Propagation d'ondes dans les milieux périodiques appliquée aux instruments à vent à trous latéraux : comment s'équilibre la production et le rayonnement

Wave propagation in periodic structures applied to woodwind tonehole lattices : how the cutoff frequency balances sound production and radiation

• Auteur / Autrice : Erik Alan Petersen
• Direction : Philippe Guillemain, Jean Kergomard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Acoustique
• Date : Soutenance le 20/11/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMA, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (UMR 7031 ; CNRS, Ecole Centrale de Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Alain Pocheau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Chabassier, Thomas Hélie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Sharp, Jean-Pierre Dalmont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Son -- Propagation

Anches

Ondes -- Propagation

Mouvement ondulatoire, Théorie du

Acoustique musicale

Mots clés libres

Acoustique musicale

Guides d'onde periodiques

Instrument de la famille des bois

Fréquence de coupure d'un reseau du trous latéraux

Musical acoustics

Periodic waveguides

Woodwinds

Tonehole lattice cutoff frequency

Résumé

L'objectif de cette thèse est de contribuer à évaluer comment la fréquence de coupure créée par un réseau de trous latéraux ouverts dans un instrument de musique de la famille des bois agit sur la production et le rayonnement du son produit par ces instruments. En dessous de cette fréquence de coupure, les ondes pénétrant dans le réseau de trous ouverts sont évanescentes, tandis qu'au delà de cette fréquence les ondes peuvent se propager dans le réseau. Par conséquent, la réponse basse fréquence du résonateur qui détermine la fréquence de jeu est directement reliée à la longueur entre l'anche et le premier trou ouvert, tandis que la réponse à haute fréquence est déterminée par le réseau de trous ouverts. Une étude de la fréquence de coupure séparant ces deux bandes de fréquence correspond donc à comprendre comment cette partie ``inutilisée'' du résonateur joue sur le son produit. Depuis les travaux de Benade dans les années 1960, les études sur ce sujet ont été rares bien qu'il s'agisse d'un sujet central sur le son des instruments à vent. Ce manuscript comprend des études analytiques, numériques et expérimentales relatives à la fréquence de coupure et est étayé par trois articles de revues. Dans cette thèse, nous montrons comment la fréquence de coupure agit sur les formes d'onde et le spectre de la pression et du débit internes et plus significativement sur le champ rayonné. Nous avançons également sur les bases théoriques permettant d'inclure ce critère dans un objectif de conception, à destination des facteurs.

The research goal of this dissertation is to evaluate how the tonehole lattice cutoff frequency affects the sound production and radiation of woodwind instruments. Below the cutoff, waves entering the tonehole lattice are evanescent, where as above cutoff waves can propagate freely within the lattice. Therefore, the low frequency response of the resonator that determines the playing frequency of a woodwind is set by the length between the reed and the first open tonehole, while the high frequency response is governed by the remaining open toneholes downstream on the instrument. A study of the cutoff frequency that separates these two bands is, in effect, a study of how this `unused' portion of the tonehole lattice may influence the sound of the instrument. Following the work of Benade in the 1960s, studies on this subject have been rare, despite its central importance to the sound of woodwind instruments. This dissertation includes analytical, numerical, and experimental advances on the subject of the cutoff frequency, approached in three published studies. This dissertation demonstrates ways in which the cutoff affects both internal waveforms and, more importantly, the radiated soundfield of woodwind-type instruments. It also advances the theoretical basis for incorporating the cutoff into a tonehole lattice conception, which is of practical use for instrument manufacturers.