Fonctionnement des instruments de musique

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1 Licence parcours Musique et Métiers du son Fonctionnement des instruments de musique Phénomène de résonance. Les cordes Les tuyaux 1 Licence parcours Musique et Métiers du son La chaîne mécanique du son 2 1

2 Licence parcours Musique et Métiers du son La résonance est le phénomème par lequel un corps ou un système qui possède un ou plusieurs modes de vibration propres, pourra vibrer avec une grande amplitude, si la force excitatrice lui est appliquée avec une fréquence égale (ou très légèrement inférieure) à l une de ses fréquences propres. Une légère variation de la fréquence de la force excitatrice provoque une chute importante de l amplitude de la vibration du corps ou du système en question. Ne pas confondre les termes résonance et harmonique, non plus que les termes résonance et réverbération! 3 A] Phénomène de Résonance Exemples Pont de TACOMA Vibrations forcées La fréquence d excitation du vent = fréquence propre du pont video Verre en cristal Vibrations forcées Certaines fréquences produit par la cantatrice = fréquences propre du verre video 4 2

3 La résonance dépend : Du matériau : Propriétés élastiques (raideur) Masse volumique De la géométrie: Longueur ou surface vibrante Les liaisons avec l extérieur De l amortissement Qualité du matériau Contraintes extérieures 5 A] Phénomène de Résonance Influence de l amortissement ressort masse L oscillateur simple amorti amortisseur Conséquences sur la vibration Libre de la masse en mouvement 6 3

4 Licence parcours Musique et Métiers du son catégories de sources acoustiques musicales 7 Licence parcours Musique et Métiers du son Etude de la vibration d une corde video La corde est en appui au point I et au point J. On suppose que les points I et J sont fixes. Ce constat est très important au regard de la définition des ondes stationnaires, puisque s il y a apparition d ondes stationnaires, celles-ci doivent forcément avoir un nœud de vibration en I et en J. La longueur IJ est égale à L. Nous avons un milieu qui n est pas infini, ce qui signifie que lorsqu on va provoquer une vibration en un point de la corde, cette vibration va se réfléchir aux points fixes. 8 4

5 Licence parcours Musique et Métiers du son Etude de la vibration d une corde La célérité des ondes dans une corde qui est constituée, soit d un matériau métallique pour les guitares folks ou électriques on d un matériau synthétique pour les guitares classiques, est égale à : C = F F : tension dans la corde (en N) µ : masse linéique (en kg.m µ -1 ) Les fréquences possibles sont donc des multiples entiers de C/2.L C f = n. 2.L n = ordre du partiel L = longueur 9 Licence parcours Musique et Métiers du son Modes de vibration d une corde 1 ère harmonique (fondamental) 2 ème harmonique 3 ème harmonique 4 ème harmonique 5 ème harmonique 10 5

6 Etude du fonctionnement d une guitare basse. Une guitare basse 4 cordes est accordée ainsi : Fréquence Diamètre corde Corde de MI 41 Hz 2,28 mm Corde de LA Corde de RE Corde de SOL 55 Hz 73,5 Hz 98 Hz 1,778 mm 1,27 mm 0,762 mm Jaco Pastorius La longueur libre de chaque corde est de L = 88 cm. La masse volumique étant de ρ = 7, kg.m Calculer la tension dans chacune des cordes. 2 En déduire la charge que subit le manche de la guitare. 11 Licence parcours Musique et Métiers du son Rôle du résonateur: le résonateur d Helmholtz Des ouvertures plus larges donnent des fréquences plus hautes car l air peut rentrer et sortir de la cavité plus rapidement. fo = C. 2. π s L.V Des volumes plus larges donnent des fréquences plus basses car plus d air doit sortir pour relâcher un excès de pression donné. Des ouvertures plus longues donnent des fréquences plus basses car il y a plus de résistance à l entrée et la sortie d air. 12 6

7 Licence parcours Musique et Métiers du son Rôle du résonateur 13 Licence parcours Musique Licence et Métiers Arts du sonet Technologies - 3 option : Matériaux sonores et enregistrement musical Les cordes pincées La position du point de pinçage de la corde a une influence importante sur l enveloppe spectrale. Si la corde est pincée près du chevalet, le son sera plus percussif, brillant. Plus près du milieu de la corde, le son sera plus mat. Si le point de pinçage correspond à un noeud pour un mode donné, ce noeud sera remplacé par un ventre et le mode ainsi que tous ces multiples seront absents du spectre. 14 7

8 Licence parcours Musique et Métiers du son Sonagrammes pour deux positions de point de pinçage 15 Figures de Chladni sur des tables d harmonie de guitare 16 8

9 Les instruments à vent Les bois video Les cuivres clarinette flûte trompette trombone saxophone hautbois cor basson 17 tuba Les ondes stationnaires dans une colonne d air Dans une colonne d air, l onde de pression et l onde de déplacement sont en quadrature de phase (déphasage de 90 degrés). Si l extrémité est fermée, la variation de pression est maximale (ventre) et le déplacement d air est minimal (noeud). C est le contraire pour une extrémité ouverte. déplacements d air variations de la pression d air fermeture: ventre de pression ouverture: noeud de pression 18 9

10 Modes de résonance d un tuyau ouvert λ = 2 L et c = λ f -> f = c / λ -> f n = (c/2l) x n Modes de résonance d un tuyau fermé à une extrémité λ = 4 L et c = λ f -> f = c / λ -> f n = (c/4l) x (2n-1) produit des harmoniques impaires seulement! 19 caisse claire Les percussions grosse caisse glockenspiel timbale cloche cymbale 20 10

11 Les instruments à percussion sont en général définis comme les instruments pour lesquels le son est produit en frappant un objet contre un autre. On divise en général les percussions de la façon suivante : les instruments qui peuvent produire une grande variété de hauteurs de son, tels que les timbales, le xylophone; les instruments qui peuvent produire un son percussif, qui ressemble davantage à un bruit qu à une hauteur de ton indéterminée, tels que les tambours ou les cymbales. 21 Les membranes 22 11

12 Les membranes 23 Les membranes Pour une membrane de rayon a et de masse surfacique Ms, tendue avec une tension superficielle τ, les fréquences propres sont définies par la relation 24 12