Musician control on oscillation regimes of the brass instruments
Contrôle par le musicien des régimes d’oscillation des instruments de la famille des cuivres
Résumé
This thesis deals with the different oscillation regimes of brass instruments. It focuses on the way a musician can control and choose these regimes. The association of an instrument, the musician’s lips and his mouth forms a complex dynamical system. Depending on the parameter values, the nonlinear coupling between the mechanical modes of the lips and the acoustical modes of the resonator can lead to a stationary regime, or result in periodic (with different frequencies) or even quasi-periodic self-sustained oscillations. Through muscular control on his/her lips and respiratory control of his/her blowing pressure, a trained musician can select the desired regime.
Two main approaches are developed for a better understanding of how musicians select these regimes, and what are the conditions of their emergence. On the one hand, a physical model of brass instrument is studied. It consists in a one-degree-of-freedom lip valve nonlinearly coupled to a modal fit of the input impedance of the instrument. The thresholds and the features of several oscillation regimes of this model are studied through dynamical systems tools, including linear stability analysis, numerical simulation and harmonic balance. The underlying goals are the assessment of the ability of this model to reproduce the behavior of the modelled instrument, and the understanding of transitions between oscillation regimes. The regime change thresholds are particularly examined. On the other hand, an experimental setup is developed in order to measure simultaneously multiple playing parameters used by a musician, together with the resulting instrument variables.
Results from these different perspectives provide a better understanding of the behavior of brass instrument oscillation regimes. Experimental measurements carried out with several musicians provide the range of the control parameters while playing. Results of the analysis methods of the model are complementary. A global vision of the occurrence of certain oscillation regimes is provided, along with more detailed information for some operating points. Some specific playing situations are examined in detail, such as the trombone pedal note, the influence of a passive or active mute on the latter, and the nature of multiphonic sounds.
Cette thèse traite des différents régimes d’oscillation des instruments de la famille des cuivres. On étudie en particulier la manière dont le musicien contrôle et sélectionne ces régimes. L’association d’un instrument, des lèvres et de la bouche d’un musicien forme un système dynamique complexe. Le couplage non linéaire entre les modes mécaniques des lèvres et les modes acoustiques de la colonne d’air de l’instrument peut,
selon les paramètres, mener à un régime stationnaire, à des auto-oscillations périodiques de différentes fréquences, ou a des oscillations quasi-périodiques. Le contrôle musculaire sur les lèvres et sur la pression dans la bouche permet à un musicien entraîné de choisir le régime d’oscillation souhaité.
On propose deux approches pour mieux comprendre les conditions d’émergence des différents régimes de l’instrument et leur contrôle par le musicien. D’une part, on étudie un modèle physique de cuivre, qui consiste en une valve lippale à 1 degré de liberté couplée non linéairement à une expression modale de l’impédance d’entrée de l’instrument. Les seuils d’apparition et les caractéristiques de différents régimes d’oscillation de ce modèle sont étudiés à l’aide de plusieurs outils de dynamique des systèmes : l’analyse de stabilité linéaire, la simulation numérique et l’équilibrage harmonique. L’objectif sous-jacent est d’estimer la capacité de ce modèle à reproduire le comportement de l’instrument qu’il modélise. Un dispositif expérimental est également développé, dans le but de mesurer simultanément plusieurs paramètres de jeu
employés par un musicien en même temps que la réaction de l’instrument.
Les résultats des différentes approches permettent de mieux comprendre les comportements liés aux régimes d’oscillation des cuivres. Les mesures réalisées sur plusieurs musiciens donnent les plages de variation des différents paramètres de contrôle mesurés. Les résultats des méthodes d’analyse du modèle se complètent. Elles donnent à la fois une vision globale de l’apparition de certains régimes oscillants du
modèle d’instrument, et des informations plus détaillées sur certains points de fonctionnement. Certaines situations de jeu particulières sont étudiées plus en détail, notamment la note pédale du trombone, l’influence de l’utilisation d’une sourdine passive ou active sur celle-ci et la nature des sons multiphoniques.