Version originale en anglais au format PDF ou HTML      Traduit en mai 2002 par Joël Eymard pour http://la.trompette.free.fr

Optimisation informatique des cuivres par Wilfried Kausel (suite)

Modélisation des cuivres

Depuis près de 80 ans, les acousticiens essayent de prévoir le comportement de systèmes acoustiques en utilisant des techniques de modélisation diverses [1] . Jusqu'à présent, ils ont trouvé par plusieurs voies différentes comment calculer les caractéristiques d'instruments de géométrie donnée en utilisant des ordinateurs.
La technique de modélisation la plus complexe, la méthode des élément fini (FEM), peut représenter l'espace à 3 dimensions et la validité de ses résultats n'est pas limitée à une certaine gamme de fréquence [2] . Malheureusement cette méthode exige considérablement plus de ressources informatiques que les autres et n'est donc pas utilisable quand on a besoin de répéter des calculs dans une boucle itérative.
D'un autre côté, la modélisation d'un équivalent électrique simple [3] ne donne pas de résultats assez précis pour être exploitables en pratique. La modélisation par ligne de transmission [4] est un compromis entre le modèle simple et le modèle FEM le plus précis. Les éléments de ligne de transmission peuvent être tirés de segments cylindriques aussi bien que de segments coniques et les pertes peuvent être négligées ou prises en compte.
Des études ont montré que la modélisation par ligne de transmission, utilisant des éléments coniques et prenant en considération les pertes, est suffisamment précise dans la gamme de fréquence que l'on considère normalement pour être intéressante quand on analyse les cuivres [5] .
D'autres auteurs utilisant des éléments de ligne de transmission coniques pour modéliser l'impédance d'entrée de cuivres ont obtenu un accord excellent entre les prédictions du modèle et les données expérimentales [4] . Les ressources en calcul exigées par cette méthode de simulation permettent de nos jours le traitement itératif qui est essentiel dès que la modélisation physique est employée dans le contexte d'une optimisation informatique de cuivres du monde réel.

Modèle de ligne de transmission pour l'optimisation


Figure 1 : Découpage de la trompette en tranches coniques décrites par des matrices de transmission

Ce modèle de ligne de transmission utilise des tranches coniques ou cylindriques simples pour représenter l'instrument à analyser comme indiqué à la figure 1. Chaque tranche de la ligne de transmission acoustique est décrite par une matrice de transmission dépendant de la fréquence [5] qui prend en compte les pertes thermo-visco-élastiques :

r désigne la densité de l'air à l'équilibre, w la pulsation, h le coefficient de viscosité, c la vitesse du son, Sm la section de l'élément conique au centre, Si la surface de la section sphérique d'entrée de l'élément conique, xi le rayon de la section d'entrée, xi+1 le rayon de la section sphérique de sortie et L la distance entre les deux sphères

La matrice suivante décrit le rapport entre la pression acoustique p et le débit u avant et après une tranche conique par :

Le produit

donne une expression de la caractéristique de transmission de l'instrument complet. Le rapport entre pression acoustique et débit à l'extrémité évasée du pavillon :

est égal à l'impédance terminale (ou de radiation) ZT qui est l'impédance caractéristique de la bouche ouverte de l'instrument. Il est ici modelisé par

On obtient l'impédance acoustique d'entrée en transformant cette impédance par la chaîne de matrices A depuis l'ouverture du pavillon jusqu'à l'embouchure.

Du fait de l'hypothèse unidimensionnelle, les modes d'oscillation de plus haute fréquence ne sont pas pris en compte par ce modèle. Les fréquences au-dessus d'une certaine limite, qui dépend du diamètre du tuyau, ne peuvent être couvertes par ce modèle sans prendre en considération les modes d'oscillation transversaux. Dans un cuivre, le pavillon est typiquement la région qui détermine la limite de fréquence supérieure à cause de ses grandes dimensions. La fréquence

est considérée d'habitude comme la limite supérieure de fréquence théorique pour un conduit circulaire de diamètre d, pour pouvoir ignorer les modes d'oscillation supérieurs. Dans un cuivre la limite est quelque peu réduite à cause de sa géométrie plus complexe, sa section parfois légèrement non circulaire et les courbures de son tube.

Introduction
Modélisation des cuivres
Modèle de ligne de transmission pour l'optimisation
Les différents algorithmes d'optimisation
L'algorithme de Rosenbrock
Représentation de la géométrie de l'instrument
Calcul de l'impédance d'entrée
Objectif de la fonction d'optimisation
Résultats d'optimisations
Références