Le développement de la trompette instrumentée a été initié pendant deux stages, dont les rapports apportent plus de détails sur les choix et développements technologiques, qui seront ici briève-ment décrits [Velut, 2012, David-Sivelle, 2013]. Les détails sur l’étalonnage et le réglage des divers capteurs sont consignés dans l’annexe G.
50 7. Développement d’instruments instrumentés
Figure 7.1 – Trompette instrumentée, équipée de ses capteurs : les capteurs de déplacement des pistons (sous les pistons) et le support du débitmètre et du micro champ externe (attaché au pavillon) sont visibles. La carte de conditionnement des capteurs de déplacement des pistons et du capteur de force de l’embouchure est également visible.
Pression dans la bouche et pression dans l’embouchure
La pression dans la bouche est mesurée par l’intermédiaire d’un tuyau capillaire passé entre les lèvres du musicien, choisi suffisamment fin pour minimiser la gêne. Le capteur en lui-même est un microphone miniature (Endevco 8510B-5) qui permet à la fois de mesurer la pression statique et les composantes acoustiques de la pression dans la bouche. Le raccordement entre le capillaire et le microphone est effectué à l’aide d’un embout en silicone.. Le montage est représenté en figure 7.2.
Figure 7.2 – Montage des microphones miniatures Endevco. Le capteur est la partie métallique sur la gauche, le capillaire rouge entre soit dans un trou pratiqué dans la cuvette de l’emboucure, soit à la commissure des lèvres du trompettiste. Le tuyau en silicone transparent assure la jonction étanche.
L’assemblage du capillaire et de l’adaptateur forme un résonateur de Helmholtz ayant une fréquence de résonance d’environ 1 kHz, qui génère un filtrage fréquentiel sur les mesures effectuées. Afin de compenser cet effet, la fonction de transfert de cet adaptateur est mesurée : un filtrage par la fonction de transfert inverse permet alors d’annuler les effets de ce capillaire. Un dispositif identique est inséré sur le côté de la cuvette de l’embouchure, afin de mesurer la pression à l’entrée de l’instrument.
Position des pistons
L’appui sur un piston modifie la géométrie de la colonne d’air qui forme le résonateur de l’ins-trument. L’objectif est de connaître la position de chaque piston, qui se déplacent verticalement sur une longueur de 16 mm. Divers capteurs ont été utilisés pour cela, notamment dans le développement de trompettes augmentées [Thibodeau and Wanderley, 2013]. La solution retenue consiste à fixer un potentiomètre linéaire au-dessous de chaque piston. Afin de ne pas perturber le geste du musicien, des potentiomètres avec un frottement très faible ont été choisis ; ils ont
7.2 Conception et étalonnage des capteurs 51 cependant l’inconvénient d’être relativement encombrants. Un bâti noir fixé au bloc pistons, visible sur la figure 7.1, permet de garantir l’alignement entre potentiomètres et pistons.
D’autres solutions techniques ont préalablement été envisagées avant de retenir les potentiomètres linéaires :
— Des capteurs optiques où un phototransistor reçoit la lumière émise par une LED infrarouge et reflétée sur la partie mobile du piston. La lumière reflétée étant d’autant plus intense que cette partie mobile est proche du capteur. La course de ce type de capteur, limitée à quelques millimètres, est insuffisante pour les pistons.
— Les capteurs à effet Hall ont été envisagés, cependant aucun modèle ayant une dimension adaptée n’a été trouvé.
— La mesure de la force d’appui du doigt de l’instrumentiste par des capteurs de force ré-sistifs (FSR) a été testée. Cependant, l’angle d’appui d’un musicien sur son piston n’est pas répétable et le diamètre des doigts des différents musiciens est variable : ces deux élé-ments ont des conséquences importantes sur le signal du capteur FSR, qui compromettent la répétabilité.
Force d’appui sur l’embouchure
La force d’appui sur l’embouchure est un des éléments naturellement cités par les trompettistes, notamment lorsqu’il s’agit d’évaluer la qualité de la technique : Les débutants tendent instinctive-ment à appuyer forteinstinctive-ment leur embouchure contre leurs lèvres pour parer à un manque de contrôle musculaire. L’apprentissage de la trompette passe par la minimisation de la force entre lèvres et embouchure, qui est susceptible de provoquer des blessures.
L’embouchure est ici transformée en capteur de force longitudinale. La queue de l’embouchure est un tube très faiblement conique : le collage de 4 jauges de contrainte en pont de Wheatstone, illustré par la figure 7.3, permet de mesurer la déformation de l’embouchure contrainte entre les lèvres et l’instrument [J.L Le Goer, 1992]. Deux jauges sont collées parallèlement à l’embouchure, mesurant effectivement la déformation, quand deux autres sont perpendiculaires : elles complètent le pont de Wheatstone en se comportant comme des résistances simples. Le placement des quatre jauges au même endroit assure qu’elles sont à la même température, évitant la déviation thermique. Le choix d’une embouchure en matière synthétique, au détriment des modèles traditionnels en laiton, s’est imposé pour éviter de provoquer des court-circuits entre les conducteurs électriques des jauges collées dessus. Le choix s’est porté sur une embouchure plastique de marque Kelly 1 − 1/2C en polycarbonate, matériau isolant électrique. Le module d’Young de cette matière plastique étant environ 50 fois inférieur a celui du laiton, la déformation — donc le signal mesuré — est plus importante, à contrainte égale, que sur une embouchure métallique.
Figure7.3 – Disposition des quatre jauges de contrainte sur la partie cylindrique de la queue de l’embouchure, et détail de 2 jauges collées sur l’embouchure plastique pendant le montage.
52 7. Développement d’instruments instrumentés La dynamique du capteur de force ainsi constitué est de l’ordre de 500 µV pour la plage de force considérée ; le signal est fortement bruité et contient un offset. Le conditionneur de ce capteur consiste donc en un pré-amplificateur bas bruit de gain 1000 permettant de traiter le signal. Le signal recherché est quasi-stationnaire (mouvements musculaires humains), le bruit peut donc être supprimé par un simple filtrage passe-bas d’ordre 2, de fréquence de coupure 100 Hz. Le signal ainsi filtré est ensuite traité par un amplificateur soustracteur qui permet de supprimer l’offset et d’atteindre une plage de sortie de 5 volts, adaptée à la carte d’acquisition. La composante soustraite est réglable à l’aide d’un potentiomètre pour parer à une éventuelle variation de l’offset pendant la durée de vie du capteur.
D’autres capteurs ont été développés pour mesurer cette force longitudinale, en mesurant la dé-formation d’une pièce insérée entre l’embouchure et le reste de la trompette [Barbenel, 1988, Vergez, 2000, Mayer and Bertsch, 2005, Bianco et al., 2012] ou du bugle [Petiot, 2003], avec l’in-convénient de modifier la perce de l’instrument à l’entrée de la branche d’embouchure, ce qui est susceptible de modifier l’acoustique de l’instrument de manière non négligeable [Petiot et al., 2005].
Débit
Le débit d’air moyen traversant un cuivre est très faible : des mesures réalisées sur trom-bone [Bouhuys, 1968] et sur trompette [Fréour et al., 2010] indiquent un ordre de grandeur de 10−3 à 10−4 m3.s−1. Les mesures citées ont été réalisées soit avec des méthodes de mesure du volume thoracique invasivess pour le musicien (encaissonnement du musicien ou pléthysmographie opto-électronique) ou modifiant l’instrument (anémomètre à hélice dans la perce de l’instrument). La mesure de débits de cet ordre est habituellement réalisée à l’aide d’un anémomètre à fil chaud, mesurant la vitesse dans une section constante de l’instrument : selon le type d’écoulement, il est ensuite possible de calculer le débit. Cependant la thermo-anémométrie à fil chaud n’est pas compatible avec l’air expiré par un musicien, l’humidité contenue détruisant rapidement l’élément sensible du capteur. Un autre système de thermo-anémométrie, l’anémomètre à boule chaude, a donc été retenu. Ce système permet de mesurer des vitesses d’écoulement de l’ordre de 0.1 m.s−1 : cependant, le gain de robustesse par rapport à un fil chaud se traduit par un temps de réaction plus élevé. De ce fait, le capteur de vitesse choisi est le seul capteur ne permettant pas une mesure dans des conditions de jeu normal, la stabilisation de la vitesse mesurée prenant parfois plusieurs secondes. Le signal de l’anémomètre ne donne une valeur indicative de la vitesse que pour un régime établi joué suffisamment longtemps pour stabiliser la mesure.
L’anémomètre utilisé se présente sous la forme d’une canne de 6 mm de diamètre, insérée dans le pavillon (Fig. 7.1 et Fig. 7.5). Cette installation présente le double avantage de ne pas nécessiter de percer la trompette (installation réversible) et de minimiser la perturbation du flux en insérant le capteur à un endroit où la section du tube est environ 30 fois supérieure à la section du capteur.
Électrolabiographe
S’inspirant d’études déjà menées [Fréour and Scavone, 2013] on utilise un électrolabiographe (ELG) pour suivre le mouvement des lèvres. Ce capteur mesure la conductivité électrique entre les lèvres du musicien : la conductivité est d’autant plus élevée que la surface de lèvres en contact est importante. cela permet de repérer les moments d’ouverture et de fermeture maximale des lèvres, qui correspondent respectivement aux minima et maxima de leur conductivité : la phase de ce signal donne donc la phase de l’ouverture des lèvres [Hezard et al., 2014]. La conductivité étant influencée par l’humidité et la morphologie des lèvres, il semble difficile de relier la section
7.3 Chaîne d’acquisition 53