Joseph Hamel
Joseph HAMEL
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Joseph Hamel

Les chapitres

Prélude
Introduction
Plan

I Lexique (PDF 6,1 Mo)


II Description de mes orgues
L'Univers des petits orgues

Orgue n° 1
Orgue n° 2
Orgue n° 3
Orgue n° 4
Orgue n° 5
Claviorganum ou Clavecin organisé

III Fabrication
Tuyaux
Sommiers
Claviers
Transmission
Soufflerie
Soufflet à membrane
Réflexions sur ces instruments
Tailles et dimensions

IV Éléments techniques pour la mise en œuvre d'un "ventilateur intelligent"
1. Moteurs et contrôleurs
2. 1er circuit de test
3. Utilisation d'un capteur de distance
4. Régulation proportionnelle
5. Régulation P.I.D.
6. Téléchargement des programmes

 

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Quelques liens


 

 


La soufflerie

Joseph HamelLa qualité musicale d'un orgue dépend beaucoup de celle du vent que l'on fournit ! On doit disposer d'un air à pression constante, quelque soit le débit demandé. De plus, le vent délivré par la soufflerie doit être « calme », c'est-à-dire sans turbulences et sa production doit être la plus silencieuse possible. Ce dernier point est extrêmement important ; mes instruments sonnent habituellement à mon domicile, dans des locaux peu volumineux et le bruit du ventilateur peut être vite gênant... Ce problème est évidemment beaucoup moins sensible dans de grands locaux.
Joseph HamelCe chapitre comporte 2 parties : j'expose d'abord la description d'une méthode très traditionnelle que, naturellement, j'ai utilisée depuis mes débuts en facture d'orgues mais que je viens d'abandonner depuis quelques mois. C'est cette « ancienne » méthode qui était en œuvre dans les descriptions d'orgues que j'ai faites aux précédents chapitres, il faudrait en effectuer une mise à jour ! Dans une deuxième partie, je présente une soufflerie originale qui apporte une amélioration que j'estime importante et que je viens de développer grâce à la collaboration très efficace d'un ami(*) dont les compétences dans le domaine de la physique et particulièrement de l'électronique ne sont plus à démontrer.

 

Méthode ancienne et traditionnelle


Joseph HamelLa soufflerie se compose d'un ventilateur électrique et d'un dispositif pour réguler la pression. La description en est faite dans le lexique ainsi que dans les descriptions détaillées de mes 5 orgues ; je ne décris, ici, que la réalisation du ventilateur. Le ventilateur doit pouvoir donner une pression de l'ordre de 10 cm d'eau avec un débit suffisant pour faire parler 4 à 5 jeux. Si la pression se mesure sans difficulté avec un simple tube en U réalisé avec un morceau de tuyau souple transparent d'un diamètre voisin de 1 cm que l'on replie et dans lequel on introduit un peu d'eau, il n'en n'est pas de même pour le débit que... malheureusement, je ne sais pas mesurer !

Joseph HamelUne solution triviale consisterait à acheter un ventilateur chez un fournisseur de matériel pour orgues. Malheureusement, c'est une solution financièrement très coûteuse. Ayant à alimenter 5 petits orgues, j'ai dû me tourner vers une réalisation artisanale et empirique. La construction du ventilateur nécessite un moteur électrique, une turbine centrifuge et un carter. Un moteur électrique asynchrone alimenté par le secteur, d'une puissance comprise entre 50 et 100 Watts, pouvant fonctionner longtemps sans échauffement et tournant silencieusement à 2800 tours par minute est parfaitement adapté. La turbine centrifuge est une réalisation « artisanale ». N'étant pas spécialiste dans le domaine de la dynamique des fluides, ma solution est le fruit de nombreux essais en faisant varier ses paramètres physiques, jusqu'à une optimisation... Pour minimiser les effets de déséquilibre et de vibrations lors de sa rotation, j'ai choisi de la fabriquer dans un matériau ultra léger. J'utilise du polystyrène en plaque épaisse de 3 mm (dépron) ou, beaucoup mieux, un matériau que l'on trouve dans les magasins de fournitures de bureau appelé « carton plume » ; c'est une feuille de mousse de polyuréthane sur laquelle sont collées, de part et d'autre, deux feuilles de papier blanc couché. Ce matériau, assez résistant, et léger comme son nom l'indique, se colle aisément avec une colle blanche du genre « colle à bois ». Cette turbine est faite à partir d'un disque circulaire sur lequel je colle les ailettes. Je recouvre l'ensemble par un autre disque qui possède une ouverture circulaire centrale pour l'admission de l'air. Tout est découpé avec un simple « cutter » et « rectifié » avec un modeste tour à bois. Les pales ou ailettes sont droites et ne sont pas radiales. Elles font un petit angle avec le diamètre qui joint les extrémités de 2 pales opposées.. Sur les photos, la position des pales correspond à un sens de rotation contraire à celui des aiguilles d'une montre. Le diamètre du disque est 24 cm (cette valeur est imposée par la pression désirée et la vitesse de rotation). Il y a 12 pales hautes de 2,5 cm.

 

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Le disque muni des 12 pales "inclinées".

 

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La turbine achevée. Je colle une collerette en sur- épaisseur autour du trou central d'aspiration.
Une petite pièce en bois tourné permet la fixation sur le moteur.

 

Joseph HamelLa volute est faite en bois. La partie latérale cintrée est faite par une technique de « lamellé-collé » en collant des bandes de médium épaisses de 3 mm.

 

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2 ventilateurs.

 

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Les 2 ventilateurs ouverts montrant la turbine à l'intérieur.

     
(*) Yves Monfort    
 
     

 

Une innovation ou « Un ventilateur intelligent » !


Joseph HamelL'utilisation de moteurs asynchrones 50 Hz impose une vitesse de rotation maximale voisine de 3000 tours/mn, ce qui nécessite un diamètre de turbine d'environ 25 cm pour avoir une pression voisine de 10 cm d'eau. Pour augmenter cette vitesse, ce qui permettrait de réduire l'encombrement de la turbine, il faut avoir recours à des dispositifs électroniques de variation de fréquence appelés variateurs. Mais ces moteurs ainsi commandés présentent de l'inertie qui, associée aux temps de réponse des systèmes électroniques, limite l'efficacité d'une commande brusque d'une variation de vitesse, nous allons voir ultérieurement l'intérêt d'une telle variation !
Joseph HamelDepuis quelque temps, les aéromodélistes (mon ami Yves pratique cette activité et c'est ainsi que nous avons entrepris notre collaboration) équipent leurs avions de moteurs électriques puissants extrêmement performants, pouvant tourner à des vitesses supérieures à 10000 tours/mn et que l'on peut faire varier très rapidement (les nécessités de pilotage imposent évidemment ces contraintes). Ces moteurs à courant continu portent le nom de « moteur brushless ». La photo montre un tel moteur qui, malgré sa très petite taille, peut fournir une puissance de 150 Watts !

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Un moteur "brushless"

 

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Une turbine


Joseph HamelCes merveilleux petits moteurs étant disponibles commercialement avec les circuits électroniques de commande (appelés contrôleurs) à des prix très abordables, nous avons entrepris de les mettre en œuvre pour la réalisation de ventilateurs centrifuges. Le grand changement immédiat réside dans les dimensions de la turbine. J'utilise maintenant des turbines de 9 cm de diamètre construites en carton-plume épais de 3 mm. Elles sont munies de 6 pales hautes de 13 mm qui font un petit angle avec le rayon, selon le schéma suivant. Le trou d'aspiration a un diamètre de 4 cm.

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Schéma de la turbine.

 

 

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La turbine assemblée.

 

Joseph HamelLa volute, en médium, est cylindrique. La turbine est positionnée axialement, l'espace latéral entre la volute et la turbine est constant, il est presque égal au rayon de la turbine. La distance entre les flasques de la volute et les disques de la turbine est voisine de un centimètre. Au niveau du trou central pour l'entrée de l'air, une adaptation permet un écart d'environ un millimètre.

 

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La volute. Le fond est découpé dans une planche épaisse de 16 mm.
Les parois latérales sont faites avec 3 couches de médium épaisses de 3 mm, collées.

 

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Le fond de la volute avec l'emplacement du cylindre qui contient le moteur collé sur de la mousse en PVC afin d'éviter les vibrations. On voit le moteur sur le côté droit.

 

Joseph HamelL'alimentation électrique se fait sous 12 Volts (cc) et nécessite quelques Ampères. Un circuit d'électronique numérique permet très simplement de commander la vitesse de rotation entre 0 et 12.000 tours/mn à l'aide d'une tension comprise entre 0 et 5 Volts. La courbe ci-dessous montre la pression à vide (débit nul) en fonction de cette tension de commande.

 

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Pression (cm d'eau) en fonction de la tension de commande (V).

 

 

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Un ventilateur muni d'un moteur brushless (la présence du tournevis permet de se faire une idée des dimensions).

 


Joseph HamelDisposant d'un ventilateur dont le régime peut très facilement varier grâce à un signal de commande compris entre 0 et 5 Volts, j'ai mis en œuvre un nouveau mode de régulation de la pression dans mes orgues. Le système mécanique traditionnel de « vanne » d'admission commandée par l'élévation de la table d'un soufflet a été radicalement abandonné. Il suffit alors de relier directement le ventilateur aux sommiers de l'instrument et d'imposer un régime de rotation permettant une pression stable. Un avantage évident est lié au fait que lorsque l'on ne joue pas, le moteur tourne à son régime minimum pour assurer la pression désirée, le bruit du ventilateur est alors réduit à son minimum. Le moteur accélère lorsqu'on demande du vent pour faire parler les tuyaux. Le bruit parasite (faible !) s'accroît lorsque l'orgue augmente son niveau d'émission sonore. En termes de physicien, on optimise ainsi le « rapport du signal au bruit » !
Joseph HamelPour faire tourner le moteur à la bonne vitesse, je garde un soufflet à membrane (cliquez ici pour voir la page sur la Fabrication du « soufflet à membrane ») chargé de poids correspondants à la pression désirée. C'est l'élévation de la table ainsi chargée qui détermine la tension de commande. Deux méthodes assez différentes apportent une solution. Elles présentent chacune des avantages certains. La première méthode, la plus élémentaire, utilise un simple potentiomètre mono-tour couplé à la table par à une ficelle et une poulie. On obtient ainsi très facilement une tension qui croît lorsque la table du soufflet descend. Une demande de vent provoque un abaissement de la table qui est immédiatement compensé par un accroissement de la pression délivrée par le ventilateur. Cette pression est donc ainsi très bien stabilisée. Une seconde méthode plus élégante permet d'effectuer la même fonction sans contact, il n'y a donc plus d'usure possible du dispositif. Un simple capteur optique mesure la position de la table et génère directement la tension de commande. Par bonheur, on trouve de tels capteurs répondant exactement au besoin et que l'on peut utiliser directement sans adaptation électronique. De plus, leur prix n'est pas très élevé... Le schéma de principe de cette dernière méthode est représenté sur la figure suivante.

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Schéma de la régulation de pression par le contrôle de la vitesse du moteur avec un capteur optique qui mesure le déplacement de la table du "soufflet" .
V : Ventilateur brushless.
S : Sommier de l'orgue.
C.O : Capteur optique de distance.
T : Table du soufflet.
E : Circuit électronique de commande du moteur.

 

 

Régulation avec un potentiomètre :

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Une poulie transforme le mouvement rectiligne vertical de la table en rotation de l'axe du potentiomètre.
Une simple ficelle et un ressort de rappel assurent cette fonction.

 

Régulation avec un capteur optique de distance :

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Le capteur est déporté à l'extérieur, un petit écran blanc au bout d'un levier permet au capteur une mesure de l'élévation du soufflet.

 

 

Joseph HamelConstatant l'amélioration évidente obtenue avec ce mode de soufflerie, j'en ai systématiquement équipé tous mes instruments. Il en résulte :
Joseph Hamel– moins de bruit du ventilateur.
Joseph Hamel– Un vent beaucoup plus stable et limpide (absence de turbulences)
Joseph Hamel– Une pression sans secousses.

Remarque : J'obtiens, en plus, une réduction importante du bruit résiduel en plaçant un « piège à bruit » à la sortie du ventilateur. C'est une simple boite en bois, parallélépipédique, tapissée intérieurement d'une mousse absorbante. L'air rentre d'un côté et ressort par une autre face.

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Pour permettre une mise en œuvre efficace de cette nouvelle méthode de soufflerie, en particulier pour faire tourner le moteur brushless, Yves MONFORT a très généreusement accepté de faire partager ses talents d'électronicien. Nous lui devons donc le chapitre suivant.

Cliquez ici pour accéder au chapitre sur le moteur brushless.

 

     
 
                 
   
 

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• www.lartdunfacteurdorguesamateur.fr • 

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