Piano mécanique : fusion de la tradition acoustique et de la précision automatisée

Contexte

Le piano mécanique commence comme un piano standard, acoustique, non-mécanique. Il comporte un clavier, et quand les touches sont frappées, des marteaux en feutre frappent des cordes métalliques accordées pour créer des sons musicaux. L'ensemble complexe de marteaux en feutre et pièces de liaison s'appelle « mécanique de piano ». Cette mécanique peut être actionnée par les doigts du musicien, ou, si le piano est équipé d'un système mécanique, la mécanique peut être actionnée par la « mécanique du joueur » du piano mécanique lui-même.

Le piano mécanique traditionnel, à rouleau, a une mécanique pneumatique (à air) qui actionne la mécanique du piano. Associé à chaque touche est un percuteur, ressemblant à un mini soufflet. À chaque effondrement pneumatique du percuteur, sa touche correspondante est poussée pour jouer. L'ensemble des percuteurs constitue la mécanique du joueur. Cette mécanique « lit la musique » en détectant des perforations codées dans des rouleaux de papier. Cette détection se fait par un système de tubes et valves pneumatiques ; à mesure que les perforations sont notées, le système pneumatique commande aux percuteurs quand s'effondrer. Un moteur à vide électrique ou des pédales actionnées au pied fournissent l'énergie pneumatique.

Le piano mécanique à rouleau traditionnel a plusieurs inconvénients. La mécanique du joueur doit être intégrée lors de l'assemblage ; elle ne peut être ajoutée après. De plus, les percuteurs pneumatiques poussent leurs touches à un seul niveau dynamique, donc les notes sont entendues, mais sans nuances piano ou forte.

Le piano mécanique moderne utilise une mécanique à solénoïdes actionnés électroniquement comme percuteurs. Un solénoïde est une bobine tubulaire qui agit comme un aimant quand un courant électrique la traverse. Les solénoïdes répondent à des signaux MIDI (Musical Instrument Digital Interface), le langage électronique universel des claviers, synthétiseurs et autres instruments électroniques. Le MIDI est bien plus sophistiqué que le système à rouleau, et joue à la fois les notes et la dynamique telles qu'enregistrées par le musicien. Des bibliothèques de musique enregistrée sont stockées sur disquettes ou CD pour que le piano puisse jouervirtuellement n'importe quelle pièce. Avec logiciels et électronique appropriés, le piano mécanique peut aussi jouer chanteurs enregistrés, instruments, ou un orchestre symphonique complet. Grâce au langage MIDI commun, il peut aussi se lier à séquenceurs, boîtes à rythmes, synthétiseurs et ordinateurs.

Histoire

À la mort d'Henri VIII d'Angleterre en 1547, ses instruments de musique furent inventoriés, et parmi eux, « un instrument qui va avec une roue sans qu'on y touche ». Les premiers pianos mécaniques connus furent construits par le facteur de pianos Samuel Bidermann d'Augsbourg, Allemagne. Il équipa trois épinettes (petits pianos droits) de cylindres à goujons similaires aux boîtes à musique, de 1540 à 1622.

L'intérêt pour inventer un piano auto-joueur a resurgi à la fin des années 1890. Plusieurs mécanismes différents furent développés et vendus, mais les rouleaux de papier n'étaient pas interchangeables. Melville Clark, inventeur et concepteur de pianos, développa un rouleau standardisé à 88 notes pour l'industrie, et construisit son piano mécanique Apollo selon ce standard en 1901. En 1908, d'autres fabricants avaient adopté son standard. Les rouleaux étaient perforés par des machines duplicatrices appelées perforateurs à partir d'un rouleau maître servant de modèle. Les rouleaux maîtres étaient laborieusement perforés à la main par des ouvriers qualifiés directement depuis la partition. Pour éviter cette difficulté de production, Clark inventa le « piano marqueur » en 1912. Son piano marqueur perforait les données du rouleau maître pendant que le musicien jouait un morceau. Le piano marqueur fut utilisé de 1912 à 1931.

Les performances historiques d'artistes de l'époque furent préservées en enregistrements live, et le piano marqueur fit des Années folles l'âge d'or du piano mécanique jusqu'à ce que la popularité du phonographe et de la radio le dépasse. En 1926, son année record, plus de 10 millions de rouleaux furent vendus. Le piano marqueur fut retiré en 1931, restauré en 1971 pour enregistrer d'autres artistes exceptionnels, et désigné Monument historique national de génie mécanique en 1992. Après des ventes au plus bas dans les années 1950, les pianos mécaniques à rouleau ont connu un regain dans les années 1970, et pianos mécaniques traditionnels et rouleaux de papier sont encore fabriqués et vendus.

Dans les années 1920, des expériences commencèrent avec dispositifs électriques ou électromagnétiques en lieu et place de la table d'harmonie. Pianos électroniques, claviers, synthétiseurs utilisent circuits électroniques ou pièces métalliques accordées au lieu de cordes pour produire le son. Certains génèrent des sons approchant le piano conventionnel, mais sont surtout valorisés pour produire des effets altérés électroniquement depuis la voix du piano acoustique. Les applications électroniques ont commencé à fusionner avec le piano acoustique dans les années 1970 ; pianos acoustiques (par opposition aux pianos électroniques) furent équipés de composants comme lecteurs de cassettes numériques ou ordinateurs pour permettre au piano acoustique d'être joué via des « cerveaux » et puissance électroniques. Plusieurs grands fabricants produisent maintenant des pianos mécaniques à disque, et systèmes et logiciels sont vendus en kits pour convertir pianos acoustiques en pianos mécaniques. L'instrument inutilisé depuis les leçons de piano de l'école primaire peut ainsi devenir un centre de divertissement. La suite de cet article se concentrera sur la fabrication du piano mécanique à disque.

Matières premières

Essentiellement aucune matière première n'est utilisée directement dans la fabrication des pianos mécaniques à disque. Les fabricants fournissent spécifications aux fournisseurs et achètent les pièces requises. Ces pièces peuvent inclure des pianos acoustiques produits en usine dans lesquels les systèmes mécaniques sont installés.

Conception

Les ingénieurs conçoivent le système de piano mécanique et développent de nouveaux produits. Le service juridique du fabricant effectue simultanément une recherche approfondie de brevets pour que les nouvelles approches n'enfreignent pas les brevets existants, et que les concepts originaux de l'entreprise puissent être brevetés rapidement. Des prototypes sont assemblés à la main, testés, évalués pour commercialisation et faisabilité de construction. Les ingénieurs fournissent détails de conception et spécifications pour chaque composant : pièces électriques, électroniques, mécaniques ; outillage et usinage ou assemblage spéciaux ; exigences pour exploitation, installation, test, maintenance, réparation. Comme peu de pièces peuvent être fabriquées sur site, la recherche de pièces ou fournisseurs capables de les faire peut être mondiale.

Les ingénieurs logiciels doivent aussi fournir la programmation pour que les puces convertissent notes et données représentant expressions musicales en signaux électroniques pilotant les solénoïdes. Plus de 1 000 pages de code peuvent être nécessaires pour cette communication complexe.

Pour attirer un large marché, le piano mécanique doit jouer une large gamme de musique, donc une grande bibliothèque musicale sous forme logicielle a été développée et mise à jour. Les « codes » des rouleaux de piano mécanique traditionnels ne se traduisent pas aisément en langage MIDI, mais les performances réelles sont idéalement adaptées au système numérique car elles transmettent les éléments d'interprétation. Les fabricants maintiennent leurs propres studios d'enregistrement et recrutent des interprètes de renom pour jouer leurs styles pianistiques. Des éditeurs musicaux examinent les performances enregistrées, corrigent erreurs ou incohérences, ou modifient selon les partitions, selon le cas. Le service juridique sécurise contrats, cessions, licences pour musiques et performances.

Le processus de fabrication

Sous-ensemble du joueur

• 1 Le sous-ensemble du joueur est la mécanique du joueur consistant en 88 solénoïdes et plongeurs activés par ordinateur pour mouvoir les touches. Il est fait de pièces préexistantes assemblées sur une ligne combinant assemblage manuel et automatisé. L'électronique, incluant alimentation, boîtier de commande, dispositifs d'activation des touches, interconnexions, est contrôlée par les composants d'un circuit imprimé . Les circuits imprimés en panneau (plusieurs circuits du même type faits sur un grand panneau et séparés après insertion des composants) facilitent l'assemblage automatisé car composants s'ajoutent aisément. Composants d'un même type fournis en longues bobines alimentent un séquenceur automatisé. Le séquenceur vérifie chaque pièce, puis organise un réseau de pièces dans la séquence propre pour insertion dans le circuit. Certaines pièces sont formées, façonnées, insérées dans le circuit par un insertor à trempe automatisé qui vérifie aussi l'adéquation de la pièce. D'autres pièces sont ajoutées à la main.
• 2 Les pièces sont soudées en place en passant le circuit dans une machine à braser par vague. Elle lave le circuit avec du flux pour éliminer contaminants, chauffe le circuit et composants par infrarouge pour réduire le choc thermique lors du brasage, puis passe le dessous du circuit sur une vague de soudure fondue. La soudure remonte chaque composant et perçage du circuit par capillarité à la surface supérieure. Elle refroidit et durcit, fixant les composants.
• 3 Les circuits terminés sont installés dans les boîtiers de commande et testés en assurance qualité. Le logiciel est chargé et les boîtiers activés sur une période de test de deux jours, ou processus de « rodage », simulant le fonctionnement réel du système joueur. Toute défaillance est détectée et corrigée.
• 4 Sur une autre partie de la ligne de sous-ensemble, les solénoïdes et plongeurs sont fabriqués et installés sur un rail ou support. Du fil magnétique est enroulé par machine sur les bases de solénoïdes et scellé en place. Connexions de fil attachées à chaque solénoïde, et ensembles plongeur appariés aux solénoïdes. Solénoïdes et plongeurs assemblés sur rails en aluminium. Selon le fabricant, la configuration solénoïde/plongeur varie, et le rail peut être d'une pièce ou plusieurs sections. Supports de fixation de rail serviront plus tard à monter les solénoïdes sous le clavier. Un assemblage similaire active les pédales du piano.

Bande d'enregistrement

• 5 Le piano mécanique peut aussi enregistrer la musique jouée si une bande d'enregistrement est installée ; cela permet aux élèves ou interprètes de réécouter leur travail et aide les compositeurs à créer et réviser leurs compositions. La bande d'enregistrement consiste en un rail de montage et de minuscules interrupteurs à film électronique gainés de plastique. Il y a un interrupteur ou doigt par touche ; la bande est sensible à la ou aux touches frappées, la durée de leur enfoncement, et la vélocité ou intensité (doux ou fort) par frappe. La bande est reliée électroniquement à l'ordinateur du piano, où les signaux sont traités en messages MIDI. Ces données peuvent être stockées par supports analogiques comme lecteur cassette ou magnétoscope, ou dirigées vers un lecteur de disquette. Elles peuvent être rejouées par le piano ou autre instrument compatible MIDI.

Lecteur de disque

• 6 Le lecteur de disque et autres périphériques sont connectés au piano mécanique via le boîtier de commande. Peut être lecteur de disquette, lecteur CD, ou les deux ; pianos mécaniques peuvent aussi se connecter à magnétoscopes combinés avec téléviseurs ou moniteurs d'ordinateur pour synchroniser paroles pour karaokés ou autres divertissements programmés. La plupart des fabricants achètent ces composants et télécommandes auprès de fournisseurs externes.

Accompagnement et haut-parleurs

• 7 En option, le piano peut jouer avec toutes sortes d'accompagnements enregistrés : voix, autres instruments individuels, ou orchestre. Les « boîtes à sons » pour ces ajouts sont des haut-parleurs électroniques fournis comme accessoires du piano par des vendeurs. Logiciel ajouté pour fournir les autres sons via le système MIDI.

Installation dans le piano

• 8 Sur une autre ligne d'assemblage, le sous-ensemble du joueur et la bande d'enregistrement sont installés dans un piano. Les pianos sont fournis par la division piano du fabricant ou un vendeur externe. Une fente est taillée dans le bois sous le clavier, sans affecter l'intégrité structurelle. Le rail de solénoïdes est monté sous le piano pour que les plongeurs soient sous les queues de touches. La bande d'enregistrement installée de même. Les liaisons de solénoïdes avec pédales connectées, boîtier de commande monté sous le clavier, alimentation fixée sous le piano. La mécanique du piano doit être ajustée à ce stade. Les touches reposent sur coussinets de feutre qui se compressent avec l'usage, donc les pianos sont programmés pour jouer toute une nuit dans un autre processus de rodage. Après un « concert » de 12 heures, le feutre s'est compressé. Puis les composants sont vérifiés pour bon fonctionnement, et la mécanique du piano ajustée selon la compression du feutre. Les pianos sont emballés et expédiés quand l'installation est complète.

Assemblage des kits

• 9 Certains fabricants fournissent leurs systèmes à disque en kits pour rétrofiter pianos standards en pianos mécaniques. Au fur et à mesure que les sous-ensembles finis, boîtiers de commande et alimentations, bandes d'enregistrement sortent des lignes d'assemblage, ils sont emballés et stockés. Les kits sont alors préparés avec ces unités ainsi que lecteurs de disque et accessoires. Les kits sont expédiés à des installateurs spécialement formés pour installer le système du fabricant. L'installation prend généralement jusqu'à deux jours, incluant une session de rodage nocturne après laquelle la mécanique du piano est ajustée et le fonctionnement des composants vérifié comme en usine.

Contrôle qualité

Le contrôle qualité est essentiel à chaque étape de production. À la réception des pièces de fournisseurs mondiaux, elles sont vérifiées pour conformité aux spécifications et autres exigences d'ingénierie. Sur la ligne de sous-ensemble, les ouvriers effectuent des contrôles qualité dans leurs responsabilités. Par exemple, à la sortie des circuits de la machine à braser par vague, l'opérateur inspecte le circuit pour voir que pièces sont soudées en place, pas de ponts de soudure entre composants, et le circuit n'a pas gauchi ou fissuré. L'opérateur surveille aussi la machine pour température de la soudure et fonctionnement global. Les ensembles électroniques doivent aussi satisfaire aux exigences des Laboratoires des Assureurs (UL). Représentants UL visitent fréquemment et aléatoirement les fabricants pour vérifier conformité à leurs matériaux, opérations, codes de sécurité. Autres contrôles qualité, comme les rodages des boîtiers de commande et mécaniques de piano, sont intégrés au processus de fabrication, comme décrit.

L'avenir

Les pianos acoustiques sont des instruments longtemps favorisés des auditeurs, et leur avenir est assuré par le piano mécanique à disque qui fournit les sons et avantages divertissants sans exiger de l'auditeur de devenir virtuose. Les pianos mécaniques à disque ont initié des augmentations substantielles des ventes de pianos, et sont vus comme le secteur de croissance de l'industrie. Dans l'avenir du piano mécanique à disque, les fabricants s'efforcent de reproduire les nuances de performance. La fusion continue des technologies semble probable alors que studios d'enregistrement professionnels servent à saisir la musique et que des méthodes sont trouvées pour lier le piano mécanique à d'autres médias électroniques.