Orgue et Acoustique

Bonsoir,

Pourriez-vous me donner des URL à visiter pour avoir des explications simples et compréhensives sur le fonctionnement des tuyaux d'orgues.
Je n'ai rien compris ! Dans un tuyau, il existe une colonne d'air (par défaut) qui contient des ventres et des noeuds (ça il y a longtemps que je le sais), avec parfois un trou (avec un diamètre et un emplacement précis), des flûtes à cheminée etc, etc. Or, vous nous dites qu'il n'y a pas de circulation d'air ; de plus la colonne s'arrête à l'endroit de la languette d'accord (oui, mais comment ? ). Ma question est toute simple et naïve : qu'est-ce qui génère tous ces phénomènes ?

"On" m'a déjà fait le coup avec les antennes : qu'est-ce qui se pas entre le brin rayonnant et l'atmosqhère ? Je peux vous assurer que je n'ai jamais trouvé la réponse et ce ne sont pas des formules mathématiques à plusieurs étages qui font comprendre à un néophite...

Serait-il mal venu de poser les questions qui fâchent ?

Vous n'êtes pas obligé de répondre, j'en prendrais mon parti et n'en penserais pas moins !

Jean-Marie d'orguevirtuel

Jean-Marie, je ne sais pas à qui votre question est posée, mais en ce qui me concerne, j'ai trouvé deux pages de Wikipédia qui sont intéressantes :

sur le tuyau d'orgue (dont est issu le schéma reproduit ci-dessus) : http://fr.wikipedia.org/wiki/Tuyau_d%27orgue
sur l'onde stationnaire dans un tuyau : http://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_stationnaire_dans_un_tuyau

... auquel on peut ajouter le lien que vous avez vous-même mentionné un peu plus haut : http://organ-au-logis.pagesperso-orange.fr/Pages/ParametresTuyau.htm

http://www.flute-a-bec.com/acoustique-embouchure.html

Une petite animation qui vous en dira plus.

Quand on parle de ventres et de noeuds, il s'agit de variations ou d'absence de variation de pression, en aucun cas il y a un débit, c'est uniquement l'élasticité de l'air qui est en jeu. Ce qui rentre par la bouche en ressort aussitôt.

Fort jolie démonstration, et j'en suis satisfait. Dernière question afin de ne lasser personne : le trou au milieu d'un tuyau ; pourquoi n'interrompt-il pas la colonne d'air (à la manière des flûtes) ? Ne serait-ce qu'une question de taille (entre trop et pas assez) ou pourrait-on dire que c'est un compromis savamment calculé ?

Désolé de vous importuner, mais toute au long de ma vie je ne me suis enrichi presque que de questions qui n'avaient pas de réponses "évidentes" et intuitives et ne faisant pas appel à des démonstrations d'experts délibérément incompréhensibles !

Merci pour tout

Jean-Marie

Citation de M. Richaud :

Citation :

Quand on parle de ventres et de noeuds, il s'agit de ... ce qui rentre par la bouche en ressort aussitôt.

C'est moi qui est l'esprit mal tourné ou bien ... ?!

Heureusement que j'ai pas de cours d'acoustique en première année, j'espère qu'il n'y aura pas d'allusion du même genre ...

Pour l'esprit mal tourné... Voui, même si on parle de Pipeorgan, et non de pipe-orgasme.

Jean-Marie a écrit:

le trou au milieu d'un tuyau ; pourquoi n'interrompt-il pas la colonne d'air (à la manière des flûtes)

Ben si il le fait!. Il existe une manière simple d'expliquer les noeuds et ventres de pression, c'est la corde.
On prend une corde que l'on pend à un crochet au plafond, et on la laisse pendre (pour simuler un tuyau ouvert)
On agite le crochet régulièrement et on observe le mouvement de la corde: plus on va vite, et plus la corde va onduler. Si on va tout doucement, elle balance en restant droite, comme un pendule. On accélère et elle balance aux deux bouts mais pas au milieu, et ainsi de suite. (attention, si on va beaucoup trop vite, la corde prend feu. )

Pour un tuyau, c'est exactement comme ça. On souffle un peu et l'air "ondule" sur la longueur, donnant une note. On souffle plus fort, et le tuyau ondule aux deux bouts comme la corde, il monte alors d'une octave (deux fois plus vite). Au milieu acoustique du tuyau... il ne se passe alors plus rien, comme la corde immobile au milieu. Une flûte harmonique, c'est ce principe là. On souffle fort et elle octavie. Pour être sûr qu'elle ne se mette pas à beugler à l'octave réelle, on fait un petit trou juste à l'endroit où il est censé ne rien se passer (ce n'est pas tout à fait le milieu physique mais le milieu accoustique, plus près de la bouche, en correction du diamètre du tuyau et de la largeur de la bouche). Ce petit trou permet de s'assurer du fonctionnement "anormal" du tuyau. On reconnait un bon harmoniste à la taille du trou qu'il fait pour que le tuyau sonne bien. Celui qui fait des trous de 3 mm a perdu! Les flûtes que je fais ont des trous de 1mm, à peine visibles sur un tuyau de 60cm, ce sont des jeux que j'adore et que je met à toutes les sauces...

Merci Richaud

Ca a le mérite d'être clair.

De plus un peu d'humour (d'amour) à la française ne nuit pas en ces temps si tristes tant que ce n'est pas outrageant...

J-M

Richaud a écrit:

http://www.flute-a-bec.com/acoustique-embouchure.html

Une petite animation qui vous en dira plus.

Quand on parle de ventres et de noeuds, il s'agit de variations ou d'absence de variation de pression, en aucun cas il y a un débit, c'est uniquement l'élasticité de l'air qui est en jeu. Ce qui rentre par la bouche en ressort aussitôt.

Merci pour cette animation, qui a le mérite d'être très claire !

Denis a écrit:

Citation de M. Richaud :

Citation :

Quand on parle de ventres et de noeuds, il s'agit de ... ce qui rentre par la bouche en ressort aussitôt.

C'est moi qui est l'esprit mal tourné ou bien ... ?!

Je confirme (ce que l'on voudra bien me faire confirmer)...

Attention: dans le désert, il faut faire attention au sable! S'il rentre par la bouche, il y a de grandes chances qu'il ressorte au pied...
Comme dirait Bigard: ça va lui polir le casque.

Richaud a écrit:

Attention: dans le désert, il faut faire attention au sable! S'il rentre par la bouche, il y a de grandes chances qu'il ressorte au pied...
Comme dirait Bigard: ça va lui polir le casque.

Nous avons réglé le problème autrement aux Emirats : à défaut de pouvoir se débarrasser du sable, nous nous sommes débarrassés des orgues...

Je vous prie de m'excuser si je reviens au thème premier de cette discussion très intéressante.
Elle est, à mon avis, très importante, car elle est fondamentale, et je remercie Patrick de l'avoir initiée.
Dans son premier message, il se plaint, à juste titre, de ne pas pouvoir savoir comment le tuyau fonctionne.
Or, il s'agit là d'un aspect fondamental de la facture d'orgue. Le problème que l'on rencontre, quand on pose la question, c'est qu'on vous répond, comme Audsley, "il semblerait", "ce serait", "on suppose", "il est communément admis que", etc. ; finalement rien n'est clairement, scientifiquement, expliqué. Je conçois mal qu'on en reste à ces considérations empiriques aujourd'hui.
Bien sûr, la petite vidéo de la flute est très jolie, mais la question demeure : pourquoi le tuyau oscille ?
Après trois pages où ont été abordés divers aspects, personne n'a encore fourni une explication compréhensible.
J'ai travaillé sur le sujet, car il m'intéresse depuis longtemps...
Bref, si personne ne veut nous éclairer sur le pourquoi du comment, et si j'avais l'assurance de ne pas trop me faire torpiller par les Exocets et démolir par les Scuds, je vous proposerais bien ma théorie...

Bonjour Michel,

Pour ma part, je pense avoir un peu mieux compris le mécanisme (malgré que je sois absolument nul en physique, donc quelque part, il m'en faut peu pour me convaincre).

Audsley ne pouvait guère qu'avancer des explications empiriques, faute d'avoir de moyens de mesure à sa disposition (lui ou les physiciens de son époque naturellement). La vidéo montrée permet de passer à la démonstration, les liens fournis (à partir du site de DGW ou de Wikipédia) me semblent plus probants. Est-ce définitif ? A mon humble niveau, je ne saurais me prononcer...

Si de votre côté vous disposez d'informations plus précises, n'hésitez surtout pas !

Personnellement je n'y comprendrai pas grand chose, ayant atteint mon niveau d'incompétence en ce domaine, mais nous avons manifestement des pointures sur ce forum qui pourront suivre une discussion plus pointue.

Pour les missiles en tout genre, pas d'inquiétude à avoir : le port d'armes est prohibé aux Emirats...

Merci Patrick !

Alors, je me lance...

Problème : comment le tuyau d'orgue oscille ? D'où vient sa sonorité ?

Je vous livre ici ma version du crime...

Le fonctionnement du tuyau d'orgue met en œuvre deux systèmes :
1. un oscillateur (la bouche)
2. un résonateur ou une cavité accordée (le tuyau ouvert ou bouché)
Ce principe est valable pour tous les instruments de musique, sauf que pour le tuyau, l'oscillateur est commandé par le résonateur ! Ce qui n'est pas du tout le cas, par exemple, du violon, du clavecin, du piano, ou du marimba, car, même si le résonateur a, avec ces instruments, une petite influence, il ne sert, en fait, que d'amplificateur.

Or, pour ce qui nous concerne, si l'on explique bien le fonctionnement du résonateur, on est bien moins précis sur celui de l'oscillateur. Ainsi entend-on parler d'anche virtuelle, d'anche fluide, ou de "aero-plastic reed" comme le cite Audsley ! Je ne suis pas d'accord avec ces définitions.

A mon avis, pour bien comprendre comment le tuyau fonctionne, il faut connaître le principe de l'effet Coanda (déviation de la totalité d'un flux par une surface courbe ou inclinée, sur laquelle il se colle et demeure collé). La découverte de cet effet remonte au début du 20ème siècle ; il revêt une importance capitale en aéronautique, fluidique, micro-fluidique. Chacun peut le mettre en évidence en approchant son doigt recourbé du jet d'eau coulant d'un robinet. Allez sur le net et cherchez les applications de l'effet Coanda, certaines sont stupéfiantes.

Comment le tuyau oscille (selon moi...) :
Au démarrage, le filet d'air issu de la lumière est totalement dévié par la surface inclinée externe du biseau : il va se coller à elle et y rester collé (effet Coanda).
Par friction, le flux d'air créé va obligatoirement entraîner l'air environnant. Sur le devant de la bouche, cela n'a pas d'importance (encore que : voir à frein harmonique), mais derrière, cela créé une dépression, un vide, une onde de choc qui se propage dans le tuyau à environ 340 mètres/seconde.
Devenue assez puissante, cette dépression fait dévier (aspire, ou plutôt commute) le filet d'air vers l'intérieur du tuyau et le phénomène recommence à l'envers : le filet d'air se colle contre la surface interne du biseau et y reste collé (effet Coanda).
Jusqu'au moment où l'onde de choc redescend (surpression) en obéissant aux règles de la résonance, et repousse (commute) le filet d'air qui, par effet Coanda encore, va se recoller sur la face avant du biseau. Et le cycle recommence. Bien sûr, dans la réalité, les choses se passent infiniment plus vite...
Sans l'effet Coanda, le flux d'air irait n'importe où, ne s'accrocherait pas au biseau, serait "turbulent" et impossible à exploiter.

Bien évidemment, on peut prendre comme hypothèse de départ que le filet d'air commence en se collant sur la surface interne du biseau. En effet, l'état au démarrage n'a aucune importance, car nous sommes en présence d'un système "bistable", c'est-à-dire qui a deux états stables, et que l'on fait osciller en introduisant une perturbation retardée (qui est ici l'onde de choc renvoyée par le tuyau entrant en résonance).

Ce système de biseau combiné à l'effet Coanda est utilisé d'une manière parfaitement identique dans les portes bistables logiques mises en œuvres dans les systèmes de contrôle pneumatiques (fluidique). Quant aux oscillateurs utilisés en micro-fluidique (monde médical, chimie, biologie), ils fonctionnent exactement selon le même principe, même s'ils sont microscopiques et travaillent à des fréquences élevées.

Ainsi, on s'aperçoit que c'est la fréquence de résonance du tuyau qui commande tout, car, comme dans les portes bistables ou les oscillateurs micro-fluidiques, l'énergie nécessaire pour dévier le filet d'air est faible.
Cela dit, on comprendra aisément que la dépression pour commuter l'énorme filet d'air d'une contrebasse de 32' est infiniment plus importante que celle pour commuter celui d'un piccolo. Plus la fréquence est élevée, plus le débit est faible, et plus il est facile à dévier.

Si l'on mesure le débit d'air en haut du tuyau, il est nul. Si on mesure le niveau acoustique d'un éventuel signal sonore en haut du tuyau, il est nul. Nous sommes bien en présence d'un système accordé (l'exemple de la corde de Richaud).

Par contre, il règne au sein du tuyau une pagaille inimaginable, constituée de flux d'air alternatifs (ondes de choc) vibrant ensemble, et créant ventres et nœuds, selon les fréquences de tous les harmoniques possibles. Ces fréquences sont filtrées (éliminées) par la taille, la forme, la matière, et l'état de surface intérieur dudit tuyau. Qu'il n'y ait pas de débit, c'est sûr, mais ce qui est sûr aussi, c'est qu'il y a d'intenses déplacements alternatifs d'air, d'où l'importance de l'état de surface interne.

Pas de malaise ? Pas de crampe ? Alors, on continue l'ascension...

Tout ce que je viens de décrire est extrêmement simpliste. Dans la réalité, le fonctionnement de la bouche est un peu plus difficile à comprendre, car je n'ai décrit son comportement, pas à pas, que pour un seul harmonique.
Il faut se figurer, pour schématiser, que ce fonctionnement s'exerce à l'identique pour tous les harmoniques du tuyau (et en même temps bien sûr).
Pédagogie : si on a du mal à appréhender ce concept, on peut imaginer que l'on a empilé plusieurs "bouches virtuelles" (1,2,3, etc.), réagissant chacune à son harmonique (1,2,3, etc.), et oscillant indépendamment.

Ce qui me permet d'expliquer certains phénomènes :

Si je fais une bouche trop basse, la dépression pour faire dévier le filet d'air sera impossible à obtenir, le tuyau ne parlera pas. Si je fais une bouche trop haute, la lèvre supérieure sera trop loin pour que l'effet Coanda s'exerce car le filet d'air deviendra turbulent, le tuyau ne parlera pas... sauf si j'augmente la pression.

Et que se passe-t-il si j'augmente trop la pression ? Eh bien, son flux devenant trop fort, la dépression dans le tuyau n'est plus assez puissante pour le dévier (commuter), selon la fréquence de l'harmonique 1 (bouche virtuelle 1). Par contre, elle l'est pour l'harmonique 2 (bouche virtuelle 2), qui a besoin d'une dépression moindre : le tuyau octavie.

Alors, comment faire pour faire parler, quand même, le tuyau qui passe en harmonique 2 (trop haute pression ou trop faible taille). Pour cela, il faut augmenter la dépression dans le tuyau, pour qu'elle devienne assez puissante pour dévier à nouveau (commuter) le filet d'air issu de la lumière. Comment faire ? Mais en recourant de nouveau à l'effet Coanda ! Positionnons devant la bouche, un plan incliné ou courbe (rouleau), afin de dévier un peu plus vers l'avant la lame d'air issue de la lumière. On renforcera ainsi la dépression à l'intérieur du tuyau, et sa capacité à faire dévier (commuter) le filet d'air. On a appelé cela un frein harmonique, à tort à mon avis, car, loin de freiner, il accélère plutôt les choses, car il permet à un tuyau de garder sa fondamentale, avec des harmoniques élevés (contrebasse, viole, violoncelle, etc.).

L'état intermédiaire, transitoire, où tout se met en place (oscillations erratiques diverses, bruits de bouche, etc.), est explicable par le fait que les "bouches virtuelles" de mon tuyau ne démarrent pas leurs oscillations en même temps. Les aigus étant prompts, les graves trainant un peu les pieds (8', 16', 32', ah ah...). Certains harmoniques ne survivant pas dans le temps (extrêmes aigus) quand les autres se stabilisent et prennent leur place.

Allez, même si je suis recalé à l'écrit, vous ne pourrez pas dire que je n'y ai pas mis du cœur...

Michel Calmettes a écrit:

mais la question demeure : pourquoi le tuyau oscille ?

Tout simplement parce-qu'on le règle pour être instable. Tout l'art de faire fonctionner un tuyau, c'est de positionner la lame d'air correctement, ce que l'on fait en remontant (elle sort plus) ou en descendant (elle rentre plus) le biseau. Il n'existe qu'une petite zone où le tuyau est instable et se met à osciller, sinon il est muet, malgré le vent. Si la lame d'air pénètre dans le tuyau très franchement, il ne se passe rien. Si la lame d'air est trop à l'extérieur, idem. Il faut qu'elle vienne légèrement à l'intérieur pour que le phénomène s'amorce. La légère surpression induite à l'intérieur, pour "pousser" la colonne d'air qui est dedans va se heurter à l'élasticité de l'air qui va la repousser dehors. Le phénomène est autoentretenu par l'énergie du flux d'air qui sort de la lumière. Logique: plus on souffle fort, plus le tuyau joue fort, et inversement.
Alors vous allez me dire "l'air rentre dans le tuyau" donc il circule dans le tuyau. Non, il en est chassé aussitôt par la masse de la colonne d'air qui est dedans, comme une baballe rebondit sur le sol. Le tuyau par analogie, fonctionne comme un basketteur dribble en redonnant de l'énergie à l'instabilité qu'il a engendré en projetant la balle au sol. Rien d'empirique à celà, mais une foule de paramètres de calcul, ce qui rend ardue la formulation de fonctionnement autrement que d'en remplir 100 pages.

Parce qu'il est introuvable, je vous publie ici les pages relatives aux tuyaux dans l'ouvrage de Émile LEIPP "Acoustique et Musique".
C'est assez simplement expliqué et complet.

Non, on ne peut pas invoquer un effet coanda sur le tuyau pour une raison simple: les tuyaux de bois n'ont pas de surface pour que la lame d'air se colle, c'est une simple fente avec les parois de même hauteur. Si c'était effectivement l'effet coanda sur la pente du biseau, ce genre de tuyaux ne fonctionnerait pas.
Que la lame d'air entraîne l'air ambiant avec elle, oui, bien sûr! On joue avec cela pour le quintaton ou le Violone: une bavette perpendiculaire en dessous de la bouche. Le frein harmonique sert aussi à canaliser l'air ambiant qui est entraîné, comme la forme de la lèvre inférieure et l'aplat supérieur.
Quand on souffle dans une bouteille, l'oscillation se produit, et à part les noirs à plateaux, on ne peut pas parler d'effet coanda. Mais la cavité étant fermée, c'est Helmhotz qui s'applique.

L'effect Coanda a été découvert en 1930. Je suis désolé de vous contredire, mais il s'applique inévitablement dès lors qu'un flux de fluide (liquide ou gazeux), entre en contact avec une surface plane ou courbe, y compris si c'est celle d'un goulot de bouteille.

@ DGW : merci pour ce document. Une question : l'éditeur ne serait pas "La revue musicale" ? Je possède, de Emile Leipp, une étude approfondi sur le diapason, chez ce même éditeur.

Michel Calmettes a écrit:

@ DGW : merci pour ce document. Une question : l'éditeur ne serait pas "La revue musicale" ? Je possède, de Emile Leipp, une étude approfondi sur le diapason, chez ce même éditeur.

Peut être... mais j'ai une 4e édition Masson, 1984.

Quelqu'un pourrai t-il me faire un petit résumé des pages de DGW s'il vous plait ?

DGW a écrit:

Parce qu'il est introuvable, je vous publie ici [...]

Tout de même Didier, avant de faire ce genre d’affirmation sur un forum public, une simple recherche sur le web s’impose.

http://www.pressesdesmines.com/catalog/product/view/id/132/s/acoustique-et-musique/category/9/
http://www.amazon.fr/gp/offer-listing/2225801967/ref=dp_olp_used_mbc/276-2102515-2425919?ie=UTF8&condition=used

Michel Calmettes a écrit:

L'effect Coanda a été découvert en 1930. Je suis désolé de vous contredire, mais il s'applique inévitablement dès lors qu'un flux de fluide (liquide ou gazeux), entre en contact avec une surface plane ou courbe, y compris si c'est celle d'un goulot de bouteille.

Oui, l'effet coanda s'applique si le contact se fait tangentiellement à la surface, condition indispensable. Mais dans le cas de la lame d'air qui sort de la lumière, elle ne rencontre aucune surface avant la lèvre supérieure, donc l'effet coanda ne peut pas s'appliquer, de plus la surpression/dépression qui se fait par la bouche (en absence de surface "adhésive au sens coanda" ) est perpendiculaire au flux d'air. Quand la lame arrive à la lèvre supérieure, le mal est déjà fait.

Sébastien C. a écrit:

DGW a écrit:

Parce qu'il est introuvable, je vous publie ici [...]

Tout de même Didier, avant de faire ce genre d’affirmation sur un forum public, une simple recherche sur le web s’impose.

http://www.pressesdesmines.com/catalog/product/view/id/132/s/acoustique-et-musique/category/9/
http://www.amazon.fr/gp/offer-listing/2225801967/ref=dp_olp_used_mbc/276-2102515-2425919?ie=UTF8&condition=used

Un fac-simile de 2010 et 2 occases ... évidemment, depuis 5 ans je n'étais pas venu chercher ...
Néanmoins, il vaut mieux acheter le fac-simile, il est moins cher que les occases.

@ Richaud : on ne va pas s'accrocher sur un point de détail. Par contre, reconnaissez avec moi que dans le cas du biseau d'un tuyau ou d'un frein harmonique, la question peut être posée avec pertinence, car on est pile dans la configuration optimale pour que l'effet se produise.