs). Un barnum noir permet de créer cette pénombre qui, couplée à de la fumée générée par une machine à fumée, rend visibles les rayons laser. 3.2 La harpe est-elle sans danger? La harpe utilise des lasers en classe 2 (650 nm ; 1 mw) donc peu dangereux. Le réflexe optico-palpébral qui permet la fermeture de nos paupières en cas d éblouissement en un cinquième de seconde, garantit une énérgie maximale reçue inoffensive. Malgré tout, les précautions d usages sont adoptées, ainsi : un système mécanique «anti-renversement» est intégré à la harpe, la position normale de l instrument, du joueur et des spectateurs interdira la projection d un rayon laser dans les yeux, des gants sont proposés aux joueurs portant des bijoux brillants (bagues, bracelets, montres, ) pour éviter toute réflexion de faisceau, une signalétique informe du danger potentiel de regarder dans l axe du rayon laser. 3.3 Qui peut jouer de cet instrument? Chacun d entre nous peut jouer, du plus jeune au plus âgé. Un musicien confirmé s appropriera sans doute plus rapidement l instrument, tandis qu un néophite pourra l utiliser sans crainte avec le plaisir de générer une musique agréable et harmonieuse dès les premiers instants, grâce notamment au mode «climat sonore». Figure 6 : Effets de couleurs. Harpe ou serpent? (Photos K. Penalba, INSMI CNRS) 3 MISE EN ŒUVRE 3.1 Comment mettre en scène cette harpe et sublimer son caractère mystérieux? Dans une atmosphère pure, un rayon laser ne se voit pas. Pour le percevoir, une partie de sa lumière doit être détournée en direction de notre œil. C est ainsi que des particules en suspension dans l air, comme la 4 Figure 7 : Tout le monde joue! (photo P. Sérard, LAAS-CNRS)

5 Le succès rencontré lors des expositions, et la spontanéité des visiteurs à mettre les mains au milieu des rayons en est une des confirmations, avec la surprise de générer facilement une musique harmonieuse sans dextérité. Nul besoin d appuyer sur une touche comme avec un piano, ou de souffler dans une embouchure comme avec une trompette. Si l action paraît virtuelle, le point lumineux que forme le rayon laser sur la peau contribue à une forme de perception tactilo-visuelle qui s ajoute aux diverses sensations que produit l instrument. 3.4 Quel est le potentiel pédagogique de la harpe? La harpe présente un fort potentiel du point de vue de la culture scientifique. Pour l exploiter au maximum, nous avons établi un partenariat avec l association "Science Animation" [3], qui est le Centre de culture scientifique technique et industriel de Midi-Pyrénées et dont c est la vocation. Depuis 2010, cette association a déjà conduit deux projets comparables à celui que nous proposons : le projet «Dinosaure» relatif à l évolution des espèces vers l humain, et le projet «plante idéale» sur la nécessité de maintenir la biodiversité. Ces divers projets sont financés par le FEDER Europe (par période de deux ans) pour être exposés dans des établissements, et accompagnés d une présentation / animation par un scientifique. Sur ce même principe, et dans le cadre de l exploitation de la harpe, "Science Animation" a en charge l organisation d expositions et d animations en lien avec les établissements d enseignement. Les éléments précis de notre partenariat sont en cours de discussion, en collaboration avec un panel d enseignants, sous l autorité du rectorat d académie. Les intérêts pédagogiques de cette harpe laser ont été maintes fois confirmés par de nombreux enseignants, venus seuls ou accompagnant un groupe d élèves à l une de nos expositions ou visites. Ils peuvent être différenciés en fonction des niveaux de formation. Pour les collèges : Les professeurs de technologie évoquent une création mettant en œuvre des techniques et compétences différentes (mécanique, optique, électronique, informatique, ), qui collaborent dans un objet unique. Les professeurs de musique ont identifié un moyen de faire participer les élèves. Ainsi, nous avons développé la possibilité pour les élèves de créer leurs propres fichiers «son» et de les jouer sur l instrument. Les professeurs d arts plastiques y voient un exemple concret de design intégrant de façon remarquable l ensemble des contraintes technologiques. Ces différents aspects entrent parfaitement dans le cadre des projets interdiscplinaires au collège. 5 Pour les lycées : Les professeurs de physique, de mécanique et d électronique ont, avec cet instrument, un exemple de projet fédérateur, ludique et pluridisciplinaire. Ce projet modulaire s adapte parfaitement à des programmes d enseignements variés en donnant la possibilité de n étudier qu un seul des nombreux aspects qu il renferme. Pour le supérieur (BTS, DUT, ) : Il est possible de proposer des projets basés sur un interfaçage plus complet entre la harpe laser et un ordinateur. Le premier niveau est le lien "corde-note" via l informatique. Un second niveau est envisageable en interfaçant ce programme et la harpe vers un jeu vidéo de type "guitar hero". Dans ce cas, une possibilité est de faire développer par les étudiants une harpe à 5 cordes, par exemple, et d utiliser une wiimote comme capteur et le jeu vidéo de base adapté. Il est aussi possible de développer à partir de la harpe initiale (ou avec moins de cordes) le logiciel du jeu, ce qui permet de relier un projet technique avec un projet informatique plus poussé. Enfin, d autres aspects pédagogiques liés à cet instrument peuvent être exploités comme par exemple : la qualité, la gestion de projet, la sécurité, la communication,. 4 ENVIRONNEMENT Cette harpe reçoit régulièrement l accueil entousiaste du public à chaque manifestation où elle est présentée : Festival Novela «Toulouse laser» du 11 au 13 octobre 2010, Fête de la science, portes ouvertes du LAAS- CNRS, les 22 (journée réservées aux scolaires) et 23 octobre 2010 Festival international de cinéma «Cinémascience» à Bordeaux, du 30 novembre au 2 décembre 2010 Ecole des Beaux Arts de Toulouse, portes ouvertes du 18 au 20 mars 2011 Nombreuses visites de classes (collèges, lycées, étudiants) accueillies par le laboratoire tout au long de l année Figure 8 : La harpe dessinée par un jeune visiteur lors de la fête de la science, au LAAS-CNRS, en octobre 2010.

6 Notons enfin que la harpe a fait l objet d une émission sur la chaine de télévision locale TLT [4] Quels sont les détails pratiques? En cas de défaillance, l instrument peut-être aisément réparé grâce à son habillage souple qui permet l accès aux différents éléments. D autre part, démontable et transportable, il peut être mis en place très rapidement. Dimensions : 90 cm de large, 70 cm de profondeur, 90 cm de hauteur. Poids : 7 kg Disposition : posé sur une table ronde (diamètre 1 m), ou carrée (1 m côté), recouverte d une longue nappe noire en tissu. Harpe utilisable sans que les rayons ne soient visibles. Conditions de visibilité des 16 rayons : une pièce non éclairée ou barnum noir (largeur 3 m, profondeur 3 m, réglable en hauteur 2,7 m maximum) et une machine à fumée. Sécurité : un rayon laser étant très directif, ne jamais tenter de l observer en mettant l œil sur son trajet. Panneau signalant le danger. Liaison par un câble électrique gainé à différents appareillages (ordinateur, écran tactile, amplificateur, haut-parleurs, machine à fumée, alimentation électrique 220 V ) camouflés derrière un rideau noir créant un espace d environ 1 m². Espace environnant : joueur et 10 spectateurs proches avec une surface au sol de 9 à 16 m². 4.2 Quelle est l équipe projet? Cet instrument a été conçu et réalisé au LAAS-CNRS, laboratoire pluridisciplinaire dont les champs de recherche couvrent notamment les microsystèmes, la microélectronique, le traitement de l information, la robotique, Françoise Lozes et Philippe Arguel, chercheurs en photonique au LAAS-CNRS, ont initié ce projet. Aude Bouchier, ingénieur au LAAS-CNRS, est à l origine d un parcours pour enfants dédié aux lasers (dont une fontaine laser) lors des portes ouvertes annuelles du laboratoire. Elle a largement contribué à mener la réflexion sur les aspects ludiques du laser pour en arriver à l idée d une harpe. Xavier Dollat, mécanicien au LAAS-CNRS, a assuré la conception de la forme structurelle, de la géométrie des rayons et la réalisation mécanique. Laura Couto-Rosado, étudiante en 4 e année de l école des beaux-arts de Toulouse, a conçu et réalisé l habillage «peau de serpent». Jean Fanchon, informaticien au LAAS-CNRS, a assuré la composition musicale, ainsi que la génération des fichiers «son». Christian Ganibal, électronicien au LAAS-CNRS, a coordonné le projet. Patrick Marcoul, électronicien au LAAS-CNRS, a conçu et réalisé les parties électroniques. Bernard Franc, informaticien au LAAS-CNRS, a conçu et développé le logiciel spécifique. Anne Mauffret, chargée de communication du LAAS- CNRS, est à l initiative de la collaboration artistique avec l école des beaux-arts. Elle a coordonné les relations avec les partenaires, organisé des manifestations (scolaires, grand public) et assuré la communication sur le projet. 5 CONCLUSION La harpe laser est à vocations multiples. Elle peut être utilisée comme un objet de médiation scientifique. L une des misssions du chercheur étant la diffusion de la culture scientifique et technique, il s agit pour nous de rendre la science atttractive et accessible à tous, en particulier aux jeunes générations. L idéal, touchant au plus près les jeunes, et au-delà des nombreuses visites et manifestations, est d adapter la harpe aux besoins des enseignants et de la faire vivre hors du laboratoire. La harpe pourrait trouver sa place particulièrement dans le contexte de la réforme de l enseignement en lycée où les enseignants deviennent animateurs de la classe autour d un outil pédagogique favorisant la participation des élèves en frappant leur imagination. Ainsi, la collaboration initiée avec l association "Science Animation" vise l organisation d expositions et d animations en lien avec les établissements d enseignement. Dans ce cadre, nos partenaires régionaux nous aident à concevoir le format le mieux adapté aux besoins des différents types d enseignements, rédiger les supports pédagogiques et former les médiateurs scientifiques. On peut aussi imaginer qu un tel instrument puisse avoir sa place au sein d une performance pûrement artistique (concert, danse ), mais c est une autre aventure Références [1] [2] Wikipédia [3] [4] Emission TLT «Le comptoir de l info» du 28 octobre 2010 (partie 2 ; 12 min) 6