Master 2015 2016
Stages de la spécialité SAR
Effet thermoacoustique et audio : étude des propriétés acoustiques du « thermophone »


Site : Trac-Effet thermoacoustique et audio : étude des propriétés acoustiques du « thermophone »
Lieu : LIMSI-CNRS, groupe Ecoulements Transitionnels Couplages Multi-Physiques et groupe Audio et Acoustique
Encadrant : Christophe d’Alessandro (Directeur de recherches CNRS), Diana Baltean Carlès (Maître de Conférences UPMC).
Dates :01/02/2016 au 30/06/2016
Rémunération :Indemnités : 580 € par mois
Mots-clés : Parcours ATIAM : Acoustique, Parcours ATIAM : Informatique musicale

Description

Objet : Une source de chaleur dans un tuyau peut créer sous certaines conditions une oscillation auto-entretenue de la pression et du débit acoustique. Lorsque l’oscillation est dans le domaine audible, l’effet thermo-acoustique peut être utilisé par des « thermophones » (instruments créés par Jacques Rémus, musicien et plasticien). Le propos de ce stage est d’étudier expérimentalement et de modéliser ce type de tuyau d’orgue en tant que source de son, en particulier en termes de contrôle de l’accord, de la stabilité, de la puissance émise, du timbre, de l’attaque et de l’extinction du son.

Intérêts du stage : Ce stage apportera au candidat une initiation à la recherche et des connaissances en méthodes expérimentales et modélisation pour l’acoustique et la mécanique des fluides.

Description détaillée du sujet : 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. Ce phénomène de conversion d’énergie thermique en 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. Un thermophone est constitué 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 (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 d’un coté. 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 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. 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 avec 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. Pour cela, on mettra en place une chaîne de mesure et d’acquisition pour un thermophone prototype (microphones calibrés, thermocouples, injection de débit acoustique). Du point de vue de la modélisation, les théories couramment utilisées en thermoacoustique doivent être adaptées pour l’étude des thermophones, qui sont des moteurs thermoacoustiques à ondes stationnaires de finalité et conception particulières. Le logiciel DeltaEC, communément utilisé pour le dimensionnement des machines thermoacoustiques, sera adapté pour une modélisation simplifiée du thermophone. Par ailleurs en fonction de l’avancée et des compétences du/de la candidat(e) des simulations numériques avec un code Navier-Stokes compressible pourront être effectuées pour décrire les transitoires, permettant des comparaisons calcul/expérience. Les étapes du travail sont :

  • Mesures de l’impédance acoustique du thermophone et du son rayonné.
  • Modélisation des thermophones avec le logiciel DeltaEC.
  • Comparaisons calcul/expérience.
  • Eventuellement, simulations numériques avec un code Navier-Stokes compressible.

Compétences attendues : les compétences attendues sont dans le domaine de l’acoustique physique et de la mécanique des fluides. Un intérêt pour l’acoustique musicale et l’utilisation des thermophones dans des projets artistiques sera apprécié.