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Résonance d'un tuyau : fondamental et harmoniques

Calculez les fréquences de résonance d'une colonne d'air dans un tuyau ouvert ou fermé à une extrémité, avec la correction d'extrémité et la vitesse du son selon la température.

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Vos paramètres
Tuyau

Valeur hors limites

Valeur hors limites

°C

Valeur hors limites

Valeur hors limites

Résultats

Fréquence fondamentale

279,0 Hz

Fréquence de la résonance n

558,1 Hz

Un tuyau ouvert a tous les harmoniques : 1, 2, 3…
Hauteur du fondamental en demi-tons par rapport au la 440 Hz
-7,9
Négatif : sous le la 440 ; 12 demi-tons = une octave
Longueur d'onde du fondamental
1,230
Vitesse du son dans l'air
343,2
Longueur effective avec correction d'extrémité
0,615

Comment un tuyau produit une note

Soufflez sur le goulot d’une bouteille ou dans une flûte : l’air contenu dans le tube vibre à certaines fréquences seulement. Les ondes sonores parcourent le tube, se réfléchissent aux extrémités et ne se renforcent que lorsque la longueur du tube correspond à un motif complet de l’onde. Ces résonances fixent les notes des tuyaux d’orgue, des flûtes, des clarinettes, des didgeridoos, des bouteilles et même le bourdonnement de certaines gaines de ventilation.

Tuyau ouvert, tuyau fermé

  • Ouvert aux deux extrémités : les deux bouts sont des nœuds de pression. La plus grande onde possible mesure deux fois la longueur du tuyau : f₁ = v ÷ 2L, et tous les multiples 2f₁, 3f₁… résonnent aussi.
  • Fermé à une extrémité : le bout fermé est un ventre de pression. La plus grande onde mesure quatre fois la longueur : f₁ = v ÷ 4L, et seuls les multiples impairs 3f₁, 5f₁… résonnent.

Un tuyau fermé sonne donc une octave plus bas qu’un tuyau ouvert de même longueur : c’est l’intérêt des jeux de bourdons à l’orgue, qui gagnent de la place.

Vitesse du son et correction d’extrémité

Dans l’air, la vitesse du son vaut environ v = 331,3 × √(1 + T ÷ 273,15) m/s, avec T en °C, soit 343 m/s à 20 °C. L’onde déborde aussi un peu de chaque extrémité ouverte : la longueur effective dépasse la longueur réelle d’environ 0,3 × diamètre par extrémité ouverte.

Exemple

Un tuyau ouvert de 60 cm de long et 2,5 cm de diamètre, à 20 °C :

  • Longueur effective : 0,615 m
  • Fondamental : 279 Hz, environ 8 demi-tons sous le la 440, proche du do dièse 3
  • Deuxième harmonique : 558 Hz
  • Longueur d’onde du fondamental : 1,23 m

En bouchant une extrémité, le fondamental descend vers 141 Hz.

Applications musicales

  • Pour accorder un tuyau sur une note, cherchez sa fréquence avec le calculateur de fréquence des notes, puis ajustez la longueur jusqu’à ce que le fondamental corresponde.
  • Les carillons à tubes font vibrer le métal, pas l’air intérieur : ils suivent d’autres formules.
  • La clarinette se comporte comme un tuyau fermé, ce qui explique qu’elle quintoie (elle saute à la douzième) au lieu d’octavier ; la flûte se comporte comme un tuyau ouvert.

Limites

Les formules supposent un tuyau cylindrique droit, bien plus long que large. Les perces coniques, comme celles du hautbois et du saxophone, se comportent comme des tuyaux ouverts avec tous les harmoniques. Trous, pavillons et embouchures décalent les fréquences : les facteurs d’instruments affinent toujours à l’oreille et à l’accordeur.

Questions fréquentes

Comment calculer la fréquence de résonance d'un tuyau ?

Pour un tuyau ouvert aux deux bouts, f₁ = v ÷ 2L ; pour un tuyau fermé à un bout, f₁ = v ÷ 4L, où v est la vitesse du son et L la longueur effective. Un tuyau fermé sonne donc une octave plus grave qu'un tuyau ouvert de même longueur.

Qu'est-ce que la correction d'extrémité ?

L'air vibre un peu au-delà d'une extrémité ouverte : le tuyau se comporte comme s'il était plus long d'environ 0,6 fois son rayon à chaque bout ouvert, soit 0,3 fois son diamètre. Cette correction compte surtout pour les tuyaux courts et larges.

Pourquoi un tuyau fermé n'a-t-il que des harmoniques impairs ?

L'extrémité fermée impose un ventre de pression et l'extrémité ouverte un nœud : seuls un quart, trois quarts, cinq quarts de longueur d'onde peuvent y tenir. On obtient des fréquences de 1, 3, 5… fois le fondamental, d'où le timbre particulier de la clarinette.

Comment la température modifie-t-elle la note ?

La vitesse du son augmente d'environ 0,6 m/s par degré Celsius : un instrument à vent monte d'environ 3 cents par degré en se réchauffant. C'est pourquoi les musiciens chauffent leur instrument avant de s'accorder.

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Résultats indicatifs fournis à titre d'information. Ils ne remplacent pas l'avis d'un professionnel.