Projet ANR-11-PDOC-0010 – IMAREV : Instruments de Musique Actifs avec REglages Virtuels
Programme : Retour Post-Doctorants (RPDOC)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Adrien MAMOU-MANI (INSTITUT DE RECHERCHE ET DE COORDINATION ACOUSTIQUE-MUSIQUE ( IRCAM ))
Partenaires : Sciences et Technologies de la Musique et du Son
Montant : 423600.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Instruments de Musique Actifs avec Réglages VirtuelsChangement de qualité d’un instrument de musique par contrôle actif
Concevoir de nouveaux instruments de musique grâce au contrôle actifDepuis une cinquantaine d’années, les sciences et technologies de la synthèse sonore ont permis de créer et contrôler des nouveaux sons à partir de synthétiseurs. Pourtant, des centaines de millions d'instruments acoustiques sont toujours utilisés dans le monde. En effet, l'interaction avec les claviers numériques et la diffusion par des haut-parleurs sont extrêmement pauvres comparées aux subtilités des instruments de musique acoustiques. Une famille d'instruments de musiques innovants s'est développée ces dernières années, appelée Instruments Actifs. Leur principe est basé sur l'utilisation d'instruments acoustiques contrôlés par feedback avec du traitement et de la synthèse sonore, en vue d'étendre les possibilités sonores des instruments. Le son final est ainsi hybride. Il provient de la superposition de la vibration acoustique (ou mécanique) et de son traitement numérique. Les instruments actifs ont un avantage important sur les synthétiseurs: l'interface avec le musicien reste l'instrument acoustique, tout en incluant les potentialités de la synthèse sonore. Pourtant, les Instruments Actifs ne sont pas aussi diffusés que les synthétiseurs. En effet, il n'y a pas encore de méthodologie et d'outils unifiés pour la conception et la fabrication d'Instruments Actifs. Le but de ce projet est de développer des modèles, algorithmes et appareils permettant la création d'Instruments Actifs optimisés, de manière unifiée. Les modèles intègreront des «réglages virtuels« qui sont des paramètres déduits de la connaissance et des réglages des fabricants d'instruments. Ceci permettra un contrôle intuitif par les musiciens ainsi qu'une simplification de la complexité de la conception des Instruments Actifs.
Le contrôle actif modalLa qualité d’un instrument de musique est reliée à ses propriétés vibratoires, par exemple les modes propres de vibration de la table d’harmonie d’un instrument à cordes ou encore ceux du tuyau résonant pour un instrument à vent. La fabrication et les réglages des instruments agissent directement sur ces modes propres de vibration. Ainsi, modifier la qualité d’un instrument revient à modifier ses modes propres de vibration.	L’approche dite de « Contrôle Actif Modal » consiste à modifier les caractéristiques modales d’un système par contrôle actif. L’action se fait sur le vecteur d’état écrit sur base modale. Cette approche est donc bien adaptée aux instruments de musique.
Résumé de la soumission : Dans les cinquante dernières années, les sciences et technologies de la synthèse sonore ont permis de créer et contrôler des nouveaux sons à partir de synthétiseurs. Pourtant, des centaines de millions d'instruments acoustiques sont toujours utilisés dans le monde. En effet, l'interaction avec les claviers numériques et la diffusion par des haut-parleurs est extrêmement pauvres comparée aux subtilités des instruments de musique acoustiques.Une famille d'instruments de musiques innovants s'est développée ces dernières années, appelée Instruments Actifs. Leur principe est basé sur l'utilisation d'instruments acoustiques contrôlés par feedback avec du traitement et de la synthèse sonore, en vue d'étendre les possibilités sonores des instruments. Le son final est ainsi hybride. Il provient de la superposition de la vibration acoustique (ou mécanique) et de son traitement numérique. Les instruments actifs ont un avantage important sur les synthétiseurs: l'interface avec le musicien reste l'instrument acoustique, tout en incluant les potentialités de la synthèse sonore. Pourtant, les Instruments Actifs ne sont pas aussi diffusés que les synthétiseurs. En effet, il n'y a pas encore de méthodologie et d'outils unifiés pour la conception et la fabrication d'Instruments Actifs. Le but de ce projet est de développer des modèles, algorithmes et appareils permettant la création d'Instruments Actifs optimisés, de manière unifiée. Les modèles intègreront des "réglages virtuels" qui sont des paramètres déduits de la connaissance et des réglages des fabricants d'instruments. Ceci permettra un contrôle intuitif par les musiciens ainsi qu'une simplification de la complexité de la conception des Instruments Actifs. La qualité de la modélisation des "réglages virtuels" sera évaluée à partir de la synthèse sonore par modèle physique et sera ensuite incorporée dans les Instruments Actifs. En plus de l'application à la création musicale, ce projet permettra de créer des instruments avec une qualité "réglable" utilisant un traitement numérique après la fabrication.Ce projet est une recherche fondamentale, avec des applications à la création musicale, la fabrication des instruments de musique et au domaine du contrôle actif.
Résultats : Un instrument à corde simplifié a été construit. Appelé « monocorde », il est constitué d’une corde en acier tendu et d’une table d’harmonie rectangulaire en épicéa encastrée sur tout son contour, reliés par un petit chevalet de bois. Une analyse modale de la table d’harmonie a été effectuée par vibrométrie laser. L’identification des paramètres modaux (fréquences, amortissements) a été effectuée à l’aide du logiciel Modan. L’influence de la tension de la corde sur les propriétés modales de la table a été mesurée. Un système de contrôle modal a été implémenté sous Simulink. Il est constitué d’un observateur de Luenberger qui permet de reconstruire le vecteur d’état du système à partir de la mesure et d’un contrôleur dont les gains sont calculés par placement de pôles. Ce système de contrôle a été validé sur une simulation de la table d’harmonie du monocorde, en montrant la possibilité de modifier fréquences et amortissements des modes de vibration. Les conséquences du contrôle sur le résultat sonore ont été analysées à l’aide d’une synthèse sonore faite pour une excitation de type corde frottée (générée par le logiciel de synthèse sonore par modélisation physique Modalys) comme perturbation à l’entrée de la simulation. 
Un instrument à vent simplifié a aussi été construit. Simple tuyau cylindrique ouvert, il contient également un microphone à électret et un haut-parleur collocalisés latéralement au tuyau. L’identification des modes propres du système a été effectuée par une mesure de l’impédance d’entrée à l’aide du système BIAS. Les déformées modales ont été obtenues par des mesures microphoniques en 100 positions dans le système. Un système de contrôle modal a été implémenté de la même manière que pour le monocorde et a été validé sur une simulation d’un tuyau cylindrique. Les paramètres modaux obtenus en boucle fermée ont été entrés dans le logiciel Modalys. Les conséquences du contrôle sur le son et la jouabilité de l’instrument ont ainsi pu être évaluées.
Perspectives : A court terme, plusieurs familles de transducteurs (capteurs et excitateurs) seront modélisées et évaluées selon des critères tels que la qualité du couplage avec l’instrument et la facilité d’intégration. Le nombre et le positionnement des transducteurs seront déterminés grâce à des procédures d’optimisation (ex. algorithmes génétiques) sur des critères d’efficacité acoustique. Les effets du contrôle seront alors étudiés à l’aide d’analyses acoustiques (temporelles et spectrales) ainsi que de tests psychoacoustiques (discrimination et catégorisation). Une fois l’approche validée sur des instruments simplifiés, elle sera étendue à des instruments réels. Une plateforme matérielle et logicielle sera alors développée et transférée aux musiciens souhaitant intégrer ces systèmes dans leurs instruments. Un travail de développement informatique pour les systèmes embarqués temps-réels sera alors nécessaire.
Publications et brevets : 2012 S. Benacchio, A. Mamou-Mani, B. Chomette and R. Caussé, Active control applied to string instruments, Acoustics 2012, April 2012, Nantes
2012 T. Meurisse, A. Mamou-Mani, R. Caussé and D. Sharp, Active control applied to wind instruments, Acoustics 2012, April 2012, Nantes
Ces articles présentent l’application du contrôle modal sur la simulation d’un instrument à cordes et d’un instrument à vent. Les fréquences et les amortissements des instruments simulés sont modifiés. On peut ainsi apprécier les effets du contrôle sur le son produit par ces instruments virtuels.