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Les Thermophones, des sons inouïs par conversion de l’énergie thermique en énergie acoustique

Crédit : photo Angélique Gilson pour la Diagonale Paris-Saclay.

Porteurs du projet : Jacques Rémus, artiste concepteur, Christophe d’Alessandro (AA) et Diana Baltean Carlès (ETCM), en collaboration avec Catherine Weismann (ETCM), Virginie Daru (AERO), Fathi Jebali (TSF), Brian Katz (AA) et Daniel Durox (EM2C Ecole Centrale Paris)

Le projet "Les Thermophones" est lauréat du programme Arts et Sciences 2015 de la Diagonale Paris-Saclay.

Une auto-­oscillation, utilisable comme son musical, peut être produite par effet thermoacoustique en introduisant une source de chaleur localisée dans un tuyau sonore. En comparaison avec les tuyaux à embouchure de flûte, les sons résultants de ces « thermophones » sont très particuliers, par leur timbre et leur puissance. Le phénomène de conversion entre énergie thermique et énergie acoustique a jusqu’à présent surtout été étudié pour générer du froid, ou bien comme moteur, et plus rarement exploité pour la génération de sons musicaux. Le but de ce projet est d’étudier les propriétés sonores dans le domaine audible des thermophones, en particulier leur contrôle musical.

Jacques Rémus, musicien et plasticien, constructeur de sculptures et machines musicales, a créé depuis plusieurs années des tuyaux sonores thermo-acoustiques, qu’il a baptisés «thermophones». Ils sont constitués d’un tuyau en acier doux, verre ou aluminium, de section circulaire ou carrée, ouvert aux deux extrémités (flûte) ou bien ouvert à une extrémité et fermé à l’autre extrémité (bourdon). A l’intérieur du tuyau, se trouve un "stack" solide (empilement de plaques ou grilles métalliques, ou réseau de canaux rectangulaires en céramique). Le stack est chauffé par une résistance électrique à une extrémité. Pour l’instant les thermophones ne sont pas pourvus d’un échangeur froid permettant de contrôler la température de l’autre extrémité du stack, et celle-­‐ci peut donc varier le long du tube.

Le son du Thermophone est dominé par la fréquence de résonance fondamentale du tuyau, liée à sa longueur. L’établissement du son dépend de la chaleur apportée, de la géométrie, mais aussi de l’inclinaison du tuyau, à cause de la conception. Le son peut être interrompu en obturant partiellement l’extrémité du tuyau avec une fine grille métallique, par exemple.

Le projet a comme objectif l’étude du thermophone en tant qu’instrument de musique. En particulier il s’agit : d’étudier ses propriétés acoustiques (impédance du tuyau muni d'un stack, temps de déclenchement du son, stabilité de la fréquence) afin de l’accorder; d’estimer l’intensité sonore en fonction des paramètres de fonctionnement; de contrôler et moduler l’intensité sonore ; d’analyser et de contrôler le timbre du son rayonné. On pourra ainsi le comparer au tuyau d’orgue à embouchure de flûte. Pour cela, on souhaite réaliser un banc de mesure de l’impédance acoustique du thermophone, comprenant la mise en place d’une chaîne de mesure et l’acquisition pour un thermophone prototype.

D’un point de vue de la modélisation, les théories couramment utilisées en thermoacoustique, et notamment la théorie linéaire développée par N. Rott entre 1960 et 1980 et formalisée par G. Swift en 1990, doivent être adaptées pour l’étude des thermophones, qui sont des moteurs thermoacoustiques à ondes stationnaires de finalité et conception particulières. Une étude a été menée en 2015 centrée essentiellement sur les conditions de démarrage du son. Cette étude a montré un bon accord entre le calcul et des mesures approximatives de la température de démarrage et la fréquence du son. Elle doit être poursuivie pour permettre un contrôle suffisamment fin de l’accord et de la tenue du son. Une modélisation simplifiée du thermophone sera développée (par exemple avec le logiciel DeltaEC]. Par ailleurs des simulations numériques avec un code Navier-­‐Stokes compressible seront effectuées pour décrire les transitoires, du déclenchement de l’instabilité thermoacoustique jusqu'à la saturation (stabilisation du son), permettant des comparaisons calcul et expérience.

 

Informations sur les Thermophones : http://jacques-remus.fr/thermophones-bascule.htm

 

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