Comment marche une boîte à musique : de la manivelle à l’air

Une boîte à musique joue sans électricité, car c’est toi qui lui fournis l’énergie. En tournant la manivelle ou la clé, tu tends le ressort, une bande d’acier enroulée. Le ressort veut se détendre et, par des engrenages, fait tourner lentement le cylindre, dans lequel sont plantées de petites goupilles. Devant le cylindre se trouve le peigne : une plaque d’acier avec une rangée de dents fines. Une goupille soulève une dent et la lâche, la dent se met à vibrer et une note retentit.

La mélodie est donc écrite dans les goupilles. La position d’une goupille le long du cylindre détermine quelle dent sonne, et sa position sur la circonférence détermine quand elle sonne. La hauteur de chaque note dépend de la longueur et de la masse de la dent, pas de la vitesse de rotation. Tourner plus vite ou plus lentement ne change donc pas les notes, tout au plus le tempo.

Ce qui se passe entre le tour de manivelle et la première note

Entre le tour de manivelle et la première note, l’énergie passe par plusieurs pièces. Tu retrouves chacune d’elles dans une vieille boîte à musique comme dans le mécanisme d’un kit, seulement à une autre taille.

1. Ressort. La manivelle ou la clé le remonte par un cliquet. Le cliquet est une petite dent qui ne laisse passer le mouvement que dans un sens : c’est pourquoi tu entends des clics en remontant et le ressort ne se déroule pas tout seul.
2. Engrenage. Le ressort ne fait pas tourner le cylindre directement. Entre les deux se trouvent des roues dentées qui démultiplient le mouvement pour que le cylindre tourne lentement et qu’une mélodie dure plusieurs dizaines de secondes.
3. Cylindre à goupilles. En tournant, les goupilles rencontrent l’une après l’autre les dents du peigne. Une goupille soulève une dent, la dent glisse et revient en place.
4. Peigne. Chaque dent est comme un petit diapason : une fois lâchée, elle vibre à sa propre vitesse, et tu l’entends comme une note. La vibration passe par le peigne dans le socle et la boîte, qui amplifient le son.
5. Régulateur. C’est une petite hélice à deux pales qui, grâce à l’engrenage, tourne bien plus vite que le cylindre. Plus elle tourne vite, plus l’air la freine, et elle maintient ainsi le tempo de la mélodie.

Sans régulateur, le ressort remonté se détendrait d’un coup. Le cylindre s’emballerait, les goupilles frapperaient les dents au lieu de les pincer doucement et la mélodie se fondrait en un bref son métallique. C’est aussi pourquoi la boîte à musique s’arrête quand l’hélice s’arrête : tout l’engrenage est relié et rien ne bouge tout seul.

Ce qui détermine la mélodie jouée

Deux choses décident de la mélodie : les goupilles du cylindre et l’accord du peigne. Le cylindre est un peu comme une partition enroulée en cercle. Le long du cylindre, c’est la hauteur de la note, car chaque position fait face à une dent. Sur la circonférence, c’est le temps : des goupilles rapprochées font des notes rapides, un écart plus grand une pause plus longue. Un tour de cylindre joue généralement toute la mélodie, puis elle recommence.

Le peigne détermine quelles notes peuvent sonner. Les dents longues vibrent plus lentement et sonnent grave, les courtes vibrent plus vite et sonnent aigu. Pour les notes les plus graves, une dent devrait être trop longue, c’est pourquoi on fixe sous son extrémité un petit poids en plomb qui ralentit la vibration. Le nombre de dents est aussi le nombre de notes que la boîte peut jouer : un petit mécanisme à 18 dents joue une mélodie simple sans accords, les mécanismes plus grands avec plus de dents savent aussi jouer un accompagnement.

Le peigne n’a pas marqué le début de la musique mécanique. Des cylindres à goupilles entraînaient déjà des mécanismes musicaux à clochettes depuis des siècles. En 1796, l’horloger genevois Antoine Favre-Salomon a remplacé la rangée de clochettes par un peigne d’acier, et la musique a ainsi tenu dans une petite boîte. À la fin du XIXe siècle sont apparues des boîtes à disques métalliques interchangeables, si bien qu’une seule boîte pouvait jouer de nombreuses mélodies. Plus tard, le gramophone les a supplantées : il n’inscrit pas la musique dans des goupilles mais dans un sillon ; l’article Tourne-disque : l’aiguille transforme les sillons en musique explique comment l’aiguille le lit.

Pourquoi la mélodie sonne autrement quand tu tournes plus lentement ou plus vite

La hauteur des notes ne change pas quand tu tournes plus lentement ou plus vite. Chaque dent vibre toujours à la même vitesse, que lui donnent sa longueur et sa masse. Seule change la vitesse à laquelle les notes se suivent, c’est-à-dire le tempo. La mélodie paraît alors traînante ou pressée, même si elle joue toujours les mêmes notes. Ce qui se passe exactement dépend de la façon dont la manivelle est reliée au mécanisme :

• La manivelle remonte le ressort. En tournant plus vite, tu remontes seulement le ressort plus tôt. Le régulateur tient ensuite le tempo, et la mélodie joue de la même façon quelle que soit ta vitesse.
• La manivelle fait tourner le cylindre directement, sans ressort ni régulateur. C’est alors ta main qui fixe le tempo : tourner lentement étire la mélodie, tourner vite l’accélère.
• Le ressort se détend. Un ressort entièrement remonté pousse plus fort, et moins fort en se détendant. Le régulateur réduit cette différence, mais en fin de remontage la mélodie peut jouer un peu plus lentement qu’au début.

À un tempo très lent, tu remarques encore autre chose. Après avoir été pincée, la note d’une dent s’éteint peu à peu. Quand la goupille suivante arrive tard, la note précédente s’est déjà tue et la mélodie paraît hachée. Quand une boîte à ressort joue soudain plus lentement qu’elle ne devrait, la cause est plus souvent un frottement dans l’engrenage qu’un ressort faible.

Que regarder sur la maquette : cylindre, peigne et engrenages

Une maquette de boîte à musique en bois a généralement son mécanisme musical sous forme de pièce séparée déjà assemblée, que tu insères dans la maquette selon la notice. Les pièces en bois autour transmettent le mouvement aux figurines ou à d’autres éléments mobiles. Les parties du mécanisme que tu vois et ce qui bouge pendant la musique varient d’une maquette à l’autre : à chaque étape, suis donc la notice de ta maquette. Sur la maquette terminée, observe ces endroits :

• Clé ou manivelle. Tourne-la lentement et observe la résistance. Si la résistance augmente et que tu entends le cliquet en lâchant, tu remontes un ressort et c’est le régulateur qui décide du tempo. Si le mécanisme ne joue que pendant que tu tournes, c’est toi qui contrôles le tempo.
• Cylindre et peigne. Si le mécanisme est visible, regarde de côté l’endroit où les goupilles rencontrent les dents. Pour les notes graves, ce sont les dents longues à une extrémité du peigne qui se soulèvent, pour les aiguës les courtes à l’autre.
• Régulateur. Cherche un petit rotor ou une hélice qui tourne le plus vite de tout pendant la musique. Ne l’arrête pas avec le doigt ni avec un outil : tout le mécanisme s’arrête avec lui, et les pales sont fines.
• Engrenage vers les figurines. Suis les roues dentées qui, à partir du même mouvement, font tourner une figurine ou une autre pièce mobile. Si la mélodie joue mais que la figurine reste immobile, une roue n’est pas engrenée. Vérifie dans la notice quelles roues doivent s’engrener avant de forcer.

Si le mécanisme accroche ou s’arrête lentement pendant qu’il joue, ne cherche pas d’abord le défaut dans le mécanisme musical. Le plus souvent, ce sont les roues ou les axes en bois autour qui frottent. L’article Mécanisme bloqué : trouver le frottement et le supprimer explique comment trouver un tel endroit.

Maquettes avec mécanisme musical à assembler

Questions fréquentes