WO1991000589A1 - Instrument de musique a archet en composite - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a musical instrument with a bow, that is to say belonging to the fa i lLe of violins, violas, violas and double basses.
- the present invention intends to propose an instrument using as one of its components, a composite material which does not have the drawbacks of prior instruments. To this end, it therefore relates to a musical instrument with a bow, at least of which the soundboard consists of a thin wall of composite material comprising a superposition of at least two crossed layers of long oriented fibers, covered on at least one of its faces a lining material of density significantly lower than that of the fibers, in which the arrangement of the nap? s of fibers is such that the ratio: modulus of elasticity Longitudinal / modulus of transverse elasticity of the wall is higher along the axis of symmetry Lon ⁇ gitudinal of the wall than in the vicinity of lateral edges of the instrument.
- FIG. 3 is a section along line III-III of Figure 2 of the soundboard of the invention
- - Figure 4 is an enlarged view of an elementary fraction of the section of Figure 3
- the soundboard 1 is a vaulted wall shaped by molding a composite material comprising a superposition of layers (A, B, C, D, ..) of carbon fibers prepreg in a polymeric sand resin, these layers being crossed at selected angles. On each side of this superposition, there is a cladding in wood veneer, Y and Z, which gives the table the characteristics from the vibratory point of view (damping, decrease in the overall density of the wall ).
- FIG. 5 shows a wall according to the intention in which one of the plies A of fibers is laterally truncated.
- the wall thus constructed presents on these edges a lower modulus of elasticity ratio than in the center. It is of course possible to cut the sheet A according to a contour adapted to the final shape of the violin.
- FIG. 6 it can be seen that at least one of the sheets A has fibers which are oriented at the edges much more transversely than at the center where they are almost parallel to the axis of symmetry of the wall. This is also achieved by this means, by combining one or more plies of this type by crossing them with layers of straight longitudinal fibers or at an angle, to the construction of a wall meeting the required characteristics.
- the soundboard 1 comprises among its tablecloths tablecloths of the kind of that in FIG. 6. It may also include tablecloths of the kind A of FIG. 5
- These arrangements show that the ratio of the elasticity modules is maximum at the center of the instrument, along its axis of symmetry Longitudinal 9. What is described for the soundboard also applies to the background from the sound box.
- the soundboard and the back can include Local reinforcements by adding additional layers of Limited area. For example, we know that there exists in Souls a soul lodged inside the resonance box slightly forcibly between the table and the bottom, near one of the legs of the easel.
- the contact zones of the table and the bottom with the core can be reinforced by adding, before plating, these additional partial plies which mechanically reinforce these zones where there is, due to the core, a concentration of stresses.
- the ratio of the elastic moduli can be greater than that of an area near the axis of symmetry of the wall and therefore a fortiori of an area near the edges of the instrument, but the surface concerned is limited.
- the ratio of the elasticity modules is decreasing either continuously or by level from the center to the edges .
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Abstract
Au moins la table d'harmonie (1) est constituée par une paroi mince en matériau composite comprenant une superposition d'au moins deux nappes (A, B, C, D..) croisées de fibres longues orientées, recouverte sur au moins l'une de ses faces d'un matériau de garniture (Y, Z) de densité nettement inférieure à celle des fibres, avec un arrangement des nappes de fibres tel que le rapport: module d'élasticité longitudinale/module d'élasticité transversale de la paroi est maximum le long de l'axe de symétrie longitudinal (9) de la paroi et décroit en direction des bords latéraux de l'instrument.
Description
INSTRUMENT DE MUSIQUE A ARCHET EN COMPOSITE La présente invention concerne un instrument de musique à archet, c'est à dire appartenant à La fa i lLe des violons, altos, vioLonceLLes et contrebasses.
On a cherché depuis de nombreuses années sans grand succès, à remplacer Le bois utilisé dans ce type d'instruments par un matériau composite à base de nappes de fibres Longues. L'intérêt d'un teL matériau compo¬ site réside dans sa parfaite stabilité dans Le temps à L'égard des variations hygrométriques et de températures, ce qui n'est pas Le cas du bois. Un autre avantage réside dans La possibi lité théorique de disposer d'un matériau à caractéristiques constantes et parfaitement identifiées autorisant une répétabilité dans la fabrication qu'i l est impossible d'obtenir à partir du bois. C'est pourquoi, jusqu'à présent, la facture industrielle de vioLons en bois n'a jamais donné d'instruments remarquables et les violons concernés ne sont que des instruments d'étude ou d' entraînement.
La facture de violons en matériau composite, c'est à dire dont au moins La table d'harmonie est à base de fibres orientées (carbone ou polyamides aromatiques . disposées en couches plus ou moins croisées et reliées entre elles par une résine, a toujours été un échec car les sons produits n'ont jamais pu atteindre la richesse des sons d'un instrument classique.
La présente invention entend proposer un instrument utilisant comme L'un de ses composants, un maté¬ riau composite qui ne présente pas les inconvénients des instruments antérieurs. A cet effet, elle a donc pour objet un instru¬ ment de musique à archet dont au moins La table d'harmonie est constituée par une paroi mince en matériau composite comprenant une superposition d'au moins deux nappes croisées de fibres longues orientées, recouverte sur au moins l'une de ses faces d'un matériau de garniture de densité nettement inférieure à celle des fibres, dans lequel l'arrangement
des nap ?s de fibres est tel que le rapport : module d'élas¬ ticité Longitudinale / module d'élasticité transversale de la paroi est plus élevé le Long de L'axe de symétrie Lon¬ gitudinal de la paroi qu'au voisinage des bords latéraux de l'instrument.
On s'est en effet rendu compte qu'une paroi vibrante comportant ces caractéristiques permettait la production de sons riches, comparables à ceux produits par des violons de bonne qualité. Compte tenu des propriétés d'une structure composite à fibre longue, les modules d'élas¬ ticité dépendent essentiellement de l'orientation des fibres et de Leur nombre dans une orientation donnée.
Ainsi, en considérant une fraction élémentaire d'une section transversale de la paroi et les projections d'une unité de Longueur de chaque fibre qui traverse cette fraction élémentaire de section d'une part sur le plan de la section et d'autre part perpendiculairement à ce plan, le produit du nombre de projections longitudinales par leur longueur rapporté au produit du nombre de projec- tions transversales par leur longueur est plus élevé pour une fraction élémentaire voisine du centre de La section transver¬ sale que pour une fraction élémentaire voisine de ses bords. En d'autre termes, on peut définir deux variantes de réalisa¬ tion de L'invention seLon que l'on agit sur le nombre de nappes de la paroi, différent au centre et au bord, ou que l'on agit, pour un nombre de nappes iden que, sur l'orien¬ tation de fibres dans chaque nappe. Bien entendu, on peut réaliser un panachage des deux possibilités.
Dans Le cadre général de cette construction, on peut modifier localement la structure composite DOUΓ -enforcer telle ou telle partie de la paroi, note nt au ni veau de l ' âme .
Des exemples de réalisation de l'invention seront donnés au cours de la description ci-après afin d'en faire apparaître des avantages et des caractéristiques secondai res .
Il sera fait référence aux dessins annexés dans Lesquels :
- la figure 1 représente en vue de face un violon dont au moins la table d'harmonie est conforme à L'invention,
- La figure 2 est une vue de côté du violon de la figure 1,
- la figure 3 est une coupe selon la ligne III-III de la figure 2 de la table d'harmonie de l'invention, - la figure 4 est une vue agrandie d'une fraction élémentaire de La section de la figure 3,
- les figures 5 et 6 sont des schémas i llustrant deux structures de base possibles pour une paroi en composite utilisable comme table d'harmonie ou fond. Le violon représenté aux figures 1 et 2 com¬ prend classiquement une table d'harmonie 1, un fond 2 et des éclisses 3 refermant Latéralement la caisse de réson- nance. Un manche 4 est attelé à la boîte de résonnance à l'extrémité duquel des cordes 5 sont fixées par des chevilles, ces cordes passant sur un chevalet 6 situé entre les ouies 7 de La table d'harmonie, pour aboutir au cordier 8 de l'instrument.
La table d'harmonie 1 est une paroi voûtée mise en forme par moulage d'un matériau composite comprenant une superposition de nappes (A,B,C,D,..) de fibres de carbone préimprégnées dans une résine polyméri sable, ces nappes étant croisées sous des angles choisis. De chaque côté de cette superposition, il existe un habi llage en placage de bois, Y et Z, qui confère à la table les caractéristiques du point de vue vibratoire (amortissement, diminution de La densité globale de la paroi...).
La figure 4 est le dessin d'une fraction élémentaire dS de la section de La table représentée à la figure 3. Cette fraction, élargie démesurément pour Les besoins de l'exposé, est traversée par des fibres 10 à 14 (ou faisceaux de fi bres) , ori entées dans une direction déterminée selon La nappe à Laquelle elles appartiennent et/ou leur position dans La nappe.
Par exemple, les fibres 10, 12 et 14, appar¬ tenant à des nappes différentes, sont perpendiculaires à la fraction dS de section donc parallèle à l'axe longitu¬ dinal 9 de symétrie de l'instrument; Les fibres 11 et 13 appartenant à des nappes interposées entre les nappes précé¬ dentes sont croisées par rapport aux fibres 10,12,14. Si on prend pour chacune de ces fibres une longueur unitaire U et que l'on projette cette longueur unitaire d'une part sur le plan de la section et d'autre part sur un plan perpen- diculaire à cette section, le rapport de La somme linéaire de ces projections dans chacun de ces deux plans est signi¬ ficatif du rapport des modules d'élasticité transversale et Longitudinale. On comprend donc que si, en n'importe quel point de La paroi, chaque fraction dS de section est traversée par Le même nombre de fibres orientées identique¬ ment, le rapport des modules d'élasticité est constant. En revanche, si en s'éloignant de l'axe de symétrie 9, on supprime une nappe de fibres à orientation longitudinale, on diminue la grandeur significative des sommes de projec- tions dans le plan longitudinal de symétrie de l'instrument sans modifier l'autre grandeur dans le plan de la section (les fibres supprimées ayant une projection nulle dans ce plan) si bien qu'on modifie le rapport : module d'élas¬ ticité longitudinale (qui diminue) / module d'élasticité transversale (qui demeure pratiquement inchangé) dans le sens d'une baisse de ce rapport.
De même si, en gardant le même nombre de nappes pour La paroi, on modifie L'orientation des fibres dans chaque nappe dans le sens d'une accentuation de Leur "transversa Mté" Lorsque L'on s'éloigne de l'axe de symétrie vers les bords, La somme des projections Longitudinales diminue et la somme des projections transversales augmente, donc le rapport susdit des modules d'élasticité diminue.
La figure 5 montre une paroi conforme à l'in- ention dans laquelle l'une des nappes A de fibres est latéralement tronquée. La paroi ainsi construite présente
sur ces bords un rapport de modules d'élasticité plus faible qu'au centre. On peut bien entendu découper la nappe A selon un contour adapté à la forme finale du violon. A La figure 6 on voit qu'au moins L'une des nappes A possède des fibres qui sont orientées aux bords beaucoup plus transversalement qu'au centre où elles sont presque parallèles à l'axe de symétrie de La paroi. On parvient également par ce moyen, en combinant une ou plu¬ sieurs nappes de ce type en Les croisant avec des couches à fibres rectilignes Longitudinales ou en biais, à la cons¬ truction d'une paroi répondant aux caractéristiques deman¬ dées.
Sur la figure 1 les lignes en traits inter¬ rompus veulent signifier que La table d'harmonie 1 comporte parmi ses nappes des nappes du genre de celle A de .la figure 6. Elle peut également comporter des nappes du genre A de La figure 5. Ces dispositions montrent que le rapport des modules d'éLasticité est maximum au centre de l'instru¬ ment, le Long de son axe de symétrie Longitudinal 9. Ce qui est décrit pour la table d'harmonie s'applique également pour Le fond de La caisse de résonnance. Enfin, La table d'harmonie et le fond peuvent comprendre des renforcements Locaux par adjonction de nappes supplémenta res de surface Limitée. Par exemple, on sait qu'i l existe dans Les vioLons une âme Logée à .l'intérieur de la caisse de résonnance légèrement à force entre la table et Le fond, a proximité de l'un des pieds du chevalet. Les zones de contact de La table et du fond avec l'âme peuvent être renforcées par adjonction, avant placage, de ces nappes partielles supplémentaires qui renforcent mécaniquement ces zones où il existe, du fait de l'âme, une concentration de contraintes. Dans ces zones bien entendu, le rapport des modules d'élasticité peut être supérieur à celui d'une zone au voisinage de l'axe de symétrie de La paroi et donc à fortiori d'une zone voisine des bords de
l'instrument, mais la surface concernée est limitée. Ainsi, d'une manière générale, sauf en de tels endroits (on mention¬ nera également certaines bandes longitudinales partielles de la paroi de fond) le rapport des modules d'éLasticité est décroissant soit conti nuement, soit par palier du centre vers les bords.
Claims
1. Instrument de musique à archet dont au moins la table d'harmonie (1) est constituée par une paroi mince en matériau composite comprenant une superposition d'au moins deux nappes (A,B,C,D..) croisées de fibres longues orientées, recouverte sur au moins l'une de ses faces d'un matériau de garniture (Y,Z) de densité nettement inférieure à celle des fibres, caractérisé en ce que l'arrangement des nappes de fibres est tel que le rapport : module d'élas¬ ticité longitudinale/module d'élasticité transversale de La paroi est plus élevé pour une zone de paroi voisine de L'axe longitudinal de symétrie de l'instrument que pour une zone voisine de ses bords.
2. Instrument de musique selon la revendi¬ cation 1 caractérisé en ce que, en considérant une fraction élémentaire (dS) d'une section transversale de la paroi et les projections d'une unité de longueur (U) de chaque fibre qui traverse cette fraction élémentaire de section, d'une part sur le plan de la section et d'autre part perpen¬ diculairement à ce pLan, Le produit du nombre de projections longitudinales par leur longueur rapporté au produit du nombre de pro¬ jections transversales par leur longueur est plus élevé pour une fraction élémentaire (dS) voisine du centre de la section transversale que pour une fraction élémentaire voisine de ses bords.
3. Instrument de musique selon la revendication 2 caractérisé en ce que les orientations des fibres traver¬ sant une fraction (dS) élémentaire de section sont iden¬ tiques quelle que soit la position de cette fraction, la variation du produit susdit étant obtenue en diminuant, en direction des bords, le nombre des nappes de fibres à direction essentiellement longitud nale.
4. Instrument de musique selon la revendication 2 caractérisé en ce que le nombre . de fibres traversant chaque fraction élémentaire (dS) de section est constant quelle que soit la position de cette fraction élémentaire, La variation du rapport susdit étant obtenue par modification de L'inclinaison des fibres dans chaque nappe à partir s.
8
de leur inclinaison sur l'axe longitudinal de symétrie de la paroi.
5. Instrument de musique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi comprend au moins une zone renforcée par au moins une nappe supplémentaire partielle de fibres.
6. Instrument selon l'une quelconque des revend cations précédentes, caractérisé en ce que la paroi de fond de la caisse de résonnance est constituée de la même manière que la table.
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