Caractérisation vibratoire et acoustique des instruments à cordes - Application à l'aide à la facture instrumentale - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Vibroacoustic characterization of string instruments - Application for lutherie assistance

Caractérisation vibratoire et acoustique des instruments à cordes - Application à l'aide à la facture instrumentale

Résumé

The assessment of musical instruments may be performed using vibroacoustical parameters, enabling to quantify objectively differences between instruments. The choice of relevant quantities evaluating the mechanical and the acoustical behavior of stringed instruments is the main aim of this thesis. The present study focuses on guitars and violins: it belongs to the PAFI project (Plateforme d'Aide à la Facture Instrumentale), which aims at developing a set of tools dedicated to instrument makers, providing an assistance for luthiers in a daily practice context. For that purpose, a method enabling the estimation of mechanical properties of dynamic structures, whether musical or not, is developed. It is based on the estimation of the modal density in the mid-frequency range, by means of a subspace method, called ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques). It is also based on the mean-value theory by Skudrzyk. This method estimates the characteristic parameters of any plate-like or curved panel structures. The modal identification is proved to be robust as long as the modal overlap factor does not exceed 100 %. Applications on experimental and simulated data show that the method is able to discriminate panels by means of the values of their mass density and their Young's modulus. The method requires solely a few measurement points and the required experimental device is affordable and easily manipulable by the luthier in its workshop. Applications of the method on guitars show that its mechanical behavior in the mid-frequency range is similar to that of a flat panel. The instrument is then characterized by a few features or macroparameters corresponding to the characteristic parameters of the equivalent plate: the equivalent mass, the equivalent bending stiffness, and the mean-value of mobility. These features discriminate two population of guitars: high-quality handcrafted guitars and lower-quality guitars. A detailed study about bridge mobility of violins, as well as a study about their modal density and the spectral features of violin sounds, enable to identify features shared by these three quantities. The spectral envelops of violin sounds present a formantic aspect, and the identified formants are associated to the mean mobility maxima. The estimation of the modal density suggests that the first maximum, located at a frequency between 500 and 1000 Hz, is a consequence of the soundboard curvature. The methods are applied to a few examples of problematic frequently encountered by instrument makers and musicians.
Pour qualifier un instrument, il est possible de proposer des caractérisations acoustiques et vibratoires permettant de quantifier objectivement des différences entre instruments. Le choix des grandeurs pertinentes pour mener à bien ce travail de caractérisation est l'objectif central de la thèse. Le travail concerne essentiellement la guitare et le violon et s'intègre au projet ANR PAFI (Plateforme d'Aide à la Facture Instrumentale) qui prévoit le développement d'outils permettant au luthier d'orienter ses choix lorsqu'il conçoit, fabrique et fait évoluer un instrument. Pour cela, une méthodologie permettant l'identification de propriétés vibratoires de structures mécaniques, qu'ils s'agissent d'instruments de musique ou non est détaillée. Elle s'appuie d'une part sur l'estimation de la densité modale en moyennes fréquences, à l'aide d'une méthode haute résolution, la méthode ESPRIT, et d'autre part sur la théorie de la valeur moyenne de Skudrzyk pour estimer les paramètres caractéristiques de structures se comportant comme des plaques ou des coques minces. L'étude montre que la méthodologie est applicable tant que le facteur de recouvrement modal reste inférieur à 100 %. Des applications à des données expérimentales et simulées montrent que la méthode permet de discriminer des panneaux au moyen des valeurs des masses et raideurs équivalentes. Par ailleurs, la méthode ne requiert que très peu de points de mesures, et un matériel expérimental simple, ce qui rend la procédure abordable et utilisable par un luthier directement en atelier. L'application de la méthode à la guitare révèle que son comportement vibratoire au chevalet en moyennes fréquences est similaire à celui d'une plaque. L'instrument est alors caractérisé par quelques macroparamètres correspondant aux paramètres caractéristiques d'une plaque équivalente : masse, raideur, mobilité moyenne. Deux types de guitares, des instruments haut de gamme fabriqués par des luthiers et des instruments d'étude produits industriellement, sont clairement discriminés à l'aide des valeurs de ces macroparamètres. Une étude détaillée de la mobilité au chevalet, de la densité modale de violon, et des caractéristiques spectrales des sons de violon en situation de jeu, permet de lier des caractéristiques communes à ces trois grandeurs: l'existence de formants dans les sons de violon est établi en procédant à l'analyse spectrale de glissandi. Ces formants sont associés à des pics de la mobilité moyenne mesurée au chevalet. L'examen de la densité modale suggère que le premier pic, situé généralement entre 500 et 1000 Hz, et variable d'un violon à l'autre, est dû à la courbure de la table d'harmonie. Les méthodes développées sont illustrées à travers des exemples d'applications à des problématiques rencontrées en lutherie, mais également par des musiciens.
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Dates et versions

tel-00833885 , version 1 (13-06-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00833885 , version 1

Citer

Benjamin Elie. Caractérisation vibratoire et acoustique des instruments à cordes - Application à l'aide à la facture instrumentale. Acoustique [physics.class-ph]. Université du Maine, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00833885⟩
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