Brevet FR2695245A1 — publié le 19940304

La présente invention concerne un ensemble de dispositifs, matériels et logiciels, permettant de réaliser un instrument de musique electrophonique portable et autonome qui émule les flûtes à bec usuelles: basse, tenor, alto, soprano, sopranino. Cet instrument peut recevoir des doigtés de type "baroque" ou "moderne". Les flûtes à bec de fabrication traditionnelle se caractérisent par deux propriétés essentielles: la hauteur des sons, bien que légèrement dépendante du souffle, s'obtient par la disposition des doigts sur les trous, les flûtes basses pouvant présenter quelques touches mécaniques. L'abscence d'éléments inertiels permet un jeu très rapide. l'instrumentiste contrôle, par son souffle, le volume so- nore, ce qui permet une infinité de modes d'attaque allant des notes très détachées (staccato) aux notes liées. Pour réaliser un instrument electrophonique présentant des propriétés analogues, nous avons crèé: un bec dans lequel le souffle produit un signal électrique un synthétiseur adapte à l'instrument des touches spécifiques disposées de manière à accepter les doigtés des flûtes, et munies d'éléments de reconnaissance tactile. Le bec d'une flûte traditionnelle focalise le souffle sur le biseau. L'écoulement de l'air oscille, dessus ou dessous le biseau. Un son s'établit, sa hauteur dépend des ouvertures du corps (doigts), son volume est lié à la puissance du souffle. Le bec comporte une pièce en bois absorbant, le bouchon, qui régularise l'émission des salives. Dans l'instrument electrophonique, le bec reçoit le souffle et actionne un capteur qui permet de moduler le son du synthétiseur. Il y a trois problèmes à résoudre: l'élimination des salives et embruns l'isolement électrique du bec la qualité du capteur. L'élimination des salives est à deux niveaux: le bec est réalisé dans un bloc de bois absorbant, et se prolonge par un conduit isolant qui se termine en aval du corps de l'instrument. Les connexions vers les capteurs circulent en zone sèche, la partie terminale des capteurs, située en zone humide, est intrinsèquement isolante (L.E.D et phototransistor, ou fibre optique). Le capteur est constitué par une pièce mobile venant, sous l'action de la vitesse du souffle, interrompre progressivement un circuit optique. Le mode de suspension rappelle celui des galvanomètres, alors que le mode d'action rappelle le tube de Pitot. La dépression crèée par le souffle en aval du capteur est proportionnelle, d'après la loi de Bernoulli, à la vitesse de l'air. Le capteur est donc sensible à la vitesse du souffle. La qualité du capteur nécéssite la solution des pro blèmes spécifiques suivants: temps de reponse inférieur au 1/100 de seconde absence d'oscillations parasites absence de déformation remanente. Par contre la linéarité de la mesure n'est pas un pa ramètre critique. Le principe du capteur, fait l'objet des figures 1 et 2. Le capteur se trouve dans une chambre intercalée sur le trajet du souffle (S' ---- > S) , et comprend: un circuit optique comprenant une source et un capteur ( pratiquement, une diode électroluminescente LED et un phototransistor ou photodiode Ph.T) , se terminant ou non par des éléments de fibre optique, et dont l'axe est perpendiculaire au souffle. un équipage mobile constitué par une suspension, une palette plongeante, et un obturateur. La suspension se compose d'un cadre tendeur élastique CM qui applique une tension mécanique constante aux fils de suspension AD et A'D'. La figure 2c montre que les fils de suspension peuvent être remplacés par un ruban. La palette plongeante PP est collée sur les fils de suspension selon l'une des méthodes indiquées en figures 2a et 2b. L'obturateur OBT est collé sur la palette plongeante. Il est perpendiculaire au circuit optique, c'est-à-dire à l'axe de LED et Ph.T. Le fonctionnement du capteur est éclairé à l'aide des figures 3 et 4. Les fils sont fixés à l'un des bras du cadre en A et A', et à l'autre bras en D et D'. La figure 3, fait apparaitre tout particulièrement les zônes BC et B'C', qui sont les parties centrales des fils collées sur la palette. Notons: e 1 l'angle de rotation de la palette l la longueur de fil non collé AB, CD, A'B', C'D' 2r l'écartement des fils: AA'=DD'=2r I le moment d'inertie de l'équipage mobile par rap port à l'axe de rotation x' O x T la tension de chaque fil, dûe au cadre, dont les bras ont tendance à s'ouvrir. Supposons que la palette ait tourné d'un angle O. Comme on le voit sur la figure 4, A vient en A', B vient en B' tels que A'B'=l, et OB'=OB=r. La composante de la ten sion selon OB' vaut T1=(r/l)*T. Sa projection sur B'B" vaut Tl*sin e, et comme OB" vaut r*cos e, il existe un couple de rappel, qui vaut quatre fois: T*r*sin(2*O) ) / (2*1) Il existe également un couple de torsion global: C*O L'application du théorême de la force vive fournit l'équation et la période des petits mouvements: La tension T provoque donc un couple de rappel en position de repos, et augmente la fréquence, favorisant l'amortissement par l'air des oscillations propres. Encartée de sa position de repos, la palette doit revenir sèchement, sans osciller. Pour cela, elle doit être légère et rigide, et le rapport r/l est critique. Avec le montage de la figure 2b, r est fixé par l'épaisseur de la palette: on doit rechercher la largeur BC qui convient. Si r/l est trop faible, la palette revient en oscillant, et les sons à bas niveau sont désagréables. D'autre part, la masse du cadre (négligée dans le calcul) crée des oscillations indésirables. On doit amortir le cadre (cire ou enroulements de freinage en nylon). Les oscillations résiduelles de toute nature sont éliminees par un filtrage électrique (rf, cf en figure 8). La réalisation pratique du bec, dans un bloc de llx5x 2.5 cm est visualisée en figures 5 et 6. La figure 5 est une coupe longitudinale. L'embouchure, très aplatie, est à droite. Le souffle circule de l'embouchure (Emb.) vers le raccord (Ev.) du tube d'évacuation des salives. Le capteur est logé dans un puits rectangulaire fermé normalement par un couvercle (Couv.) . La coupe laisse apparaître un bras du cadre (CM), les traces des fils, la palette vue de profil, et l'obturateur (OBT). La figure 6 est une vue de dessus, couvercle enlevé. On voit donc le puits rectangulaire du capteur dans lequel on a représenté le cadre (CM) , le haut de la palette et l'obturateur. On voit par transparence la diode électroluminescente et le phototransistor (notés LED et Ph.D). (F) et (F') sont les tenons de fixation du bec. Matériaux utilisables: palette en polystyrène noirci d'épaisseur 1/10 mm, cadre en acier de diamètre 6/10 mm fils de nylon de diamètre 16/100 ou 20/100 de mm. La synthése des sons d'une flûte dans le cadre d'un instrument autonome pose des problèmes spécifiques. Le premier probléme est le suivant. Les touches à action électrique qui, sur notre instrument électrophonique, jouent le même rôle que les trous ou les touches mécaniques d'une flûte, forment bien une sorte de clavier. Mais ce clavier est un clavier de codage, avec plusieurs doigts, d'un son monophonique, et non un clavier de composition de sons polyphoniques. C'est pourquoi, lors d'un changement de note faisant intervenir plusieurs doigts, une simultanéité imparfaite du positionnement des doigts peut provoquer l'apparition de sons indésirables. De tels sons ne peuvent pas se produire sur les systèmes qui simulent des sons de flûtes à partir d'un clavier de composition, mais doivent être éliminés lorsqu'on utilise un clavier de codage. Le second problème est le suivant. L' instrument original présentant un caractère monophonique prononcé, on est tente d'utiliser un synthétiseur monophonique pour générer des notes à volume constant, et d'utiliser les signaux électriques du bec pour moduler le volume. Mais cette méthode ne permet pas de réaliser correctement les notes liées même si l'on prend soin de raccorder les signaux sans discontinuité. L' analyse des sons d'une flûte traditionnelle montre en effet, qu'après un changement de doigté, même pour des notes liées, la disparition du mode oscillatoire précédent et l'apparition d'un nouveau mode oscillatoire coexistent dans une phase transitoire de duree limite. Un synthétiseur pour flûte doit: simuler la phase transitoire au moyen d'un signal forme par addition de la note en cours de jeu, en phase d'attaque douce, et de la note précédente, en phase de décroissance accepter de plus une modulation à partir du bec. Le principe de fonctionnement de la partie matérielle, éclairé par la figure 7, est le suivant. Le microcontrôleur (MC) a deux ports de sortie (P1) et (P2), de huit bits ou plus, sur lesquels il fournit en permanence d'une part la note en jeu, et d'autre part la précédente note jouée. Ces notes se présentent sous forme d'échantillons numériques émis à fréquence fixe. Pour des raisons justifiées ultérieurement dans la description du logiciel, l'affectation des ports est permutée à chaque changement de note. Le logiciel impose successivement les affectations suivantes: note en jeu sur P1 , note précédemment jouée sur P2 note en jeu sur P2 , note précédemment jouée sur P1 note en jeu sur P1 , note précédemment jouée sur P2 etc... Les ports P1 et P2 sont reliés aux entres des convertisseurs numérique-analogique ( CNA1) et ( CNA2 ). On considére que ces circuits, constitués par exemple de réseaux R/2R, produisent un courant de sortie proportionnel à leur tension de référence notée (Réfl) ou (Réf2), et qu'ils sont munis de sorties de courants complémentaires. Supposons, pour simplifier la présentation, que les notes se réduisent à leur terme fondamental. Le microcontrôleur fournit aux convertisseurs des signaux numériques polarisés. Pour des ports 8 bits, ils s'écrivent: P1 = 127*( l+cos(wl*t) ) ( wI=guT on y P2 = 127*( l+cos(w2*t) ) ( w2=pulsation ) Dans ces conditions, la sortie de CNA1 délivre les courants: il+ = ( Refl/(2*R) )*( l+cos (wl*t) il- = ( Réfl/(2*R) )*( 1-cos (wl*t) R désignant la résistance d'entrée du convertisseur. Les sorties de CNA2 fournissent i2+ et i2-. Ces signaux ne sont pas des signaux modulés puisqu'ils contiennent un terme additif dépendant de l'enveloppe. Les résistances de sommation (r), de valeur r R, sont parcourues par des courants: i+ = il+ + i2+ i- = il- + i2 Le signal différentiel prélevé aux bornes des résistances r a donc pour expression: e+ - e- = (r/R) * ( Réfl*cos(wl*t) + Réf2*cos(w2*t) ) Ce signal est un mélange de la note en jeu modulée par l'une des tensions de référence, et de la note jouée précédemment modulée par l'autre tension de référence. Le circuit (T) reçoit du microcontrôleur un signal binaire (Q) qui change d'état à chaque note, et fournit des signaux de modulation: Réel/2 = 5*(t-td)/(tf-td) volts (t étant le temps), pour le convertisseur recevant la note jouée, et pour 1' autre la tension complémentaire telle que Rêfl + Réf2 = 5 volts. Après le régime transitoire, Réf1/2 vaut 5 volts sur le CNA recevant la note jouée, et 0 sur l'autre. Le signal différentiel e+ - e- , prélevé aux bornes des résistances r, est appliqué à un étage de modulation: (MOD) comportant des entrées différentielles, notees (e+) et (e-) , pour le signal musical, et acceptant le signal de modulation (I) venant du bec (BEC). Les sorties différentielles du modulateur, notées (s+) et (s-) sont appliquées aux circuits d'amplification de puissance (A). La modulation par le bec peut être effectuée à l'aide d'un multiplieur intégré: il devra comporter des entrées différentielles, mais on pourra utiliser une sortie simple pour contrôler A. Le microcontrôleur reçoit les signaux des touches du clavier par les lignes d'entrées binaires notées (K) en figure 7, et ( Pa, Pb, 1, 2, 3, 4, 5, 6a, 6b, 7a, 7b en figure 8. Il contrôle le circuit (T) par une (ou plusieurs) ligne de sortie binaire Q. La figure 8 indique un schéma de réalisation qui décrit essentiellement le circuit T et le modulateur car l'amplification basse fréquence est classique. Le circuit T est constitué par deux intégrateurs à transistors (T1) et (T'1), recevant respectivement du microcontrôleur un signal binaire (Q) qui change d'état au début de chaque nouvelle note le signal binaire complémentaire (Q). T1 et T'1 doivent présenter une faible capacité de l'espace base-émetteur ( sinon un signal parasite apparait à la commutation ) . Par ailleurs, la tension de saturation du collecteur aurait pour effet de laisser passer un léger son en l'absence de souffle si elle n'était compensée par un courant de polarisation des résistances r dû aux résistances rl+r2 d'une part, et aux resistances symétriques d'autre part. Les liaisons deviennent douces pour une durée d'intégration rb*cc supérieure à 1/100 seconde, obtenue avec rb=l0 kilohms, cc=l microfarad. Le modulateur (MOD) est constitué par un amplificateur differentiel à deux transistors (T2) et (T'2) dont on met à profit la caractéristique non-lineaire de l'espace base émetteur. Le mode commun introduit en sortie du montage est éliminé par une liaison différentielle à l'amplificateur de puissance. La résistances r2 et la symétrique relèvent le potentiel de base pour augmenter la dynamique des signaux desortie. La résistance rf doit être aussi élevée que possible. Le premier problème posé par le logiciel est le suivant. A la vitesse d'échantillonnage de 48khz, la durée d'un échantillon est d'environ 20 microsecondes. Or, la phase la plus critique, qui consiste à modifier les paramètres du programme de génération des notes, devrait logiquement se dérouler entre l'émission du dernier echantillon d'une note et l'émission du premier échantillon de la note suivante. Prenons comme exemple une méthode dans laquelle on génère des échantillons mémorisés. Les paramètres pourraient être pour chaque note: une adresse de base un index ou numéro d'échantillon le nombre des échantillons. Leur transfert nécessite, en pratique, une part importante du temps disponible, au moins le quart ou la moitié et cela pourrait conduire à abaisser la fréquence d'échantillonnage de manière inacceptable. Le deuxième problème est posé par les aléas de positionnement des doigts, dont on a vu qu'ils pouvaient provoquer des sons indésirables. En ce qui concerne le premier problème, relatif à l'initialisation des paramètres d'une nouvelle note, la solution retenue consiste à utiliser deux programmes identiques, A et B, ayant chacun leurs propres paramètres. Mais A opère lorsque la note jouée est placée sur P1 et la note précédente sur P2. En cas de changement de note, A appelle B qui joue la nouvelle note sur P2, la pré- cédente étant placée sur P1. Chacun de ces programmes prend en charge l'initialisation de l'autre, et dispose maintenant de tout le temps nécessaire. La figure 9 se rapporte aux fonctions des programmes A et B, tandis que la figure 10 concerne leur architecture. La figure 9 montre les signaux émis sur chaque voie au cours d'un changement de note. On voit, pendant l'exé- cution du programme B, la fin du régime transitoire (RT) et l'installation du régime permanent (RP). Le dessin suppose qu'un changement de note est en préparation: durant la dernière periode sur la voie 1, B a réinitialisé les paramètres avec lesquels A contrôle la voie 1, et passe la main à A, juste en fin de période sur la voie 1. On voit alors, au cours de l'éxécution de A, une nouvelle note qui débute sur la voie 1, alors que l'ancienne s'efface progressivement sur la voie 2, puis le régime permanent qui s'installe. Les signaux résiduels, sont très amplifiés sur le dessin. La figure 10 permet de suivre le déroulement du programme. Après une phase d'initialisation 1 dans laquelle un mode spécial d'utilisation des touches permet d'indiquer le type d'instrument émule et son doigte, le logiciel passe le contrôle à A. On peut considérer que A lance en parallèle: l'émission d'échantillons sur la voie 1 (étape 2) l'émission d'échantillons sur la voie 2 (étape 3) la gestion du clavier ( étapes 4, 5, 6, et 7 ou 8 Dans l'étape 4, le programme attend, si nécessaire, la fin de la période en cours sur la voie 2 ( durée S sur la figure 9 ) . Dans l'étape 5, il laisse passer les échantillons de début de période, pendant lesquels il n'y a pas lieu de lire le clavier. Dans l'étape 6, on exécute l'algorithme anti-aléas qui requiert des lectures du clavier. Après cet algorithme, il y a aiguillage vers l'éta- pe 8 (initialisation de la voie 2 en vue d'exécuter le programme B), ou vers l'étape 7 dans laquelle on attend simplement la fin de la période. L'étape 9 est un court aiguillage, lié au résultat de l'algorithme anti-aléas, soit vers l'appel de A, soit vers l'appel de B.Les conditions des transitions sont: a,a'= appels de A,B; c,c'= fin de période en cours; d,d'=fin de comptage avant phase 6; e,e=pas de changement de note; f,f'=changement de note prévu en fin de période; b,b'=fin de période. L'algorithme anti-aléas repose sur les remarques suivantes: les aleas provoqués par un bon joueur, ayant une position convenable des doigts, se situent dans un intervalle de temps: ta Donc un changement de doigté détecte tout au début d' une note, avant l'instant ta, est attribué à une lenteur excessive, et répercuté immédiatement. Par contre, pour tout changement de doigté détecté après une durée d'exécution ta, le programme laisse s'écouler une durée ta, relit le clavier, et lance la nouvelle note. Le déroulement de l'algorithme est illustré figure 11: l'étape 1 est le début de la note (t L'étape 3 termine un régime permanent; elle s'achève sur la transition 31: ta écoulé. On rentre dans l'état 1 avec une nouvelle note. Le raccordement sans discontinuité de phase des échantillons sonores émis sur chaque voie compléte l'action du circuit (T) et évite des bruits trop désagréables lorsqu' une detection de changement de doigté, dûe à une faute, survient au cours de la première étape. Le dernier sujet concerne le remplacement de trous par des touches. Le trou du pouce, sur lequel existent trois positions possibles, est remplace par deux touches paral léles, notées Pa et Pb. Un rehaussement de la touche Pa, située en amont, permet le positionnement aveugle du pouce. On trouve ensuite sur l'instrument les touches 1, 2, 3 (main gauche), puis les touches: 4, 5, 6a, 6b, 7a, 7b (main droite) , les demi-tons étant formés par 6b et 7b. Les touches 6b et 7b sont rehaussées , pour la même raison que Pa. Une vue de l'instrument, montrant les emplacements des touches, fait l'objet de la figure 12. L'instrument prend une forme autorisant l'alignement des touches, de manière à respecter la tenue conventionnelle d'une flûte à bec (Figure 12). REVENDICATIONS 1) Instrument de musique electrophonique caractérisé en ce qu'il comporte un bec dans lequel le souffle produit un signal électrique, un microcontrôleur qui reçoit les signaux issus des touches d'un clavier et qui fournit des échantillons numeriques, des elements de conversion et traitement analogique, dont les signaux sont amenés à un étage modulateur (MOD), lequel reçoit d'autre part le signal de modulation venant du bec, et dont les sorties sont amenées à un amplificateur de puissance. 2) Instrument de musique electrophonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de souffle est constitué d'un circuit optique comportant une source et un élément photosensible situés dans un axe perpendiculaire au souffle; d'un équipage mobile constitue par une suspension, une palette plongeante et un obturateur, ladite suspension étant à fils ou à ruban (AD, A'D') , et comprenant un cadre (CM) plaçant les fils ou le ruban de la suspension sous tension mecanique, ladite palette plongeante etant collée sur les fils de la suspension, et ledit obturateur étant collé sur ladite palette plongeante perpendiculairement au dit circuit optique. 3) Instrument de musique electrophonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le microcontrôleur présente en permanence, sous forme d'échantillons numériques émis à fréquence fixe, la note en jeu sur l'un de ses ports (P1) ou (P2), la précédente note jouée sur l'autre port, l'affectation des ports étant permutée lors de chaque changement de note, et en ce qu'il délivre, de plus, un signal binaire (Q) qui change d'etat à chaque changement de note. 4) Instrument selon la revendication 3, caractérisé en ce ce que les deux ports de sortie du microcontrôleur sont connectés aux entrées de convertisseurs numérique-anal o- gique (CNA1, CNA2) munis de sorties de courants complementaires (il+, il-) pour CNA1 et (i2+, i2-) pour CNA2, les courants il+ et i2+ d'une part, il- et i2- d'autre part étant amenés à des resistances de sommation (r), de maniére à obtenir aux bornes des dites resistances un signal différentiel comportant la note en jeu modulée par l'une des tensions de référence et la note précédente modulée par l'autre tension de référence; de plus, un circuit de contrôle spécifique (T) recevant le signal de changement de note (Q), est conçu de manière à fournir des signaux de modulation (Réfl et Rée2) complementaires, valant 5*(t-td)/(tf-td) volts en régime transitoire, puis 5 volts ensuite, sur le CNA recevant la note jouée; le signal différentiel aux bornes des résistances (r) est amené a l'étage de modulation (MOD), lequel reçoit le signal (I) venant du bec. 5) Instrument selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le logiciel comporte deux programmes (notés A et B) qui différent seulement en ce que A opère lorsque la note jouée est placée sur (P1) et la note précédente sur (P2), tandis que sous contrôle de B la note jouée est placée sur (P2) et la précédente sur (P1), tels que A étant maître, le microcontrôleur effectue en parallèle l'émission d'echantillons sur la voie 1, l'e- mission d'échantillons sur la voie 2, la gestion du clavier; ladite gestion comportant une synchronisation par rapport à la période en cours sur la voie 2, une execu- tion d'un algorithme qualifié d'anti-aléas qui requiert des lectures du clavier et qui est suivi soit par l'initialisation de la voie 2 en vue d'exécuter le programme B soit par une simple attente sur la fin de periode, le programme A se terminant alors par un rebouclage (appel de A) ou un appel de B, selon le résultat de l'algorithme anti-aléas; l'enchaînement des programmes A et B et de leurs étapes apparaît sur le gray cet de la figure 10. 6) Instrument selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un changement de doigté detecté au début de l'exécution d'une note , c'est à dire avant une durée ta inférieure à celle de la note la plus courte, est répercuté immédiatement, alors qu'un changement de doigté détecté après la durée ta n'entraîne un changement de note qu'après un delai et une nouvelle lecture des touches; le logiciel de mise en oeuvre distingue au cours de l'exécution d'une note l'étape 1 (debut de la note) qui se termine si une durée ta s'est écoulée, ou si un changement de doigté a été détecté, l'étape 2 qui se termine par la détection d'un changement de doigte, et l'étape 3 caractérisée par sa durée ( ta écoulé ); ce logiciel dit anti-aléas, est appelé par les programmes A ou B et décide de leur enchaînement (appel de A ou appel de B) 7) Instrument de musique electrophonique selon la revendication 1 caractérisé par des touches à action electrique, formant une sorte de clavier destiné à coder et non à composer des sons, disposées de manière à accepter les doigtés des flûtes, le trou du pouce étant remplacé par deux touches parallèles (Pa) (Pb) (figure 12), la touche Pa située en amont étant rehaussée, l'instrument comportant encore les touches 1 à 3 (main gauche), puis les touches 4, 5, 6a, 6b, 7a, 7b (main droite), les demitons étant formés par 6b et 7b, ces deux dernières touches etant rehaussées.