Brass Instrument Optimization Software

Avec BIOS c'est presque comme un miracle ...

Le concept
Généralités
Le "Brass Instrument Optimization Software" BIOS
Choix des objectifs et des paramètres d'optimisation
Contrôle de l'optimisation en temps réel
La pratique du logiciel
Optimisation d'une "trompette" en si bémol
Optimisation d'une trompette naturelle en ré bémol
Optimisation d'une trompette en si bémol à trois pistons
Plus d'information sur ce sujet

Le concept

Généralités

Jusqu'à présent, la conception d'un instrument de la famille des cuivres a été empirique. Bien que les facteurs d'instruments aient acquis de plus en plus d'expérience, la plupart des cuivres souffrent encore de défauts de justesse.

Il est désormais possible de calculer la réponse acoustique d'un cuivre à l'aide d'une modélisation de ses caractéristiques physiques.

Ainsi, un facteur d'instruments peut évaluer des modifications "virtuelles" d'un cuivre et leur influence sur ses caractéristiques acoustiques sans avoir à les réaliser matériellement.

Mieux encore, l'ordinateur peut prendre en charge la recherche des modifications de la géométrie de l'instrument permettant de modifier ses caractéristiques acoustiques dans le sens voulu de façon à se rapprocher au plus près des objectifs fixés.

Le "Brass Instrument Optimization Software" BIOS

BIOS en action !

Choix des objectifs et des paramètres d'optimisation

La pratique du logiciel

Saisie de la géométrie initiale de l'instrument :

	Ne pas décomposer l'instrument en un nombre d'éléments trop grand afin de minimiser la durée du calcul
	Les segments élémentaires peuvent être moins nombreux dans les zones à faible conicité
	Lorsque la conicité varie beaucoup, il faut rapprocher les points de mesure

Utiliser l'optimisation pour interpoler les mesures de géométrie initiale :

S'il n'est pas possible de mesurer la géométrie de l'instrument avec une précision suffisante, on peut utiliser l'optimiseur pour ajuster la courbe d'impédance calculée sur la courbe d'impédance mesurée, en prenant comme paramètres ajustables les coordonnées incertaines, et en les laissant varier à l'intérieur de la marge d'erreur de mesure.

Définir soigneusement les zones à modifier :

Vérifier que les modifications envisagées sont réellement applicables à l'instrument !

Choisir de bonnes valeurs initiales pour les modifications envisagées :

C'est essentiel pour obtenir rapidement un résultat désiré. L'expérience et l'expertise des facteurs d'instruments peuvent aider à trouver de bonnes valeurs initiales. La connaissance des nœuds de pression des ondes stationnaires peut aider à trouver le bon endroit pour modifier l'instrument.

Mesurer les caractéristiques initiales de l'instrument :

Dans la fonction d'objectifs doivent être spécifiées les caractéristiques recherchées comparées aux caractéristiques initiales (impédance, justesse). Les caractéristiques initiales peuvent être mesurées (impédance) ou obtenues par jugement d'un musicien expert (justesse)

Définir des priorités pour orienter l'optimisation :

Définir des pondérations des critères de performance.

Optimisation d'une "trompette" en si bémol.

On a fait une première expérience avec une "trompette" en si bémol fabriquée pour cette occasion. L'instrument était droit et sans pistons. L'objectif était d'améliorer la justesse.

Pour des raisons pratiques, les modifications étaient limitées à l'insertion d'un tube de métal (4 cm de long et 0,5 mm d'épaisseur) dans la partie cylindrique de la trompette. Le but était simplement de trouver l'emplacement optimum du tube.

Le diagramme 1 montre que même cette petite intervention a amélioré significativement la justesse.

Diagramme 1: Écarts de justesse mesurés avant (rouge) et après (noir) optimisation.

Optimisation d'une trompette naturelle en ré bémol.

L'amélioration de la justesse d'une trompette naturelle en ré bémol était un exercice plus difficile. Le but était de déplacer les 11ème et 13ème pics de résonance. Chacun d'eux était positionné entre deux notes, mais pouvait être joué en corrigeant avec les lèvres.

Le premier essai a visé uniquement l'optimisation de la justesse. Après un certain temps de calcul, l'optimiseur a atteint l'objectif d'une justesse parfaite. Mais en regardant la courbe d'impédance de l'instrument modifié présentée à la figure 1, il est clair que l'instrument ainsi modifié n'aurait pas été très utilisable.

Fig. 1: Impédance calculée après la première optimisation.

Dans le deuxième essai, on a tenu compte de la courbe d'impédance dans les objectifs d'optimisation. Après quelques tentatives, on a trouvé un compromis raisonnable qui a été partiellement appliqué par le fabricant. Bien que toutes les modifications proposées n'aient pas été appliquées - seules celles considérées comme importantes l'ont été - on a obtenu une amélioration notable de la justesse des notes critiques (tableau 1).

Fig. 2: Impédance mesurée après la deuxième optimisation.

Tab.1: Comparaison de l'objectif, de la valeur initiale et de la valeur obtenue
(NdT : 1 cent = un centième de demi-ton ; par exemple, pour un la 440, 1 cent = 0,25 Hz. Une erreur inférieure à 10 cent est facilement corrigée sans même que l'instrumentiste en ait conscience)

Optimisation d'une trompette en si bémol à pistons.

Dans cette expérience, toutes les combinaisons des pistons d'une trompette standard ont été optimisées simultanément. L'objectif était une justesse parfaite de toutes les notes de la gamme chromatique.
On n'a pas fixé de contraintes sur la courbe d'impédance, et toutes les zones de l'instrument pouvaient être affectées par les modifications. Le diagramme 1 montre les écarts de justesse initiaux ; les diagrammes 2 et 3 montrent les écarts de justesse et la courbe d'impédance obtenus après modifications.

Diagramme 1: Erreurs de justesse calculées avant optimisation, par demi-ton du Fa# grave au mi au-dessus du contre-ut.
(NDT : les couleurs des barres correspondent aux combinaisons des pistons : rouge=0 (aucun piston), rose=1, bleu moyen=2, marron=12, vert=23, bleu clair=13, bleu foncé=123
On reconnaît les défauts de justesse habituels que l'on peut corriger avec les coulisses mobiles lorsqu'elles existent).

Diagramme 2: Erreurs de justesse calculées après optimisation (aucune coulisse mobile n'est plus nécessaire).

Diagramme 3: Impédance calculée après optimisation, avec les trois pistons appuyés simultanément.

Plus d'information sur ce sujet :

Diagnosis and Therapy for Brasses. Measurement, Evaluation and Improvement of the Acoustic Quality of Brass Wind Instruments.(1999).

Optimization of Brass Wind Instruments (1999)

Part I: Concept and Implementation (1999)

Part II: Applications, Practical Examples (1999)

last update: 28.11.2002