Brevet FR2598843A1 — publié le 19871120

La présente invention concerne un matériau pour table d'harmonie pour instruments à cordes (pincées, frottées ou frappées) et son procédé de fabrication. L'émission d'un son au moyen d'une corde vibrante provient des vibrations d'une plaque (table d'harmonie) qui constitue un amplificateur associé à une caisse de résonnance, des vibrations de la corde qui lui sont transmises par une liaison mécanique (tel par exemple que le chevalet) qui en outre enrichit la vibration d'un grand nombre d'harmoniques. 10 La qualité du son ainsi obtenue dépend donc essentiellement du matériau employé pour la fabrication de cette table de résonnance ainsi que de sa mise en place sur l'instrument avec les différents renforts nécessaires à sa bonne tenue mécanique. En lutherie, ce matériau est constitué par cer15 taines essences de bois résultant d'une expérience de plusieurs siècles au cours desquels une sélection naturelle et une optimisation des formes des épaisseurs, des densités,... de toutes les caractéristiques propres à l'émission d'un son possédant les qualités recherchées par le luthier se sont effec20 tuées empiriquement. Malgré l'expérience accumulée et transmise au fil du temps, la facture d'un instrument à cordes de haut de gamme fait appel à tout le savoirfaire des luthiers qui, à partir d'une essence sélectionnée et de formes grossièrement définies, 25 sont à même d'intervenir spécifiquement pour prendre en compte les aléas dus à l'absence de constance dans les caractéristiques du matériau de base qu'est le bois. La présente invention est le fruit de plusieurs années de travail et d'expérimentation dans le but de déter30 miner et mettre au point un produit de remplacement du bois de lutherie qui possède les mêmes propriétés que ce bois du point de vue de la production des sons avec comme souci secondaire de présenter le même aspect que le bois et sensiblement les mêmes aptitudes à être travaillé par un luthier pour lui 35 permettre de "signer" l'instrument en lui donnant le timbre qui le caractérise, tout en remédiant aux inconvénients du bois qui sont essentieLlement l'absence de constance dans ses propriétés d'un morceau à l'autre et La variation de ses caractéristiques dans Le tempsou en fonction notamment du degré hygrométrique et de La température de l'atmosphère environnante. Cette recherche pour imiter au plus près Le bois de Lutherie a d'abord consisté en une étude approfondie de certains bois de Lutherie (L'épicéa des régions montagneuses d'Europe et Le cèdre rouge du Canada-western red cedar-) pour déterminer les paramètres déterminants pour le timbre et établir des relations entre les propriétés mesurées et le résultat acoustique. L'ensemble des résultats des mesures effectuées, sur le plan mécanique (modules d'élasticités directionnels 15 et coefficients d'amortissement correspondants) sur le plan de la structure de la matière (densité, hétérogénéité, dimensions des éléments principaux - tracheides du bois -) sur le plan de l'acoustique (analyse spectrale d'un son produit par un choc sur le matériau) ainsi qu'en ce qui concerne 20 la vitesse de propagation des sons dans les trois directions, a été traité par la méthode d'analyse factorielle des correspondances. De ce travail ont été dégagées des relations entre les différents paramètres pour chacune des essences étudiées, ce qui a permis de comprendre certains comportements 25 du bois. On a pu enfin établir des liens entre ces paramètres et les critères des luthiers tels que ceux-ci sont exprimés subjectivement pour caractériser le timbre d'un instrument. Cette recherchea pour mérite de faire apparaître un certain nombre de caractères objectifs qu'un matériau doit 30 présenter pour posséder les qualités acoustiques escomptées, et même de prédire le timbre d'un instrument dont on a pu déterminer les critères significatifs. L'invention est donc un prolongement de cette recherche consistant à créer un matériau possédant les cri35 tères recherchés pour vérifier que du point de vue acoustique les qualités du matériau étaient bien comparables à celles d'un bois naturel possédant les mêmes critères. Pour pallier les inconvénients du bois certains constructeurs d'instruments ont proposé divers moyens allant du traitement du bois proprement dit à la création d'un matériau complètement synthétique. C'est ainsi que le document DE-C-2 055 164 décrit un procédé d'imprégnation des trachéides des bois par des polymères synthétiques. Le document US-A-4 348 933 concerne un matériau 10 composite dans lequel une couche centrale de bois est recouverte de part et d'autre d'une couche en nappes de fibres de carbone. Le sens des fibres est croisé. Enfin, le document CH-A-652 229 a pour objet un matériau composite constitué par une âme centrale en métal (acier) recouverte par 15 deux plaques de bois mono ou multicouches. Il est certain qu'aucun de ces matériaux n'a pu convenir car chacun d'eux ne possède l'ensemble des caractéristiques qui laisse espérer un comportement voisin de celui d'un bois de lutherie. Un matériau semblable à celui selon 20 le document américain a été mis sur le marché sous la forme d'une table d'harmonie de guitare et n'a rencontré aucun succès commercial dans le domaine de la guitare classique, tant la sonorité obtenue était différente de la sonorité traditionnelle. La présente invention a donc pour objet une structure composite pour table d'harmonie d'instruments à cordes qui comporte un squelette constitué par au moins une paroi mince en fibres minérales ou synthétiques longues orientées conférant à la structure ses propriétés mécaniques, recouvert sur au moins l'une de ses faces d'un matériau de garniture de densité nettement inférieure à celle de la paroi mince en fibres, et ne possédant pas de caractéristiques mécaniques propres autres que celles nécessaires à sa cohésion. Cette structure présente un premier avantage en ce qu'elle présente une hétérogénéité mascroscopique à l'image de celle existant pour le bois. En effet, le bois est un matériau à fibres orientées qui de ce fait présente un module d'élasticité longitudinal très différent du module d'élasticité transversal. Or, ces deux modules d'élasticité sont des paramètres que la recherche susdite a permis de dégager comme ayant une incidence importante sur le comportement acoustique du bois. Le squelette réalisé par une ou plusieurs nappes de fibres longues permet une approche du comportement mécanique du bois. La présence, dans la structure selon l'invention, d'un matériau de garnissage offre également l'avantage d'obtenir un produit de densité globale comparable à celle du bois venant en correction d'une trop forte densité du squelette, autre facteur influençant le comportement acoustique. En d'autres termes, 15 en jouant sur l'épaisseur relative du squelette et du matériau de garnissage, on peut ajuster la densité de la structure composite à des valeurs dont on sait qu'elles correspondent à l'effet acoustique recherché. Le troisième avantage de la structure selon l'invention réside dans la possibilité d'affecter localement l'é20 paisseur du matériau de garnissage par usinage. Ainsi, à partir d'une ébauche, un luthier peut procéder à des retouches de la table d'harmonie en fonction de son savoir- faire et du timbre qu'il entend obtenir. Outre ces avantages, la structure de l'invention 25 présente un caractère parfaitement reproductible qui se prête à une industrialisation de la lutherie de hautde gamme aussi bien qu'à la lutherie artisanale. Elle conserve en outre une grande stabilité dans le temps en n'étant pas du tout sensible aux conditions de température et d'hygrométrie aux30 quelles l'instrument est soumis. Dans le cas de tables d'harmonie minces et de faible masse (100 à 150 grammes) telles qu'on les rencontre dans le luth ou la guitare, on choisira un squelette en fibres de carbone se présentant par nappes préimprégrées de résine polymérisable. Compte tenu de l'épaisseur d'une nappe disponible sur le marché, on pourra juxtaposer plusieurs nappes pour réaliser ce squelette pour prendre en compte la résistance mécanique que la table doit offrir. Il pourra être intéressant de croiser l'une ou l'autre de ces nappes par rapport aux restantes afin de jouer sur le module d'élasticité transversal ou radial du squelette et d'améliorer sa tenue dans ce sens. On a en effet souvent remarqué que les tables de luth se fendait le long des fibres du bois sous l'effet notamment des variations du degré de 10 siccité de l'atmosphère et de la température. Un squelette à nappes de fibres croisées permet de remédier à cet inconvénient. L'angle de croisement sera déterminé en fonction du rapport des deux modules d'élasticité qu'il convient d'obtenir pour les caractéristiques mécaniques et acoustiques du 15 matériau. Pour des tables d'harmonie plus épaisses, la question de la masse se posant avec moins d'acuité, on peut choisir d'autres types de fibres (verre, roche, métal, voire synthétiques en polyesthers aramides, polyamides ou naturelles 20 du type coton ou analogue.IL peut être également intéressant de constituer le squelette comme étant lui-même composite, c'est-à-dire comportant deux parois minces en nappes de fibres orientées entre lesquelles on a disposé un matériau de remplissage de faible densité. Les caractéristiques méca25 niques d'une telle "âme" sont, à l'instar d'un caisson comparables à celles d'une structure pleine en un matériau unique avec cependant une masse beaucoup plus faible. Dans la plupart des cas, le squelette sera pris en sandwich entre deux plaques de matériau de garniture de faible densité, mais on peut imaginer que certaines sonorités supportent une seule plaque de garniture sur le squelette. Ce matériau sera de préférence du bois de placage, obtenu par déroulage, qui présente L'avantage de conférer à la structure composite de l'invention le même aspect que les instruments issus d'une lutherie traditionnelle, tout en permettant un travail facile des épaisseurs. Ce n'est cependant pas sortir du cadre de l'invention que d'envisager un matériau de garniture autre synthétique, à base d'un mat de fibres courtes noyées dans une résine ou une colle pourvu que la densité de ce matériau reste compatible avec celle que la structure doit finalement présenter. Le procédé de fabrication d'une telle structure est relativement simple et facile à maîtriser puisqu'il consiste à superposer les différentes couches et à provoquer 10 la polymérisation de la résine des nappes de fibre préimprégnées qui assure non seulement la cohésion du squelette, mais également la liaison des couches de garniture au squelette. Ce procédé est appelé "cocuisson" dans le cas d'une résine thermodurcissable et s'effectue entre les deux parties 15 d'un moule refermées sous pression sur le produit avec apport de chaleur. Il peut cependant être possible de mettre en oeuvre des résines thermoplastiques, le procédé étant alors dicté par le cycle de polymérisation ou de durcissement de ces résines. Bien entendu, la réalisation de la structure peut être en forme, c'est-àdire que les différentes couches de produit sont découpées au contour de la table à réaliser et sont liées entre elles dans un moule présentant le galbe désiré. On peut enfin, d'une part créer une précontrainte 25 du squelette en agissant sur la tension des fibres qui le constituent et d'autre part mettre en place certains au moins des barrages de la table d'harmonie sous forme d'inserts rapportés dans le moule et reliés aux couches superficielles de la structure par drapage d'une nappe préimprégnée. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d'exemple purement indicatif et non limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. IL sera fait référence aux dessins annexés dans 35 lesquels: - la figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation de la structure selon l'invention, - les figures 2 et 3 sont des schémas de variantes de réalisation de la figure 1, - la figure 4 illustre partiellement un moule incorporant des barrages associés à la structure selon l'invention. En se reportant à la figure 1, on voit une structure composite conforme à l'invention comportant un squelette 10 central 1 réalisé en fibres de carbone enrobées d'une résine époxyde de liaison et toutes orientées parallèlement à une direction longitudinale L de la structure. Cette couche centrale est plaquée de part et d'autre d'un matériau Léger, par exemple des feuilles de bois déroulées 2 et 3. L'assem15 blage de ces trois parties constitutives a été réalisé par cocuisson, c'est-à-dire polymérisation à la chaleur et sous pression de la résine d'enrobage des fibres formant la liaison des fibres entre elles et des couches superficielles à la couche centrale. On citera, en exemple, la réalisation d'un échantillon destiné à une table de luth qui, montée et essayée par des musiciens, en aveugle, a été confondue, du point de vue acoustique avec une table d'harmonie traditionnelle en épicéa. Le squelette central 1 était constitué par deux nappes super25 posées de fibres de carbone préimprégnées du commerce d'une épaisseur de 0,25 millimètre (chaque nappe ayant une épaisseur de 0,125 millimètres). L'orientation L des fibres, la table montée sur le luth,est parallèLe au manche de l'instrument. Les couches 2 et 3 sont constituées par des feuilles 30 de bois (épicéa) déroulé d'une épaisseur de 0,6 millimètres, l'épaisseur totale de la table étant donc de 1,45 millimètres. Les mesures des caractéristiques physiques et mécaniques du matériau ont fait apparaître: - un module d'élasticité longitudinal (dans le sens L 35 des fibres) égal à 11,6 GPa, - un module d'élasticité transversal (dans le sens perpendiculaire aux fibres) égal à 0,94 GPa, - une densité moyenne de 0,56. A titre indicatif on notera que l'épicéa a pour valeurs respectives de ces paramètres: 14,2 GPa - 1,1 GPa - 0,423 Conformément donc aux conclusions de l'étude théorique rappelée en préambule ci-dessus, le matériau composite de l'invention devait présenter des qualités acoustiques 10 semblables à celles de l'épicéa, toutes choses égales par ailleurs, ce qui fut constaté par l'essai musical du Luth expérimental. Sur la figure 2 on a représenté un squelette 4 de la structure selon l'invention dans lequel les nappes de 15 fibres 5 et 6 sont croisées, sous un angle A déterminé expérimentalement en fonction du rapport recherché entre les deux modules d'élasticité longitudinal et transversal. On a constaté en effet que pour certains instruments tels que le violon, la table d'harmonie présente une plus grande raideur 20 transversale que celle d'une table de luth ou de guitare. Le croisement des nappes permet de prendre en compte cette constatation et de fournir une structure composite adaptée à ce ou ces types d'instruments (violons, violoncelles, altos, contre-basses...). La figure 3 est un schéma montrant que le squelette 7 de la structure peut être lui-même composite et formé de deux parois fines 8, 9 en nappes de fibres, croisées ou non, entre lesquelles est intercalée une couche 7a en matériau de faible densité (du bois par exemple). Les couches exté30 rieures 10 et 11 de garniture également en bois, jouent le même rôle que celles décrites auparavant. Ainsi le squelette, placé en fibre neutre de la structure, peut présenter la raideur suffisante à la résistance aux efforts mécaniques auxquels il est soumis sans pour autant atteindre une masse 35 qui serait prohibitive pour l'obtention d'une densité globale faible. Ce type de matériau pourrait convenir pour des tables d'harmonie de clavecin ou de piano. Il est possible également de prévoir une plus grande alternance de couches pour la composition du squelette afin de satisfaire aux exi5 gences mécaniques soumises à la table tout en respectant les contraintes de masse. Enfin le schéma de La figure 4 montre un moule en deux parties 12 et 13 dont les empreintes 12a et 13a définissent soit deux plans, soit deux surfaces dont la forme cor10 respond à la forme désirée de la table d'harmonie. On notera en outre que l'empreinte 13a correspondant à la face interne de la table, pour un instrument à caisse de raisonnance fermée (luth, guitare, violon...), comporte des logements 13b pour la mise en place d'éléments raidisseurs 14 (appelés barrages) et 15 un drapage 15 périphérique, sous forme d'une nappe de fibres préimprégnée de résine, de liaison du barrage à la table ellemême lors de la polymérisation de la résine. Selon la nature de la résine employée dans la structure de l'invention avec son cycle de polymérisation, on déterminera les paramètres, pression chaleur et temps, sous lesquels le moule sera maintenu fermé pour obtenir le produit final. On peut également prévoir de mettre en place dans le moule les éléments constitutifs du matériau ou de la table sous une certaine contrainte afin de modifier localement à l'état libre la forme ou les caractéris25 tiques élastiques et vibratoires de la table, ou de prendre en compte les contraintes et les déformations qui lui seront imposées lors de son assemblage aux autres parties de l'instrument. La structure composite selon L'invention peut 30 ainsi constituer un produit de remplacement du bois de lutherie possédant des caractéristiques acoustiques semblables tout en ayant une tenue dans le temps et une stabilité très sensiblement améliorée. Ce produit peut être travaillé par des luthiers artisans d'une manière équivalente à celle du bois et ces facteurs d'instruments peuvent y appliquer tout leur savoir- faire. Il se prête avantageusement à une industrialisation beaucoup plus avancée de la fabrication des instruments puisque par sa conception même et son principe d'élaboration, une table d'harmonie peut être complètement réalisée en même temps que la structure elle-même. Il permet enfin la mise sur le marché de produits avec de nouvelles caractéristiques acoustiques maîtrisées qui ne se trouvent dans aucun des produits naturels connus, par les nombreuses variations de forme, d'épaisseurs cons10 tantes ou non, de dimension, de constitution dont il peut faire l'objet et ainsi engendrer la création de nouveaux timbres sonores voire de nouveaux instruments. L'invention trouve une application intéressante dans le domaine de la facture d'instruments à cordes. REVENDICATIONS 1. Structure composite pour table d'harmonie d'instruments à cordes, caractérisée en ce qu'elle comporte un squelette (1,4,7) constitué par au moins une paroi mince (1,4,8,9) en fibres longues orientées conférant à la structure ses propriétés mécaniques, recouverte sur au moins l'une de ses faces d'un matériau de garniture (2,3, 10, 11) de densité nettement inférieure à celle de la paroi mince en fibres, et ne possédant pas de caractéristiques mécaniques propres autres 10 que celles nécessaires à sa cohésion. 2. Structure selon la revendication 1 caractérisée en ce que le squelette (1) est constitué par une nappe de fibres (1) longues parallèles reliées entre elles par une résine polymérisée. 3. Structure selon la revendication 1 caractérisée en ce que le squelette (4) est constitué par la superposition d'au moins deux nappes (5,6) de fibres longues parallèles, reliées entre elles par une résine polymérisée, les deux nappes étant adjacentes croisées l'une par rapport à20 l'autre sous un angle (A) prédéterminé et reliées par la polymérisation de la résine d'enrobage des fibres. 4. Structure selon la revendication 1 caractérisée en ce que le squelette est constitué par au moins deux nappes (8,9) de fibres longues parallèles, reliées entre elles 25 par une résine polymérisée et séparées par une couche intermédiaire (7a) en un matériau de densité plus faible que celle des fibres. 5. Structure selon la revendication 4 caractériséeen ce que les nappes (8, 9) sont croisées entre elles. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le squelette (1,7) est recouvert sur ses deux faces par un matériau de garniture. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le squelette (1,7) est 35 recouvert sur l'une de ses faces destinée à former la face extérieure de l'instrument, d'un matériau de garniture. 8. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le matériau de garniture (2,3,10,11) est une feuille de bois obtenue par déroulage. 9. Procédé de réalisation d'une structure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à superposer les diverses couches qui le constituent orientées de manière appropriée, 10 dans un moule (12,13), les nappes de fibres étant enrobées de résine non encore polymérisée, et à procéder à la polymérisation de La résine par fermeture sous pression du moule avec un apport éventuel de chaleur, la résine d'enrobage des fibres constituant le liant des diverses couches entre elles. 15 10. Procédé seLon La revendication 9 caractérisé en ce que, préalablement aux phases précédentes, chaque couche est découpée selon un contour correspondant au contour de la table d'harmonie à réaliser. 11. Procédé selon La revendication 10 caractérisé 20 en ce que l'on utilise un moule (12,13) galbé pour conférer La forme désirée à La table d'harmonie. 12. Procédé seLon l'une quelconque des revendications 10 et 11 caractérisé en ce que les nappes de fibres sont placées sous précontrainte dans le moule. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12 caractérisé en que l'on place dans le moule (12,13) des inserts (14) réunis à la structure par drapage d'une nappe (15) de Liaison en fibres imprégnées pour constituer Les barrages de La table d'harmonie. 30