Structure et acoustique du violoncelle

En fabriquant des instruments auxquels manquaient certaines caractéristiques du violoncelle classique, j’ai été amené à réfléchir à leur importance fonctionnelle, que ce soit au niveau de la structure ou de la sonorité. J’ai complété ces réflexions par des lectures et découvert un domaine de connaissance très riche et actif. Quelques repères.

1. Statique

Les instruments de la famille du violon doivent supporter sur la durée, de façon stable, des contraintes statiques importantes liées à la tension des cordes. Cet aspect n’échappe à aucun luthier et c’est sans doute la première raison du développement des voûtes en lutherie, même si ces dernières ont également des propriétés acoustiques particulières.

Quelques observations à ce sujet:
  • Les éclisses sont peu vibrantes, mais ont une fonction de contention de l’air contenu dans la caisse de résonnance. Les fines éclisses du violoncelle possèdent cette rigidité grâce à leur courbure. C’est sans doute pourquoi la forme d’un violon, en courbes et contre-courbes, ne comporte pas de section rectiligne ou avec un grand rayon de courbure.
  • Les principales forces statiques qui s’exercent sur la caisse du violon sont la tension des cordes transmise au pied du manche (A, T1) et au sillet (A, T2), ainsi que la pression du chevalet (A, C), résultante de la tension des cordes au sommet du chevalet (voir figure)

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  • La composante de C exercée par le pied aigü du chavalet est transmise partiellement au fond par l’âme, alors que la composante exercée par le pied du chevalet côté grave est supportée par la table et la barre d’harmonie. Cette asymétrie évite aux deux pieds du chevalet de transmettre à la table des vibrations en opposition de phase qui s’annuleraient partiellement, puisqu’une vibration qui soulève un pied du chevalet abaisse l’autre.
  • Les composantes verticales des forces déjà citées soumettent le corps de l’instrument à une flexion (B). Les composantes longitudinales de ces mêmes forces soumettent la caisse à une compression (C).
  • Mes instruments N°1 et N°2 supportent les forces statiques au niveau de la structure externe. La caisse de résonance est simplement posée sur le cadre externe et reste totalement libre. L’instrument N°3 comporte une barre de compression interne qui supporte la composante longitudinale de la tension des cordes (D, 4). Cette structure ne s’oppose pas naturellement à la flexion dans le plan vertical déjà signalée. L’âme (D, 3) déprime le fond (D, 2) qui vient s’appuyer sur la structure externe de l’instrument et ne peut plus participer à ses vibrations. D’autres architectures seraient possibles (E).
  • L’instrument N°4 réintègre une table voûtée. La fonction statique du fond est assurée par une structure interne qui soutient l’âme. Le fond amovible sert uniquement à délimiter le volume de la caisse de résonance.
  • Finalement ce n’est qu’avec l’instrument N°8, fortement inspiré de la structure des instruments traditionnels, que la statique de l’instrument est devenue réellement stable.

Voir par exemple: A. Tolbecque, Traité de lutherie, chapître «A propos de la structure des voûtes», ou «The violin as a structure - a consideration for the static force in the instrument», John E McLennan, Catgut Acoustical Society Newsletter #34, 1980.

2. Acoustique: généralités

Il existe toute une littérature scientifique sur l’acoustique du violon. Citons un bel ouvrage collectif publié sous la direction de Thomas D Rossing, The Science of String Instruments, Springer 2010 (disponible au format électronique comme iBook Apple ou sur la librairie Google). Ou encore les articles très bien vulgarisés sur l’acoustique du violon de John E McLennan, du laboratoire d’acoustique musicale de la New South Wales University à Sydney, ingénieur, luthier et chercheur spécialisé sur l’acoustique du violon.

De façon très simplifiée, les basses fréquences (< 1 kHz sur le violon) font d’abord résonner la table, essentiellement par le pied grave du chevalet. Les fréquences plus élevées sont transmises au fond par l’intermédiaire de l’âme.

Le timbre de l’instrument est donc dépendant surtout de la table dans le grave, et du fond dans l’aigü. D’autres résonances entrent en jeu: celles de l’air contenu dans la caisse, celle de l’instrument entier, manche et touche comprises.

Chacune des parties résonantes de l’instrument présente plusieurs modes de résonance, caractérisés par autant de fréquences différentes. L’ensemble très complexe de ces nombreux modes permet à un instrument d’entrer en résonance à quasiment n’importe quelle fréquence « imposée » par la corde, de transformer la vibration produite par l’archet et la corde, et de la communiquer à l’air sous formes d’ondes sonores. Le timbre caractéristique d’un instrument est déterminé par ses propriétés de transformation des vibrations.

Ainsi, un son de violoncelle ne peut être produit que par un instrument ayant les caractéristiques structurelles comparables au violoncelle classique. D’autres formes, d’autres structures, produisent des sonorités différentes. Pas frocément meilleures ou moins bonnes, mais simplement autres. L’histoire de la lutherie nous donne beaucoup d’exemples d’instruments différents qui étaient parvenus à leur pleine maturité.

3. Le secret de la sonorité

La quête du beau son a poussé les luthiers dans de multiples directions:

L'imitation. Elle reste une méthode répandue en lutherie. Tout instrument classique respecte un ensemble de caractéristiques, et constitue de ce fait une forme d'imitation. Mais à certaines phases de l'histoire de la lutherie, l'imitation des grands instruments a été érigée en règle: Même bois, mêmes épaisseurs au dixième de millimètre près, vernis de même épaisseur, de même texture. On peut faire une objection intéressante à cette approche: la variabilité des bois fait que la reproduction géométrique d'un instrument ne sera jamais une copie acoustique. Et de fait, les copies même parfaites ne sonnent pas toutes aussi bien que l'original…

Le réglage en cours de travail. Il s’agit pour le luthier de s’adapter au bois. Beaucoup de méthodes ont été développées dans ce but. Accordage de la table et du fond libres "à l'oreille" avant leur montage. Analyse des fréquences des modes de résonnance principaux des tables et des fonds libres, et accordage de ces modes en fonction de règles empiriques. Analyse spectrale du son produit par percussion des pièces ("tap tones"). Détermination physique des propriétés mécaniques du bois utilisé pour effectuer des choix d'épaisseurs. Aucune de ces méthodes ne s'impose à tous. Certaines ont connu une sorte de mode avant de montrer leurs limites.

Le secret du matériau. Ce type d'approche suppose que le secret des grands instruments résiderait au moins en partie dans des qualités particulières des matériaux utilisés. Des investigations scientifiques ont été appelées à la défense de plusieurs hypothèses, comme celle d'un séjour dans l'eau du bois utilisé par les maîtres de Crémone, au cours duquel des micro-organismes en altéreraient la structure microscopique. Les dendrochronologues se demandent si le petit âge glaciaire n'a pas offert aux luthiers contemporains des bois d'une densité particulière. Le vernis a également été l'objet de beaucoup de spéculations largement popularisées.

L'essentiel est peut-être de rester curieux, critique, expérimental. J'ai utilisé avec mon instrument N°10 une technique qui consiste à vernir l'instrument à l'exception du fond, à le monter, et à retoucher de l'extérieur les épaisseurs du fond pour atteindre la sonorité voulue. Le rationnel de cette approche, c'est une observation acoustique en conditions réelles sur l'instrument terminé (le vernissage du fond ne modifie pas fondamentalment l'acoustique de l'instrument). Je compte adopter la même approche sur mon prochain instrument.

4. Influence de la géométrie des voûtes

La difficulté de réalisation d’une table et d’un fond voûtés dans les trois dimensions, ainsi que l’envie de garder le fil du bois parallèle à la table ou au fond sur toute sa surface, m’ont poussé à réaliser mes tables par cintrage. Tous mes instruments réalisés sur ce modèle ont un son que les gens décrivent spontanément comme un « son de viole », surtout dans le registre aigü (donc pour les sons modulés par le fond). Même en recopiant les variations d’épaisseur des tables et des fonds classiques, cette caractéristique sonore demeure.

A ce sujet, il est très intéressant de lire les réflexions des luthiers de contre-basse concernant le fond. Il existe pour la contre-basse des fonds plats, qui sont barrés, et des fonds voûtés. Dans une thèse de doctorat, Andrew William Brown, de l’Universität für Musik und darstellende Kunst de Vienne, a réalisé une comparaison rigoureuse d’instruments identiques sauf par leur fond plat ou voûté. Grâce à des auditions à l’aveugle et à des mesures acoustiques, il montre qu’un fond voûté présente une réponse spectrale plus égale et un son qualifié de plus doux qu’un fond barré. Il conclut que basses voûtées et basses à fond plat sont en réalité des instruments distincts, les secondes s’approchant davantage de la famille des violes.

J’ai tendance à penser qu’une table ou qu’un fond voûtés dans les deux directions (où les déformations longitudinales sont automatiquement couplées à des déformations transverses) ont des modes de résonance plus nombreux et plus riches que les même fonds et tables à voûte simple. Et que la sonorité caractéristique de la famille du violon pourrait tenir à cette voûte tridimensionnelle.

5. Réglage de l’âme

Un sujet populaire parmi les musiciens (peut-être plus que parmi les luthiers). L’importance accordée à ce réglage tient peut-être au fait qu’il s’agit du seul ajustement qui n’exige pas de démonter et de modifier l’instrument, voire de le changer. Il est donc tentant d'y placer de grands espoirs.

Selon mes observations, le réglage de l’âme permet surtout de masquer des défauts acoustiques en faisant fonctionner l’instrument en dehors de son point d’équilibre. Je n’ai jamais réussi à modifier les caractéristiques fondamentales de mes instruments (timbre, égalité, jouabilité) en changeant l’âme de place.

  • Positionnement latéral: un placement de l’âme à l’intérieur de l’axe du pied du chevalet rend les basses plus puissantes, mais l’instrument beaucoup plus inégal et artificiel. Le positionnement légèrement à l’extérieur de cet axe peut apporter un peu de douceur sans trop diminuer la résonance.
  • Positionnement longitudinal: il détermine le degré de couplage du fond avec le pied aigü du chevalet. Trop près du pied du chevalet, l’âme rend l’aigü agressif. Trop loin, c’est tout l’instrument qui devient terne et mou.
  • Longueur de l’âme: il convient juste d’obtenir un bon couplage acoustique du fond et de la table, sans pour autant les déformer et interférer avec leur vibration. On obtient ce bon réglage avec une âme qui tient seule en place une fois les cordes détendues.

6. Une expérience pour illustrer le rôle du fond

Le fond résonne et module les vibrations de la table par l’intermédiaire de l’âme. Il joue un rôle important pour moduler le timbre de l’instrument dans l’aigü. Le cellophone N°4, dont l’âme n’était pas en contact avec le fond, mais avec un support inactif sur le plan acoustique, avait des basses assez naturelles, mais des aigüs au caractère très métallique (probablement le timbre de la corde) qui rayonnaient peu et résonnaient trop longtemps, signe d’une dissipation insuffisante de l’énergie de la corde.

Ce modèle m’a permis de réaliser l’expérience suivante: intercaler des lames d’érable comme support de l’âme (photo ci-dessous). L’instrument s’est mis à résonner de façon désagréable sur certaines notes, en produisant un « loup » très prononcé. Une illustration directe de l’influence du fond sur le timbre.

2012-18-32