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Have Fun with Seraphins, verillons, Harpes et Armonicas de verre

On a tous joué du Séraphin sans s’en rendre compte. En effet, il s’agit d’un instrument très simple puisqu’il suffit de remplir d”eau plusieurs verres de cristal puis de passer ses doigts mouillés sur leurs rebords pour en faire sortir des mélodies angéliques… ou plus souvent stridentes.

Démonstration:

Mais là ou le commun des mortels fait juste mumuse, Petr Spatina se place en virtuose:

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Epatant non?

Bon alors maintenant passons à un petit tour historique sur cet instrument farfelu et ses dérivés encore plus étranges. Si les instruments en verre ou en porcelaine frappés avec des baguettes sont connus depuis belles lurettes, c’est l’irlandais Richard Pockrich qui standardise pour la première fois, en 1741, l’instrument auquel on donne les noms de Seraphin, verillon, harpe de verre ou orgue angélique. Il s’agit donc d’un nombre précis de verres remplis de divers volumes de liquide qui permettent d’obtenir des sons sur plusieurs octaves.
Si la paternité de l’instrument lui est souvent contesté, il est cependant indéniable que Richard Pockrich travailla dur pour faire connaître les verres musicaux à un large public, principalement en Angleterre. Benjamin Franklin assistera à un de ses concerts, et s’il apprécia la qualité des sons produits, il regretta l’impossibilité de produire des accords (ben oui, c’est pas facile de toucher plusieurs verres en même temps…).

Armonica de verre
En 1761, Benjamin Franklin met donc au point une version améliorée du Séraphin qu’il appelle Glass Armonica et qui est composé de 20 à 54 bols enchâssés les uns dans les autres pour former une toupie qui tourne sous l’action d’un moteur à pédale ou électrique. Ici c’est donc le diamètre des bols qui va permettre d’obtenir différentes notes, et il est beaucoup plus facile de réaliser des accords.

Le modèle de l'armonica de verre de Benjamin Franklin présenté dans une lettre à l'abbé Beccaria

Benjamin Franklin essayant son instrument, par Alan Foster, 1926
L’instrument eut initialement un succès assez important et fut joué par des interprètes de renom comme Marie Antoinette ou encore Wolfgang Amadeus Mozart qui composa même deux œuvres pour cet instrument: un Rondo (K.617)  et un Adagio (K.356):

Puis le glass armonica tomba en disgrâce et fut même interdit par un décret de police dans certaines villes d'Allemagne avant de disparaitre vers 1835. Les raisons invoquées pour une telle animosité envers un simple instrument seraient que les sons qu’il produit font hurler les animaux, provoquent des accouchements prématurés, et suscitent la folie des interprètes (symptôme du saturnisme qu’auraient pu contracter les artistes en jouant sur du cristal étant composé de 40% de plomb).
A l’heure actuelle, il reste donc peu de joueurs professionnels capables de tirer un son de cet instrument. Thomas Bloch  est un virtuose du glass armonica et dans la vidéo suivante, il explique à Alan Alda comment on peut en jouer:

Bon c’est bien beau tout ça, mais vous vous vous demandez à juste titre: comment diable fonctionne ces instruments angéliques?
Ben c’est malin de poser des questions comme ça, car maintenant il va falloir causer physique…
Ce qu’il faut d’abord savoir, c’est que chaque matériau (verre, acier, béton armé, choucroute…) sont susceptibles de vibrer à une fréquence naturelle: sa fréquence de résonance (440 Hz pour 250g de choucroute si je ne m’abuse…).
Si l’on applique de l’énergie dans le matériau à sa fréquence de résonance, on oblige le matériau à vibrer ou résonner (la résonance étant une vibration forcée).
Dans le cas du verre de cristal, le doigt que l’on fait glisser sur son rebord va permettre de frotter le verre (et si l’on trempe notre doigt dans l’eau, c’est pour se débarrasser des huiles qui sont sur notre doigt et augmenter ainsi le frottement). Ce frottement va transmettre de l’énergie au molécules de verre et les forcer à résonner. Si l’on fait des tours avec notre doigt autour du rebord, c’est pour que cette résonance, cette vibration se propage à travers tout le verre pour que l’ensemble se mette à vibrer à sa fréquence naturelle. La vibration du verre se transmet aux molécules d’air qui l’entoure qui vont se mettre à vibrer à la même fréquence: les molécules d’air qui vibrent sont les ondes sonores que nous percevons. Si l’on faisait l’expérience dans le vide, le verre vibrerait mais ne transmettrait rien puisqu’il n’y aurait pas de molécules d’air autour: on entendrait rien (m’enfin si on fait l’expérience dans le vide, on entend pas grand chose vu qu’on meurt dans la seconde…)
La fréquence de l’onde sonore que l’on entend est donc la même que la fréquence de résonance du verre. C’est le son que l’on peut entendre d’ailleurs en fichant une pichenette sur le rebord du verre. En fonction de la taille, du diamètre et l’épaisseur du verre, on entendra un son plus ou moins grave.
Mais comment l’eau qu’on ajoute dans le verre peut changer le ton de la note produite (la fréquence de l’onde sonore)? Et bien lorsque l’onde de résonance parcourt le verre, elle va transmettre sa vibration à l’eau qu’il contient (on peut d’ailleurs voir l’eau vibrer). Cela a un impact sur la quantité d’énergie nécessaire pour faire vibrer l’ensemble et altère donc la fréquence naturelle du verre: l’ensemble verre-eau a une nouvelle fréquence naturelle, et faire vibrer l’ensemble va créer une onde sonore de fréquence différente: une nouvelle note de musique (plus grave).
Mais bon le plus fun dans cette histoire de résonance, c’est que si l’on transmet assez d’énergie au verre et à la bonne fréquence (sa fréquence de résonance), on peut amplifier les mouvement qu’il produit en vibrant jusqu’à ce qu’il se disloque et se brise. Augmenter l’amplitude d’une vibration en apportant de l’énergie à la bonne fréquence, c’est quelque chose dont on a presque tous fait l’expérience en faisant de la balançoire. La balançoire a sa propre fréquence naturelle. Or si on veut se balancer, inutile de gesticuler comme un malade quand on est à l’arrêt: ce qu’il faut faire, c’est apporter de l’énergie à l’ensemble mais à une fréquence précise. Quand on est au plus haut, on se penche pour aller dans la direction opposée. Si on se penche avant, on diminue l’amplitude du mouvement de balancier. Allez déloger un bambin du square le plus proche pour en faire l’expérience si vous voulez, et s’il couine, rétorquez-lui que c’est pour la science!
L’énergie à apporter est quand même assez importante pour briser un verre et ce n’est pas en faisant des tours sur le rebord avec vos doigts que vous allez y arriver: c’est en poussant la chansonnette. Certains chanteurs peuvent en effet chanter à  la bonne fréquence et faire ainsi vibrer le verre jusqu’à l’exploser. Ce n’est pas un mythe puisque les Myth Busters en ont fait la démonstration:

On peut même y arriver sans ampli!

Mais les phénomènes de résonance peuvent avoir des effets beaucoup plus catastrophiques et peuvent être à l’origine de catastrophe de grande ampleur. On m’avait par exemple raconté que le pont de Tacoma avait été construit dans un matériau qui avait résonné lors d’une tempête pourtant peu violente, et que l’ensemble s’était mis à se balancer jusqu’à l’inévitable rupture.
Si l’anecdote est véritable (jugez plutôt)…

…l’explication du phénomène n’est pourtant pas satisfaisante pour tout le monde, en témoigne l’article d’un certain K. Billah qui nous explique que cette catastrophe n’est pas l’œuvre d’une résonance forcée, mais d’une auto-excitation… Ah… Bref, c’est là où mes connaissances en physique ne me permettent que d’hausser les épaules et de retourner faire mumuse avec mes verres en cristal.

Références:
Billah, K.; R. Scanlan (1991). "Resonance, Tacoma Narrows Bridge Failure, and Undergraduate Physics Textbooks". American Journal of Physics 59 (2): 118–124. doi:10.1119/1.16590 (pdf)

Liens:
La page Facebook de Petr Spatina
Comment faire chanter un verre de cristal
L’atelier cassage de verre
Les instruments de cristal
Le site de Thomas Bloch

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