HAL Id: jpa-00251165
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Submitted on 1 Jan 1992
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UNE SÉRIE INFINIE DE RÉSONATEURS PRÉSENTANT DES FRÉQUENCES DE
RÉSONANCES HARMONIQUES
Jean-Pierre Dalmont
To cite this version:
Jean-Pierre Dalmont. UNE SÉRIE INFINIE DE RÉSONATEURS PRÉSENTANT DES
FRÉQUENCES DE RÉSONANCES HARMONIQUES. Journal de Physique IV Proceedings, EDP
Sciences, 1992, 02 (C1), pp.C1-109-C1-112. �10.1051/jp4:1992120�. �jpa-00251165�
JOURNAL DE
PHYSIQUEIV
Colloque Cl, supplément au Journal de Physique III, Volume 2, avril 1992
UNE S ~ ~ R I E INFINIE DE RÉSONATEURS PRÉSENTANT DES FRÉQUENCES DE RÉSONANCES HARMONIQUES
J.-P. DALMONT
Laboratoire d Xcoustique, CNRS URA 1101, Université du Maine, BR 535, F-72017Le Mans cedex, France
Abstract :
We present a family of resonators which have harmonic resonance frequencies but in which some resonances are missing. Each resonator is composed by a succession of N cylinders of the same length. The cross-section area of each cylinder is equal to i(i+1)/2 tintes the cross-section area of the first cylinder (for i=1 to N) and the last cylinder in open. Al1 the resonance frequencies are harmonic with Fi the louest resonance frequency. However al1 multiples of (N+I)FI correspond to antiresonance frequencies.
1 Introduction
Il est généralement admis que l'harmonicité des fréquences de résonance d'un résonateur est un élément essentiel de la conception d'un instrument à vent. Ceci pour deux raisons principales : d'une part le bon fonctionnement de ces instruments (problémes d'émission) d'autre part la possibilité d'émettre plusieurs notes dans un rapport harmonique de la note fondamentale pour un même doigté (ou position).
Les seuls résonateurs connus présentant des résonances harmoniques sont le cylindre et le cône. Ceux-ci ont été largement utilisés dans la fabrication des instruments à vent. Il existe cependant une infinité de résonateurs ayant cette propriété et nous présentons ici une série infinie de ces résonateurs. Cette série qui a pour premier élément le cylindre converge vers le cône. Avant de présenter les éléments de cette série nous faisons quelques rappels sur le cylindre et le cône. Pour finir nous comparerons le cône tronqué aux éléments de la série. Précisons que dans cette étude il ne sera pas tenu compte des effets dissipatifs, ni des inductances de discontinuité et de rayonnememt excepté pour le calcul des courbes d' impédance.
II Rappels
Si M =
l'
est la matrice de transfert pression débit d'un guide Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jp4:1992120Cl-110 JOURNAL DE PHYSIQUE IV
d'onde fermé par une impédance nulle (espace infini en négligeant l'impédance de rayonnement) la condition de résonance à l'entrée du guide s'écrira D = O et la condition d'antirésonance s'écrira B = 0.
Ainsi pour un cylindre de longueur L et de section SI la matrice de transfert Mi est égale à
coskL jf si&
Ml =
1
où pc est l'impédance sinkL coskL caractéristique de l'airLa condition de résonance s'écrit alors cosW. = 0, c. a. d kL =
7
R + mn avec m E N et la condition d'antirésonance s'écrit sinW. = 0, c.a.d kL = mn avec rn E N.Pour un tronc de cône de longueur L, de section d'entrée Se et de section de sortie S la matrice de transfert M s'écrit
S cone
sin kL
cos kL,
- -
kL' : j pc sinkL :Ss
cone
1
où e = x L est la longueur de la troncature et L' = L + l la s
longueur du cane complet.
En pratique le cane tronqué est le plus souvent complèté par un volume
V égal au volume du cône manquant ( V = SeU3).
eg sq
La condition de résonance pour le tronc de cône s'écrit alors
On obtient alors une série de résonances inharmoniques ceci d'autant plus que kL est grand devant l'unité.
III Description de la série des rbsonateurs harmoniques :
Chaque Nième élément de la série se compose d'une suite de N cylindres de longueurs l2 identiques et de sections différentes.
La section S de chaque ième cylindre est liée à la section SI du
1
premier cylindre (section d''entrée du guide) par la relation
Chaque élément de la série peut ainsi être considéré comme une prolongation du précédent, le premier Clément (N=l) étant un cylindre unique et le dernier (N = m l un cône complet.
La matrice de transfert MM de chaque Nième élément est donc égale à
On démontre aisément (par récurrence) que cette matrice peut s'écrire
avec
On remarque que cette matrice est en tout point identique à celle d'un cône tronqué de longueur L, de rayon d'entrée S et de rayon de sortie
ss avec tg kt à la place de k.! et par voie de conséquence (N+l) tg kt à la place de kL'. Les résonateurs sont donc équivalents à des troncs de cône quelque soit N à condition que kC soit petit devant l'unité mais ont l'avantage (contrairement au tronc de cône) d'avoir des résonances parfaitement harmoniques, puisque la condition de résonance s'écrit ici
c.a.d (N+l)ke = mr avec m E N
mais
m non multiple de N+lCes résonateurs ont donc la particularité étonnante d'avoir une série de résonances harmoniques dans laquelle les résonances multiples de N+l sont absentes. On retrouve ici le fait que pour le cylindre (N=ll les fréquences de résonance paires sont absentes. Pour deux cylindres successifs de sections S et
3s
ce sont les fréquences multiples de 3 qui sont absentes etc...
1 1Pour ce qui est des antirésonances tous les résonateurs obéissent a la même loi sinkL = O où L est la longueur totale du guide.
Nous présentons dans la figure suivante les impédances d'entrées de 5 éléments de la série de même longueur totale et de mgme sectlon Se (N = 1,2,3,4 et N = 9) ainsi que 1' impédance d'entrée d'un tronc cône équivalent (avec volume équivalent) au cas N = 9.
Cl-1 12 JOURNAL DE PHYSIQUE IV
Impédance d'entrée en dB de cinq résonateurs à résonances et antirésonances hannoniques composés respectivement de 1, 2, 3, 4 et 9 cylindres et impédance d'entrée d'un cône équivalent aux basses fréquences à un résonateur composé de 9 cylindres.
