Nous avons rarement le temps d’écrire sur chaque histoire scientifique intéressante qui nous arrive. Ainsi, cette année, nous publions à nouveau une série spéciale d'articles sur les Douze jours de Noël, mettant en lumière une histoire scientifique qui est passée entre les mailles du filet en 2020, chaque jour du 25 décembre au 5 janvier. Aujourd'hui : la physique étonnamment complexe de deux simplement instruments construits : le bundengan indonésien et le didgeridoo (ou didjeridu) aborigène australien.

Le bundengan est un instrument rare et menacé d'Indonésie qui peut imiter le son des gongs métalliques et des tambours en peau de vache (kendangs) dans un ensemble de gamelan traditionnel. Le didgeridoo est un instrument emblématique associé à la culture aborigène australienne qui produit une seule note bourdonnante grave qui peut être continuellement soutenue par des joueurs expérimentés. Les deux instruments sont un sujet d’intérêt scientifique car leur construction relativement simple produit une physique étonnamment complexe. Deux études récentes sur leurs propriétés acoustiques ont été présentées lors d'une réunion début décembre de l'Acoustical Society of America, qui s'est tenue à Sydney, en Australie, en collaboration avec l'Australian Acoustical Society.

Le bundengan est né des chasseurs de canards indonésiens pour se protéger de la pluie et d'autres conditions défavorables sur le terrain, et sert également d'instrument de musique pour passer le temps. Il s'agit d'une structure en demi-dôme tissée à partir de fentes de bambou pour former une grille en treillis, entrecroisée au sommet pour former le dôme. Ce dôme est ensuite recouvert de couches de gaines de bambou maintenues en place par des fibres de palmier à sucre. Les musiciens s'assoient généralement les jambes croisées à l'intérieur du résonateur en forme de dôme et pincent les cordes et les barres pour jouer. Les cordes produisent des sons métalliques tandis que les plaques à l'intérieur génèrent des sons percussifs semblables à ceux d'un tambour.

Gea Oswah Fatah Parikesit de l'Universitas Gadja Mada en Indonésie étudie depuis plusieurs années la physique et l'acoustique du bundengan. Et oui, il sait jouer de cet instrument. « J'avais besoin d'apprendre à faire des recherches », a-t-il déclaré lors d'un point de presse. « C'est très difficile parce qu'il y a deux styles de blocage différents pour les côtés droit et gauche. La main droite est pour la mélodie, pour les cordes, et la gauche est pour le rythme, pour pincer les accords. »

Une grande partie des recherches antérieures de Parikesit sur le bundengan se sont concentrées sur le son métallique/percussif inhabituel des cordes, en particulier le rôle critique joué par le placement des clips en bambou. Il a utilisé des simulations informatiques des vibrations des cordes pour mieux comprendre comment le son spécifique du gong était produit et comment ces vibrations changeaient avec l'ajout de clips en bambou situés à différentes sections de la corde. Il a constaté que l'ajout des clips produisait deux vibrations de fréquences différentes à différents endroits de la corde, la section la plus longue ayant une vibration à haute fréquence par rapport à la vibration à plus basse fréquence de la partie la plus courte de la corde. C’est la clé pour produire le son semblable à celui d’un gong.

Cette fois-ci, Parikesit a été intrigué par le fait que de nombreux musiciens de Bundengan ont remarqué que l'instrument sonnait mieux mouillé. En fait, il y a plusieurs années, Parikesit a assisté à un concert de bundengan à Melbourne pendant l'été, alors qu'il faisait très chaud et sec, à tel point que les musiciens ont apporté leurs propres vaporisateurs d'eau pour s'assurer que les instruments restent (de préférence) complètement humides.

« Un élément clé entre les versions sèches et humides du bundengan sont les gaines en bambou, le matériau utilisé pour recouvrir la paroi de l'instrument », a déclaré Parokesit. « Lorsque le bundengan est sec, les gaines de bambou s'ouvrent, ce qui entraîne des connexions plus lâches entre les gaines voisines. Lorsque le bundengan est mouillé, les gaines ont tendance à former une forme enroulée, mais comme elles sont maintenues par des cordes, elles forment des connexions étroites entre les gaines. gaines voisines. »

La tension qui en résulte permet aux gaines de vibrer ensemble. Cela a un impact significatif sur le son de l'instrument, prenant une qualité plus « vibrante » lorsqu'il est sec et un son de gong métallique lorsqu'il est mouillé. Parikesit a essayé de fabriquer des bundengans avec d'autres matériaux : du papier, des feuilles, voire du plastique. Mais aucun d’entre eux ne produit la même qualité sonore que les gaines en bambou. Il prévoit ensuite d'étudier d'autres instruments de musique fabriqués à partir de gaines de bambou. « En tant qu'Indonésien, j'ai une motivation supplémentaire car le bundengan fait partie de notre patrimoine culturel », a déclaré Parikesit. « Je fais de mon mieux pour soutenir la conservation et la documentation du bundengan et d'autres instruments indonésiens menacés. »

Couplage avec le conduit vocal humain

Pendant ce temps, John Smith, de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud, est également intrigué par la physique et l'acoustique du didgeridoo. L'instrument est construit à partir du tronc ou de grandes branches de l'eucalyptus. L'astuce consiste à trouver un arbre vivant avec une grande activité de termites, de telle sorte que le tronc a été évidé, ne laissant que la coquille d'aubier vivante. Un tronc convenablement creux est ensuite coupé, nettoyé, l'écorce enlevée, les extrémités coupées et l'extérieur façonné en un long cylindre ou cône pour produire l'instrument final. Plus l'instrument est long, plus la hauteur ou la tonalité est basse.

Les joueurs feront vibrer leurs lèvres pour jouer du didgeridoo d'une manière similaire aux instruments à valve à lèvres comme les trompettes ou les trombones, sauf que ceux-ci utilisent un petit embout attaché à l'instrument comme interface. (Parfois, un bord en cire d'abeille est ajouté à l'extrémité de l'embout buccal du didgeridoo.) Les joueurs utilisent généralement une respiration circulaire pour maintenir ce bourdonnement grave et continu pendant plusieurs minutes, en inspirant essentiellement par le nez et en utilisant l'air stocké dans les joues gonflées pour continuer à produire le son. C'est le couplage de l'instrument avec le conduit vocal humain qui rend la physique si complexe, selon Smith.

Smith souhaitait étudier comment les changements dans la configuration du conduit vocal produisaient des changements de timbre dans le modèle rythmique des sons produits. Pour ce faire, « nous devions développer une technique capable de mesurer les propriétés acoustiques du conduit vocal du joueur pendant qu'il joue », a déclaré Smith lors du même point de presse. « Cela impliquait d'injecter un signal à large bande dans le coin de la bouche du joueur et d'utiliser un microphone pour enregistrer la réponse. » Cela a permis à Smith et à ses collègues d'enregistrer l'impédance du conduit vocal dans différentes configurations de la bouche.

Les résultats : « Nous avons montré que de fortes résonances dans le conduit vocal peuvent supprimer des bandes de fréquences dans le son de sortie », a déclaré Smith. « Les bandes de fréquences fortes restantes, appelées formants, sont remarquées par notre audition car elles se situent dans les mêmes plages que les formants que nous utilisons dans la parole. C'est un peu comme un sculpteur enlevant du marbre, et nous observons les morceaux qui restent. « 

Smith et coll. a également noté que les variations de timbre proviennent du fait que le joueur chante en jouant ou imite des sons d'animaux (comme le dingo ou le kookaburra), ce qui produit de nombreuses nouvelles fréquences dans le son de sortie. Pour mesurer le contact entre les cordes vocales, ils ont placé des électrodes de chaque côté de la gorge d'un musicien et les ont zappés avec un petit courant électrique à haute fréquence. Ils ont mesuré simultanément le mouvement des lèvres avec une autre paire d’appareils électriques au-dessus et au-dessous des lèvres. Les deux types de vibrations affectent le flux d’air pour produire les nouvelles fréquences.

Quant à ce qui rend un didgeridoo désirable et attrayant pour les musiciens, les mesures acoustiques sur un ensemble de 38 de ces instruments – avec la qualité de chacun évaluée par sept experts dans sept catégories subjectives différentes – ont produit un résultat plutôt surprenant. On pourrait penser que les musiciens préféreraient les instruments dotés de très fortes résonances, mais c’est le contraire qui s’est avéré être vrai. Les instruments ayant des résonances plus fortes ont été classés les moins bien, tandis que ceux ayant des résonances plus faibles ont obtenu des notes plus élevées. Smith, pour sa part, pense que cela a du sens. « Cela signifie que leur propre résonance vocale peut dominer le timbre des notes », a-t-il déclaré.