Voûtes - épaisseurs - densité du bois

 

Jusqu’en 1690, Stradivarius fabrique des violons ayant des voûtes d’environ 20 mm. Ces violons sont assimilés à la période Amati (on les dit « Amatizzati »). Dans la période 1690 à 1700, les voûtes s’abaissent progressivement entre 18 mm et 17 mm et à partir de 1700, elles se stabilisent entre
14 mm et 16 mm. Les voûtes des violons de Guarnerius « del Gesù » sont généralement de 13 mm à
15 mm dans la même période. Chez Steiner : 18 mm à 20 mm.

 

Après 1700, Stradivarius réalise le modèle parfait aux proportions idéales. Dans la vingtaine d'années qui suit, le maître est au sommet de son art et de sa réputation. Il produit les plus beaux violons que l'on ait jamais faits.

 

Il est incontestable que les voûtes basses sont la meilleure option pour réussir un bon violon. Pour obtenir ce résultat, les matériaux doivent avoir des performances suffisantes pour ne pas déformer les voûtes en accordant le volume de départ avec une fréquence correcte.

 

Lucien Greilsamer, dans son livre « L'anatomie et la physiologie du violon de l'alto et du violoncelle » paru en 1924, soulignait déjà la différence entre les voûtes des violons italiens et celles des violons modernes. Il considérait la différence comme l'une des causes principales de la mauvaise sonorité de la lutherie moderne, d'autant que les traités de lutherie enseignaient généralement que les voûtes de la table et du fond étaient semblables. Avec raison, il s'étonnait du peu d'importance que les luthiers modernes accordaient à leurs voûtes

 

 

Hauteur de voûte A = 18 mm – hauteur de voûte B = 14 mm.

 

La longueur de la courbe A est plus grande que celle de B

 

Les épaisseurs ne dépendent pas de la hauteur de voûte, ni du volume de départ, mais de la densité et de l’élasticité du bois. Les volumes de départ A et B doivent être accordés à la même fréquence afin d’obtenir une fréquence identique du mode 5 de l’intrados avec la même résistance des matériaux. Par conséquent, A sera toujours plus lourd que B. Valable également pour la table.

 

Le volume et la forme des voûtes sont les clés essentielles pour accorder les fonds et les tables de violons dans une gamme de fréquence restreinte et reproductible, en optimisant le poids des matériaux ainsi que le volume de la cavité.

Ces notions ont longtemps été oubliées ou ignorées, n'étant plus considérées comme des facteurs fondamentaux pour la sonorité du violon. Le simple examen d'un violon ancien ne permettant pas de conclure avec certitude le rôle déterminant des voûtes, la recherche s'est orientée vers d'autres considérations.

 

Tous les fonds et les tables de violons italiens anciens sont uniques dans leur conception (forme et hauteur de voûte). Chaque matériau utilisé dans la fabrication du violon moderne sera également unique de par ses caractéristiques. Par conséquent, il est irréalisable de copier une forme de voûte de violon italien avec des gabarits, de donner les mêmes épaisseurs au fond et à la table et d’obtenir la même fréquence des matériaux libres.

 

L’épicéa est un bois plus performant en célérité longitudinale que l’érable, alors que ces matériaux ont la même célérité transversale. C'est la raison pour laquelle, il faut enlever davantage de bois sur les extrémités de la voûte d'un fond pour élever la fréquence de l'extrados, alors que pour la table, il faut généralement laisser davantage de bois sur les extrémités pour ne pas abaisser la fréquence du mode 5 de l'extrados en dessous du seuil minimum.

 

Pour accorder des tables ou des fonds libres à la même fréquence, en utilisant des matériaux d'essences et de caractéristiques différentes, il faut utiliser une technique permettant de reproduire le même protocole de fabrication. La hauteur de voûte d'une table ou d'un fond est relative ; elle dépend de la célérité longitudinale et de la répartition du volume de bois sur l'extrados.

 

Trois types de forme de voûte

 

                                                                                                    Amati

 

                                                                                                   Stradivarius

 

                                                                                                   Guarnerius

 

Distribution des épaisseurs

 

La littérature nous donne des indications sur les épaisseurs des fonds et des tables de différents violons de Stradivarius et de Guarnerius. Elles sont souvent données comme étant le modèle à suivre.

En réalité, ces épaisseurs et leur distribution ne concernent que les violons sur lesquels elles ont été relevées. Elles sont aussi variées que le nombre de violons.

 

Les épaisseurs ne modifient pas l'acoustique fondamentale du violon. C'est d'abord la hauteur de fréquence des matériaux libres ainsi que le rapport entre les fréquences de « couplage » de la table et du fond, qui font la différence entre un bon et un mauvais violon.

 

 

Densité du bois

 

Valeur des densités par catégorie (les basses valeurs sont à 6% d'humidité et les plus élevées à 12%). Attention à ne pas confondre une densité élevée à 12% d’humidité du bois avec une très faible densité à 0% d’humidité.

 

                                     Maple                                                                Spruce

Densité faible            0,54 à 0,62 g/cm3                      Densité faible         0,34 à 0,39 g/cm3

 Densité moyenne       0,63 à 0,71 g/cm3                      Densité moyenne   0,40 à 0, 46 g/cm3

Densité élevée           0,72 à 0,78 g/cm3                      Densité élevée         0,47 à 0,50 g/cm3

 

Les propriétés globales du bois dépendent de la quantité d'eau libre qu'il contient et de sa masse de polymères. Schématiquement, la résistance du bois augmente avec la densité et diminue, quand le taux d'humidité augmente. Plus le taux d'humidité est élevé, plus la célérité et le module de Young seront faibles, ce qui diminue la résistance du matériau en ramollissant la masse des polymères.

 

La courbe de densité est proportionnelle au taux d'humidité. Les courbes de célérités et de modules de Young étant inversement proportionnelles à cette courbe, la fréquence d'un matériau est inversement proportionnelle à sa courbe d'humidité.

 

Une densité élevée compense toujours une faible élasticité, ainsi qu’une faible résistance en compression, pour un poids équivalent des matériaux libres.

 

L’inconvénient des bois de très faible densité : ils ont presque toujours une très faible élasticité. Le fond a tendance à se déformer sous la pression des cordes en élevant la fréquence du mode B1+ de 15 Hz. Par conséquent, il faut prévoir cette élévation de fréquence en accordant le fond libre.

 

Pour des instruments neufs, les densités moyennes ou élevées sont préférables car elles compensent dans certain cas, une faible élasticité, la résistance est toujours supérieure à une faible densité à poids égal pour un fond ou une table. Le bois perd en moyenne 6% de son poids avec les années, mais augmente son élasticité, quelle que soit la densité.

 

Il a été constaté sur des instruments anciens, de très faibles densités des fonds et des tables, ce qui ne correspond pas à la réalité des matériaux à l'origine. Un fond et une table perdent en moyenne 6% de leur poids après un vieillissement naturel de trois siècles. La densité des matériaux a diminué d’environ 6% à 8%. Ces données sont comparables à celles d'un traitement du bois par chauffage à 195°, afin de casser les hémicelluloses.

 

Important : Il est essentiel de faire la différence entre une faible densité à 0% d'humidité et une densité élevée à 12% d'humidité d’un matériau gorgé d’eau, ce qui justifie l’utilisation d’un testeur d’humidité pour le bois.

 

Choix du bois

 

Dans la nature, il est impossible de trouver des bois de caractéristiques identiques, même pris dans le même arbre. La composition chimique des bois est extrêmement variable. Cette variabilité est accentuée par les conditions de croissance des arbres. La nature du sol, la température, la luminosité, l'humidité, ainsi que la densité de peuplement influent directement sur la composition chimique et la structure des bois.

 

 

- Figure 1. Le tronc tourne à gauche puis à droite (lévogyre et dextrogyre). Ce défaut important se rencontre le plus souvent à la base du tronc de l'arbre.

 

- Figure 2. Une coupe axiale inclinée est un défaut majeur plus grave que des cernes inclinés visibles en bois de bout (figure 6).

 

Ces deux types de matériaux ont le fil du bois constamment inversé sur les deux faces du quartier, ce qui diminue considérablement les propriétés mécaniques du bois et augmente les difficultés pour le travailler. Ils ont également des capacités hydrophiles hors norme. Les tables ayant une coupe axiale inclinée se comportent comme si toute la surface de l'extrados et de l'intrados était en boisde bout. La fréquence de ces matériaux est absolument instable, même après une déshydratation prolongée du bois en persistant avec les années. Ils sont à proscrire de la fabrication.

 

- Figure 3. Les bois doivent être coupés sur quartier, mais aussi dans l'axe vertical du tronc de l'arbre.

 

- Figure 4. Deux pousses sont visibles sur l’épicéa et l’érable : la pousse de printemps (blanche) et
la pousse d’été (brune) ou cerne tardif. Selon les conditions dans lesquelles l'arbre s'est développé, elles modifient la différence de densité entre ces deux pousses. Des cernes espacés augmentent la densité de la pousse d'été et diminuent la densité de la pousse de printemps. Des cernes très serrés diminuent la densité de la pousse d'été et augmentent la densité de la pousse de printemps. L'élasticité du bois est principalement due aux cernes tardifs. Des cernes très serrés diminuent la
largeur de la pousse d'été, ce qui abaisse la densité globale l'élasticité du bois. L'épicéa doit être choisi avec des cernes réguliers, pas trop serrés, ainsi que des cernes tardifs bien marqués, ce qui augmente les performances des matériaux.

 

- Figure 5. Les meilleurs matériaux ont une coupe axiale droite, mais aussi des cernes perpendiculaires, réguliers et parallèles entre eux. Ces bois se reconnaissent à leurs mailles serrées. Ils ont une très grande résistance mécanique et des performances acoustiques remarquables. Ils sont également très faciles à travailler.

 

- Figure 6. Des cernes légèrement inclinés ont une faible incidence sur les propriétés mécaniques
et acoustiques des matériaux. Leur propriété hydrophile est normale.

 

Quel que soit le sens de rabotage ou de ratissage, tout bois qui fait des peluches en surface, doit être éliminé de la fabrication, en raison d’une capacité hydrophile élevée et d’une résistance trop faible. Indépendamment de la hauteur de fréquence de couplage de la table, le timbre du violon sera trop sombre.

 

Le choix du bois pour un luthier moderne se résume souvent à son esthétique. Certains instruments anciens présentent des anomalies caractérisées dans la croissance des cernes ou des défauts d'aspect. Les luthiers italiens attribuaient davantage d'importance aux performances des matériaux, plutôt qu'à leur esthétique.

 

L'opinion la plus répandue consiste à croire que les bois les plus légers font les meilleurs violons. La légèreté d'une table ou d'un fond n'est pas la preuve qu'ils ont été fabriqués avec des matériaux de faible densité. Les très faibles épaisseurs observées sur des violons de Guarnerius ou de Stradivarius attestent qu'ils ont utilisé des matériaux ayant une élasticité longitudinale et transversale élevée, ainsi qu'une densité moyenne ou élevée à l'origine.

 

Les propriétés acoustiques du bois utilisé dans la fabrication des violons se modifient au cours des années. L'humidité du bois absorbe l'énergie vibratoire, la convertissant en énergie calorifique par évaporation. Bien que le bois utilisé dans la fabrication des violons soit déjà sec, les changements de la teneur en eau libre du bois auront des effets sur l’acoustique des violons par une modification du module d'élasticité, du comportement viscoélastique et de la fréquence.

 

L'amélioration à long terme de la réponse acoustique dépend principalement de la dégradation de l'hémicellulose, le composant du bois qui absorbe l'eau libre le plus aisément. Au fil des années, l'hémicellulose se dégrade, la teneur en eau libre du bois diminue ainsi que la densité et le poids des matériaux. Le taux d'humidité du bois est à son plus bas niveau, en conséquence, la fréquence des fonds et des tables libres ou couplés aux éclisses s'élève.

 

C’est d’abord le choix du bois qui détermine les qualités acoustiques d’un instrument. Pour fabriquer un violon de soliste, il faut accorder le fond et la table dans une gamme de fréquence restreinte avec un minimum de poids des matériaux pour un maximum de résistance.

 

Les luthiers ont pour habitude de frapper les fonds et les tables bruts afin d’entendre comment ils sonnent et si le son dure longtemps, mais cela n’est pas suffisant. Bien qu’il ne soit pas nécessaire de connaître la célérité et l’élasticité du bois pour choisir un fond et une table bruts, par contre, il est primordial de connaître la hauteur de fréquence des matériaux avant de commencer la fabrication d’un instrument.

 

 

Traitement du bois

 

Concernant le bois des instruments anciens : ils ont perdu une grande partie de leurs hémicelluloses naturellement. Par conséquent, leur capacité maximum à absorber l’eau libre est réduite, ainsi que l’amplitude de fréquence des modes B1- et B1+. Le taux d’humidité du bois s’élève rarement au-dessus de 8%.

Il est possible que les luthiers italiens aient utilisé une ou plusieurs techniques pour accélérer le processus de destruction des hémicelluloses gourmandes en eau libre.

 

Déshydrater le bois n’est pas toujours réalisable au moment souhaité (cela dépend des conditions climatiques et du lieu géographique). Une élévation artificielle de la fréquence du mode 5 par une déshydratation du bois jusqu’à 1% est facile à réaliser avec une cabine UV. Une déshydratation du bois jusqu’à 0% demande des conditions de températures extérieures relativement basses avec un chauffage de l’atelier ou des conditions de sécheresse en été.

 

L'optimisation du poids des tables et des fonds libres, permet de réduire l'énergie nécessaire pour les mettre en vibration. C'est le résultat vers lequel il faut tendre pour obtenir un violon de qualité acoustique élevée, voire exceptionnelle, ce qui dépend essentiellement des matériaux.

 

Pour que les luthiers italiens réussissent leurs meilleurs violons, il leur fallait utiliser une technique d'accord simple et reproductible. Bien que cette technique soit simple en elle-même, le problème le plus récurrent pour accorder le fond et la table ainsi que la fréquence du mode B0, se résume dans l'instabilité hygroscopique des matériaux. Dans un atelier non chauffé, les matériaux doivent être accordés en suivant la courbe d'humidité du bois.

 

Pour connaître la hauteur de fréquence maximum du mode 5 des matériaux libres ou des modes B1- et B1+ du violon monté en blanc, il faut utiliser la technique du fluage en déshydratant les matériaux libres en blanc jusqu’à 1%, afin qu’ils se rétractent aux maximums, puis les réhydrater et les déshydrater de nouveau jusqu’au moment ou le bois ne puisse plus reprendre de l’humidité au taux maximum de 12% à 14%.

Cette technique se réalise soit en lumière naturelle (soleil), soit en lumière artificielle dans une cabine UV fermée avec une température d’environ 40 °C.

 

L’amplitude de fréquences des modes B1- et B1+ d’un violon ancien ou moderne est de 12/14 Hz entre un taux d’humidité du bois de 4% à 8% dans des conditions normales d’utilisation d’un violon.

À chaque relevé de fréquence des modes B1- et B1+ d’un violon neuf ou ancien, selon l’humidité ambiante, la température et la saison, il sera constaté une modification des fréquences de ces modes.

 

Chauffage du bois

 

Il existe deux formes d’eau contenue dans le bois : l’eau libre et l’eau liée aux molécules. Dans certaines conditions de déshydratation de l’air ambiante, le bois peut être anhydre naturellement (plus d’eau libre dans le bois).

 

Le chauffage du bois est une technique permettant d’utiliser des matériaux récents dans de meilleures conditions. La période favorable pour chauffer les bois va du printemps jusqu'à la fin de l’automne dans les pays tempérés, car ils contiennent suffisamment d’eau pour effectuer un chauffage à haute température avec hydrolyse.

Le taux d'humidité de l'air ambiante est élevé pendant cette période, permettant au bois de reprendre de l'humidité rapidement après la procédure et d’utiliser les bois rapidement.

 

Le chauffage du bois à 150/160 °C déclenche le processus de dégradation des hémicelluloses gourmandes en eau libre. La déshydratation et le fluage du fond et de la table libres accélèrent cette dégradation, ce qui limite la reprise d’humidité des matériaux à 8%.

Le chauffage du bois n’améliore pas les caractéristiques intrinsèques des matériaux, mais les rend plus performants dans des conditions d’humidité ambiante élevée (70% à 80%). C’est le but recherché.

 

L’eau jouant le rôle de plastifiant, elle modifie considérablement l’amortissement des matériaux entre un taux de 10% à 13,5%. Les performances du bois sont nettement amoindries. Limiter les capacités hydrophiles des matériaux a pour objectif de restreindre l’amplitude de fréquence de tous les modes de la caisse du violon en blanc ou vernis.

 

Sans chauffage des bois bruts et sans fluage des matériaux libres, l’amplitude de fréquence du mode 5 des matériaux libres en blanc, entre un taux de 12% et 1% est de 36 Hz à 42 Hz.

 

Sans traitement des matériaux, l'amplitude de fréquence des modes C2, B1- et B1+ est d’environ 36 Hz à 42 Hz (l’équivalant des matériaux libres ou le double de la fréquence de couplage).

Il est impératif de réduire cette amplitude de fréquence aux environs de 12/14 Hz entre un taux d’humidité du bois de 8% et 4% (conditions normales d’utilisation d’un violon) par un chauffage et fluage des matériaux.

 

Par conséquent, il est nécessaire de chauffer les bois bruts et ou d’utiliser la technique du fluage sur les matériaux libres afin de réduire leur capacité d’absorption d’humidité du bois à 8%.

L’amplitude de fréquence du mode 5 du fond et de la table barrée libre sera aux environs de 18 Hz à 21 Hz entre un taux d’humidité du bois de 8% et 0%.

 

Il ne faut jamais chauffer les bois de lutherie ayant un taux d’humidité inférieur à 6%.

 

Remarques

 

La cuisson du bois doit être homogène et suivre une procédure rigoureuse, sinon les matériaux peuvent se déformer ou se fendre pour les raisons suivantes :

 

- Exothermie : écart de température trop important entre la surface et le cœur du bois. La montée en température du matériau est trop rapide.

 

- Endothermie : écart de température trop important entre le cœur du bois et la surface. La température du matériau s’est abaissée trop rapidement. Il faut laisser refroidir les matériaux dans le four jusqu'à température ambiante.

 

Quand les matériaux et surtout les fonds sont réellement à 0% d’humidité en hiver, il ne faut pas les chauffer même à 150 °C. Tant que l’humidité de l’air ambiante ne sera pas supérieure à 25%, le bois ne pourra pas reprendre suffisamment d’eau libre, il se déformera en le sculptant. Quand le bois est chauffé entre 190°C et 210 °C, c’est encore pire, car l’eau liée aux molécules s’est évaporée. C’est cette eau qui demande au bois le plus de temps pour la réabsorber. Tant qu’il n’a pas récupéré cette eau, il ne peut pas absorber de l’eau libre.

 

Le taux d’humidité du bois idéal pour accorder les fonds et les tables est de 6%.

 

Fluage

 

Le fluage est le phénomène physique qui provoque la déformation irréversible d'un matériau soumis à une contrainte constante sous l'effet des cycles d'humidité relative entre un maximum et un minimum.

Dans le cas d'un taux d’humidité de 12% suivi d’une rétraction importante après déshydratation du bois (2,5% à 0%), les capacités du bois à reprendre de l’humidité sont réduites au cours des années, les variations de fréquence des modes du fond et de la table du violon sont restreintes.

 

En utilisant la technique du fluage avant l’assemblage de la caisse, la variabilité de la fréquence (amplitude de fréquence) d’un fond et d’une table libres en blanc entre un taux d’humidité du bois de 12% à 0% est d’environ 24 Hz. Sans fluage du bois au préalable, cette variabilité peut s’élever jusqu'à 36 Hz.

Avec les années, le bois va subir un fluage important, les fréquences de tous les modes s’élèvent naturellement et peuvent dépasser les limites critiques, si on n’a pas pris les précautions nécessaires avant de vernir l’instrument.

 

Expérimenter sur des échantillons de bois ne donne pas toujours le même résultat que sur un violon. Les épaisseurs du fond et de la table sont très faibles, ce qui rend cet instrument très sensible au fluage du bois, accélérant le processus de dégradation des hémicelluloses gourmandes en eau libre.

 

Une exposition prolongée du fond et de la table libres au soleil peut s'apparenter à une cuisson à basse température. Les matériaux se rétractent en se déshydratant pour se stabiliser à une valeur minimum.

Le phénomène de déshydratation diminue les capacités du bois à reprendre de l'humidité jusqu'à 12% après le vernissage du violon. Les matériaux ne s'allongent plus ou très peu après une reprise d'humidité, augmentant ainsi leur stabilité. Cette particularité est visible sur des fonds d'instruments anciens ayant subi une forte rétraction après une exposition prolongée au soleil: la surface a l'aspect d'une tôle ondulée.

 

Le problème majeur dans la fabrication du violon est une déshydratation non contrôlée des matériaux, élevant toutes les fréquences de la caisse au-delà des limites critiques avec un désaccord entre les modes B1- et B1+ après le vernissage de l’instrument. Le son du violon est devenu agressif, les cordes saturent, il a perdu cette chaleur qu'il avait avant son vernissage, ce qui a été constaté par de nombreux luthiers.

 

Les bois anciens et récents reprennent ou perdent de l’humidité à la même vitesse. Les bois des instruments anciens (250 à 300 ans) ont perdu une bonne partie de leurs hémicelluloses gourmandes en eau libre en limitant le taux d’humidité du bois entre 0% et 8%. C’est la raison de leurs stabilités et de leurs qualités acoustiques.

 

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