Différentes notes peuvent êtres jouées sur les instruments de musique de la famille des bois grâce à des trous latéraux qui permettent de changer la longueur de la colonne d’air. Dans tous les instruments modernes, un système complexe de clés, qui aident à ouvrir et fermer ces trous, a été mis en place.
Les résonateurs de tampon
Un tampon, fait la plupart du temps de carton recouvert de cuir, est collé à l’intérieur de chaque clé et joue le rôle d’un joint pour empêcher les fuites. Quelquefois, spécialement dans le cas du saxophone, un résonateur est fixé au milieu du tampon. Les résonateurs peuvent avoir différentes formes (plat, en forme de dôme, de vagues…) et sont fabriqués dans divers matériaux (plastique, cuivre, laiton et même en or !). Mais quel est exactement le rôle de ces résonateurs et pourquoi les appelle-t-on de la sorte ?
Mesure expérimentale
Pour comprendre leur rôle, nous avons réalisé une expérience. Nous avons mesuré l’impédance d’entrée (lire notre article sur L'impédance d'entrée: une grandeur essentielle pour comprendre les instruments à vent) d’un tuyau cylindrique fermé à son extrémité par une clé. Nous avons utilisé trois clés identiques, chacune munie d’un tampon différent : un tampon avec un résonateur en métal, un avec un résonateur en plastique et le dernier sans résonateur.
La figure ci-dessus montre que le premier pic d’impédance du tuyau fermé par le tampon sans résonateur est très bas ce qui veut dire que le tampon absorbe beaucoup d’énergie acoustique. Les tampons avec les résonateurs en plastique et métal ont un comportement similaire à basse fréquence : ils réfléchissent beaucoup plus les ondes acoustiques que le tampon sans résonateur.
Nous avons aussi mesuré l’impédance d’entrée du tuyau ouvert, en gardant la clé au-dessus de l’ouverture (voir schéma ci-dessus). On peut voir que le type de tampon peut aussi avoir une influence sur l’impédance du tuyau ouvert. Néanmoins, cet effet est surtout perceptible quand le tampon est très proche du bout du tuyau.
En effet, la figure ci-dessus montre que le deuxième et troisième pics sont amortis pour le tampon sans résonateur quand il est à une distance de 1 mm du bout du tuyau. Le tampon sans résonateur a donc un effet absorbant pour les hautes fréquences. Cependant, dans le cas d’un vrai instrument, une distance de 1 mm entre le tampon et le trou ne peut se produire que dans des états transitoires (au moment où le trou est en train de s’ouvrir ou de se fermer).
La distance de 5mm sur la figure ci-dessus correspond plus à un cas existant, quand la clé est au repos sur le saxophone (trou ouvert). Dans ce cas, les différences d’impédances d’entrée entre les trois tampons sont beaucoup moins évidentes, mais peuvent quand même être détectées.
Effet des résonateurs sur l’impédance d’entrée
Maintenant il est intéressant de regarder l’effet des résonateurs sur un saxophone complet. Dans cette étude nous avons utilisé quatre saxophones Yamaha YAS-480 avec des numéros de série consécutifs. Nous avons d’abord mesuré l’impédance d’entrée de ces saxophones qui sortaient directement de l’usine et étaient munis de résonateurs en plastique. Ces mesures ont permis de vérifier que les quatre instruments étaient très similaires puisque leur impédances différaient de moins d’1 dB en amplitude et 5 cents en fréquence (voir le cent, le coma, le décibel… ces unités sonores étranges), ce qui est de l’ordre de grandeur de la précision limite obtenue avec le système de mesure d’impédance utilisé.
Ensuite, deux saxophones (numéro 37 et 39) sont restés dans leur condition initiale (avec des résonateurs en plastique) tandis que les deux autres ont été retamponnés. Le saxophone n°38 a été retamponné avec des tampons sans résonateur tandis que le saxophone n°40 a été muni de tampons avec résonateurs en métal.
On peut voir sur la figure ci-dessus que les saxophones sont très similaires, à l’exception du saxophone n°38 qui a des pics d’impédance plus bas. Cela rejoint le comportement mis en évidence plus haut pour les tampons sans résonateur sur un tuyau cylindrique. Si on regarde en détails, on peut s’apercevoir que le saxophone n°38 a des fréquences de résonance plus basses que les fréquences de résonance des trois autres saxophone. En effet, les saxophones ont été réglés alors qu’ils étaient munis de résonateurs, alors, en changeant les tampons par des tampons sans résonateur, le volume des cheminées (lorsque les trous sont fermés) est augmenté. Cela a tendance à abaisser les fréquences de jeu de l’instrument. L’amplitude est aussi plus basse d’environ 1 ou 2 dB à partir du 4ème pic d’impédance. Peut-on voir des différences pour les autres doigtés ? On peut regarder le doigté du Fa3, où environ la moitié des trous latéraux sont fermés. Pour ce doigté, les fréquences de résonance du saxophone n°38 sont aussi plus basses que pour les autres saxophones, mais les différences sont moins flagrantes que pour le Sib3. Pour le Fa5, où tous les trous sauf un sont ouverts, il n’y a presque pas de différences entre les quatre saxophones. Cela montre que l’effet des tampons est cumulatif par rapport au nombre de trous fermés.
Conclusion
En conclusion, on peut dire que les résonateurs de tampon ont un effet mesurable sur l’acoustique du saxophone. Le coefficient de réflexion du tampon est augmenté par la présence d’un résonateur quand le trou est fermé et l’amplitude des pics d’impédance du saxophone est augmenté de plusieurs dB. Cet effet est plus important avec plus de trous fermés. D’un point de vue acoustique, le terme « résonateur » est trompeur car le résonateur ne vibre pas, au contraire, il a tendance à amortir les vibrations du tampon. Un « résonateur » pourrait plutôt être appelé un « réflecteur ».
Et qu’en disent les musiciens ? Pour le savoir, allez lire le deuxième volet de cette étude : Les résonateurs de tampon - influence sur la perception du son
