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International audience; Dans un objectif applicatif de fournir aux facteurs d’instruments à vent des outils de conception et de simulation, de nombreuses méthodes, à la fois de caractérisation et de simulation du comportement des propriétés acoustiques ont été développées. Certains de ces outils sont mis à la disposition des artisans via la Plateforme d’Aide à la Facture Instrumentale (PAFI). En parallèle d’un benchmark des modèles numériques pour leur vérification, une campagne expérimentale est ici présentée afin de créer une base de données exhaustive et de référence pour la validation des modèles (les notions de vérification et validation se basent sur les critères de l’ASME), et l’estimation des incertitudes associées aux mesures. En particulier, l’incertitude aléatoire inter/intra mesures et inter/intra échantillons est quantifiée. La campagne expérimentale se base sur de nombreux lots de cinq éprouvettes chacun. Le plan d’expérience permet d’obtenir des résultats expérimentaux consolidés concernant la conicité, les trous latéraux, les effets de bords, les conditions aux limites et les matériaux. Les éprouvettes fabriquées vont être testées dans au moins huit lieux différents présentant des méthodes de caractérisation variables. La première campagne ayant eu lieu permet d’établir un protocole de mesure reproductible. Cette campagne donne de premières estimations de la variabilité des mesures et permet de tester différents aspects du plan d’expérience.

Le lien entre la production de son par les instruments à anches et les actions du musicien est étudié à travers des simulations numériques appliquées à un modèle physique et complétées par des expériences. On se concentre sur la dynamique non linéaire du modèle, comme l’un des enjeux majeurs reliant les caractéristiques acoustiques passives de l’instrument à sa jouabilité. Des interprétations liées à la facture instrumentale mais aussi à des applications musicales temps-réel de la synthèse sont proposées. On développe une approche numérique basée sur deux méthodes. Premièrement, la synthèse temporelle permet des études à grande échelle des phénomènes transitoires et des régimes établis, avec l’avantage d’être interprétable directement en termes d’actions du musicien. Deuxièmement, la Méthode d’Équilibrage Harmonique associée avec la continuation (Méthode Asymptotique Numérique) permet d’explorer l’espace des paramètres de contrôle en suivant les branches de solutions périodiques stables et instables. Cette méthode met en évidence des bifurcations qui marquent l’apparition ou la disparition de régimes oscillants. Les bifurcations de Hopf et fold sont suivies par continuation, en codimension 2. On compare la dynamique simulée numériquement aux phénomènes observés en situation de jeu et mesurés par un bec instrumenté. Dans ce cadre, des formes archétypales de régimes d’oscillations sont étudiées et liées aux paramètres de contrôle du musicien que sont la pression d’alimentation et l’appui de la lèvre sur l’anche. Les régimes à deux états dits standard, inversé, et double, sont analysés expérimentalement et numériquement. On étudie également le phénomène de multistabilité, où plusieurs régimes sont stables pour une seule valeur des paramètres de contrôle. Le régime établi dépend alors de l'histoire du système : oscillations préétablies, changement de doigté, variations des paramètres de contrôles. On propose de prendre ces considérations en compte dans une description globale des régimes produits par un modèle d'instrument à anche.

International audience; Dans l’objectif de mettre à jour la Plateforme d’Aide à la Facture Instrumentale Pafi, nous proposons ici de recenser et comparer les outils existants permettant de calculer l’impédance d’entrée d’instruments à vent. Un groupe de travail a été constitué, réunissant une dizaine d’équipes de recherche françaises expertes dans la modélisation et les méthodes de résolution par matrice de transfert, éléments finis 1D, éléments finis 3D, méthodes multimodales, guides d’ondes, etc. Ce groupe a défini un ensemble de géométries étalons de résonateurs mettant en jeu différentes conditions de propagation (cylindre, cône, coude, trou latéral, etc.) ou de rayonnement (fermé, avec baffle, etc.). Les impédances d’entrée de ces tubes ont été calculées en utilisant l'expertise des membres du groupe de travail puis mises en commun sur une plateforme collaborative. La base de données ainsi constituée peut être utilisée pour mener des études comparatives, la vérification de modèles et la comparaison avec une base expérimentale. Son analyse permettra notamment de faire un choix éclairé des méthodes et modèles à implémenter dans un outil d’aide à la facture en considérant leur validité, leur versatilité, leur complexité d’implémentation et les ressources de calcul nécessaires. Après avoir présenté la mise en place de ce projet et l’accessibilité de la base de données, nous discuterons des résultats obtenus sur quelques cas particuliers.

This work links features of sound production in woodwinds to the action of the musician, through numerical simulation of a physical model supported by experiments. It focuses on the nonlinear dynamics of the model, as one of the missing links between the acoustical features of the instrument, and how easy it is to play. The results are intended to facilitate future instrument development endeavors that would use a physical model as a virtual prototype. Two fundamentally different simulation methods are used conjointly to provide a robust understanding of the mechanisms governing sound production in woodwind instruments. On the one hand, time-domain synthesis allows large-scale direct investigations into the transients and steady-state oscillations, with the advantage of being interpretable directly in terms of musician actions. On the other hand, the Harmonic Balance Method associated with continuation (Asymptotic Numerical Method) provides a precise, in depth investigation of stable and unstable periodic solution branches throughout the parameter space. This method highlights bifurcations which signal the apparition or disappearance of oscillation regimes: Neimark-Sacker, period doubling, Hopf and fold. These last two are followed by continuation, in codimension two.Experimental results constitute the initial foundation and final validation of numerical simulations. Input impedance measurements allow simulations to be based on the acoustical parameters of real saxophones. This justifies subsequent comparisons of simulated dynamics with phenomena observed in playing situation using an instrumented saxophone mouthpiece. Archetypes of oscillating regimes are explored and connected to musician control parameters, such as the blowing pressure and action on the reed. The so-called standard, inverted and double two-step regimes are revealed and analyzed both experimentally and numerically. The influence of geometrical and modal parameters of the resonator on the instrument’s dynamics is detailed. The dynamic system is characterized globally, by mapping out its oscillation thresholds and regime production regions. Maps representing types of oscillation regimes produced depending on the control parameters constitutes a more detailed way to compare two instruments or fingerings. They are applied to compare two alto saxophones, demonstrate the effect of the register key, and assess sound production on a virtual prototype of bicylindrical resonator. This virtual prototype's geometry is optimized based on the input impedance of a saxophone, using a differentiable cost function well-suited to gradient-based optimization procedures.A more fundamental investigation of woodwind dynamics tackles multistability (different regime being stable for the same control parameter values), which is shown to be ubiquitous on saxophones. The initial conditions leading to different regimes are grouped as attraction basins. Multistability is also characterized in a more musically interpretable way, via a variable blowing pressure transient affecting the obtained steady-state regime. These considerations are applied to improve the regime maps and avoid bias that may be due to overlooking multistable regimes. Improved regime maps are used to demonstrate that the ratio between the first two resonance frequencies leading to the most first register production is not exactly two, but a slightly higher value. The results of this dissertation and the related analysis tools further the understanding of a complex dynamic, that of the saxophone, and open the door to quantitative studies and direct application in virtual prototyping., Cette thèse lie la production de son par les instruments à anches aux actions du musicien, à travers des simulations numériques appliquées à un modèle physique et soutenues par des expériences. On se concentre sur la dynamique non linéaire du modèle, comme l’un des chaînons manquants entre les caractéristiques acoustiques de l’instrument et sa jouabilité. Les résultats doivent faciliter de futurs projets de développement d’instrument qui utiliseraient un modèle physique en tant que prototype virtuel. Deux méthodes de simulation fondamentalement différentes sont utilisées conjointement pour améliorer notre compréhension des mécanismes régissant la production du son dans les instruments à anches. D’un côté, la synthèse temporelle permet des études à grande échelle des phénomènes transitoires et des régimes établis, avec l’avantage d’être interprétable directement en termes d’actions du musicien. D’un autre côté, la Méthode d’Équilibrage Harmonique associée avec la continuation (Méthode Asymptotique Numérique) permet d’explorer l’espace des paramètres de contrôle en suivant les branches de solutions périodiques stables et instables. Cette méthode met en évidence des bifurcations qui marquent l’apparition ou la disparition de régimes oscillants : Neimark-Sacker, doublement de période, Hopf et fold. Ces deux dernières sont suivies par continuation, en codimension 2.Les résultats expérimentaux constituent à la fois un préalable et une validation finale des simulations numériques. Des mesures d’impédance d’entrée permettent de fonder les simulations sur les paramètres acoustiques de vrais saxophones. Ceci justifie les comparaisons ultérieures entre la dynamique simulée et les phénomènes observés en situation de jeu effectuées à l’aide d’un bec instrumenté.Des formes archétypales de régimes d’oscillations sont étudiés et liés aux paramètres de contrôle du musicien que sont la pression d’alimentation et l’appui de la lèvre sur l’anche. Les régimes à deux états dits standard, inversé, et double, sont exhibés et analysés expérimentalement et numériquement.L’influence des paramètres géométriques et modaux du résonateur sur la dynamique de l’instrument est détaillée. Le système dynamique est caractérisé de manière globale, en cartographiant les seuils d’oscillations et les régions de production de régimes. Des cartes représentant les types de régimes oscillants permettent de comparer en détail deux instruments ou deux doigtés d’un même instrument. Ainsi, on compare deux saxophones altos, on illustre l’effet de la clé de registre, et on évalue un prototype virtuel de résonateur bicylindre. La géométrie de ce prototype virtuel est optimisée à partir de l’impédance d’entrée d’un saxophone, à l’aide d’une fonction de coût dérivable adaptée aux méthodes d’optimisations basée sur le gradient.Une étude plus fondamentale de la dynamique des instruments à anches traite du phénomène de multistabilité (plusieurs régimes stables pour une seule valeur des paramètres de contrôle). Sur les saxophones, ce phénomène s’avère très important. Les conditions intiales menant à chaque régime sont regroupées en bassins d’attraction. La multistabilité est aussi caractérisée d’une manière plus proche du jeu musical, via un transitoire variable de pression d’alimentation qui affecte le régime final obtenu. Ces considérations sont appliquées à l’amélioration des cartographies de régimes afin d’éviter les biais qui peuvent apparaître si la multistabilité est négligée. Ces cartographies améliorées démontrent que le rapport entre les deux premières fréquences de résonance du saxophone qui mène à la production la plus importante de premier registre ne vaut pas exactement 2 mais une valeur légèrement plus élevée. Les résultats de cette thèse et les outils d’analyse afférents permettent d’avancer dans la compréhension d’une dynamique complexe, celle du saxophone, et ouvrent la porte à des études quantitatives et à des applications directes de prototypage virtuel.

International audience; The effect of the tonehole lattice cutoff frequency of a conical resonator on sound production is explored using numerical synthesis: time-domain integration, as well as harmonic balance method combined with continuation (MANLAB). The tonehole lattice cutoff frequency f_\textrmc separates the passive response of the resonator into two bands. Below f_\textrmc, an acoustical wave traveling down the main branch of the duct, upon arrival at the first open tonehole, either radiates into the surrounding field, or reflect back into the main bore of the instrument. However, above f_\textrmc, the wave is no longer evanescent and is able to propagate farther into the lattice. In this work, three resonators are designed to have drastically different cutoff frequency behavior: two resonators with cutoff frequencies at 700 and 900 Hz and a simple cone with no tonehole lattice are proposed to compare the effect of the cutoff frequency on sound production. Numerical synthesis shows that some sound production features are almost unaffected by cutoff behavior, such as oscillation thresholds and values of the control parameters leading to the production of certain registers. However, the spectral centroid, an indicator of tonal brightness, seems greatly influenced by the cutoff frequency behavior. The severity of the cutoff, which relates to the overall height reduction of impedance peaks above the cutoff frequency, has a greater impact on the spectral content of the produced sound that the frequency at which cutoff occurs. Thus, taking into account the cutoff frequency behavior in the development of an instrument can be a way to control its spectral features without affecting the main sound production characteristics.

International audience; The tonehole lattice cutoff frequency is a characteristic of many woodwinds that is generally assumed to be linked to the ``musical personality'' of a given instrument. For frequencies below the cutoff, the input impedance peaks have large amplitudes and regular spacing in frequency, while the peaks above the cutoff are attenuated and often irregularly spaced. An approximate cutoff of an instrument is often identified as a perturbation in the magnitude or phase of the input impedance that separates these two frequency bands. A precise definition of the cutoff exists only for infinite, loss- less lattices, and has been worked out for the cylindrical resonators. Conical resonators are more challenging because there is no possibility of a strict geometric regularity. Here, three objective metrics to identify the cutoff are proposed and compared. The first defines a cutoff frequency band that is defined by thresholds on the modulus of the reflection coefficient. The second metric divides the lattice into &_Pi; shaped cells, each of which consists of two toneholes and the section of main bore between them. For a real instrument, the resonance of the cells varies across the length of the resonator, and the variation is interpreted as a degree of acoustic irregularity. The third metric divides the geometry of the lattice into asymmetric unit cells all of which have the same eigenfrequency. The range of eigenfrequencies for which this is possible is interpreted as the range of frequencies for which the lattice can be considered acoustically regular. These three metrics are applied to the measured input impedance and geometries of the saxophone and bassoon, which have significantly different global cutoff frequencies and acoustic regularity across the range of the resonators.

International audience

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Proceedings of the ICA 2019 and EAA Euroregio : 23rd International Congress on Acoustics, integrating 4th EAA Euroregio 2019 : 9-13 September 2019, Aachen, Germany / proceedings editor: Martin Ochmann, Michael Vorländer, Janina Fels 23rd International Congress on Acoustics, integrating 4th EAA Euroregio 2019, ICA 2019, Aachen, Germany, 9 Sep 2019 - 13 Sep 2019; Aachen (2019)., Published by Aachen

Proceedings of the ICA 2019 and EAA Euroregio : 23rd International Congress on Acoustics, integrating 4th EAA Euroregio 2019 : 9-13 September 2019, Aachen, Germany / proceedings editor: Martin Ochmann, Michael Vorländer, Janina Fels 23rd International Congress on Acoustics, integrating 4th EAA Euroregio 2019, ICA 2019, Aachen, Germany, 9 Sep 2019 - 13 Sep 2019; Aachen (2019)., Published by Aachen