Brevet FR2704968A1 — publié le 19941110

PIANO ELECTR0-MECANIOUE La présente invention concerne un piano. Un piano classique est un instrument de musique qui comprend des cordes susceptibles d'être frappées par des marteaux, un clavier et un système de liaison mécanique entre chaque touche du clavier et un marteau. Ce système de liaison mécanique est 1 un des éléments clef d'un piano et a fait l'objet de nombreuses études et de nombreux perfectionnements notamment en ce qui concerne les systèmes dits à échappement simple et à double échappement. La figure 1 illustre tries schématiquement un tel système de liaison entre une touche et un marteau. Une corde 1 fixée au cadre du piano, symbolisé par des hachures, est susceptible d'être frappée par un marteau 2 et, en l'absence d'actionnement, d'être amortie par un étouffoir 3. La tête du marteau, généralement munie d'un feutre, est reliée par un manche 4 à un axe 6. Une touche 10 est articulée autour d'un axe 11 et est susceptible de lancer le marteau vers la corde par 1 'intermé- diaire d'un levier de lancement 13 rappelé par un ressort R. Un système de came 14, 15 fait que, après une course propulsive initiale, le levier de lancement 13 "échappe" par rapport à la zone 15 au niveau de laquelle l'extrémité de ce levier appuie sur le manche du marteau.Ainsi, une impulsion initiale sur la touche lance le marteau et l'amène à frapper la corde tandis qu'un déplacement lent de la touche n' a pas d'action. Pour éviter des rebonds du marteau, il est prévu une pièce 17, dite attrappe, qui amortit le retour de ce marteau. Un manche 19 de l'étouffoir 3 est également sollicité par la touche quand celle-ci est pressée et l'étouffoir 3 est alors éloigné de la corde puis revient en place sous l'effet de sa propre inertie quand la touche est rel chée. La représentation de la figure 1 et la description cidessus sont extrêmement succintes et sont uniquement destinées à rappeler qu'un mécanisme de liaison touche/marteau est un méca- nisme complexe dans un piano. Ce mécanisme est délicat à fabri quer et sus susceptible d'usure ou de déréglage. Son réglage, son remplacement et sa réparation sont difficiles et exigent de faire appel à des spécialistes hautement qualifiés qui sont à notre époque de moins en moins nombreux. Par ailleurs, on connaît des pianos électroniques dans lesquels il n' existe plus de cordes mais des systemes électroniques à oscillateur et haut-parleur qui visent à reproduire la sonorité de cordes frappées ou pincées. En fait, ces instruments électroniques, incluant des pianos numériques, des synthétiseurs et des orgues électroniques, constituent des instruments différents des pianos traditionnels car ils n' arrivent jamais à reproduire exactement les sonorités de cordes frappées mais permettent par contre de nouvelles possibilités musicales. On connaît également des systèmes pneumatiques ou mécano-pneumatiques dans lesquels les marteaux d'un piano sans clavier sont propulsés par un jet d'air pénétrant dans 1' instru- ment grâce aux perforations d'un rouleau de papier en correspondanse avec les trous d'une règle. Ces systèmes sont généralement relativement primitifs et le mode d 'enregistrement ne permet pas de fournir une musique de la même qualité que celle jouée sur un piano classique. Dans le but de rendre le clavier d'un piano électronique similaire dans son toucher au clavier d'un piano classique à liaison mécanique entre touche et marteau, le brevet américain 5 107 262, Claude Cadoz et al., "Modular Retroective Keyboard and a Flat Modular Actuator" décrit un clavier constitué d'éléments modulaires à moteurs/capteurs couplés à un ordinateur, dont chacun peut simuler exactement le comportement d'une touche de piano classique ou d'un autre instrument à clavier. Les signaux émis par ces modules sont codés de diverses manières et envoyés à un ordinateur qui les gère pour les mémoriser ou actionner classiquement un piano électronique ou autre synthétiseur. Une approche du mode de simulation rétro-actif et de codage adapté à des systèmes musicaux est par exemple décrite dans Computer Music Journal, Volume 8, NO 3, 1984, pp 60-73, C. Cadoz et al., "Responsive Input Devices and Sound Synthesis Simulation of Instrumental Mechanism: The CORDIS System" ; dans International Computer Music Conference Proceedings 1986, J. L. Florens et al., "Optimized Real Time Simulation of Objects for Musical Synthesis and Animated Images Synthesis" ; et dans Computer Music Journal, Volume 17, N" 1, 1993, pp 19-29, C. Cadoz et al., "CORDIS-ANIMA: A Modeling and Simulation System for Sound and Image Synthesis- the General Formation". De plus, il est exposé dans le brevet américain susmentionné que des moteurs/capteurs ayant une fonction de clavier peuvent également constituer des actionneurs. En ce cas, le processeur fournissant un signal de commande de rétroaction en réponse au signal de la touche est commandé par un signal image de celui normalement fourni par la touche. Un objet de la présente invention est de prévoir un piano structurellement identique dans sa partie génératrice de son (cordes frappées) à un piano classique, et dont le système de frappe de corde soit simplifié Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel piano présentant un clavier fonctionnellement identique pour l'utilisateur au clavier d'un piano classique mais dans lequel le mécanisme de liaison touche/marteau soit simplifié. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un piano pouvant se comporter de façon strictement identique à un piano classique mais muni de possibilités supplémentaires d'enregistrement et de modification du jeu du pianiste ou de modification des sons fournis. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un piano comprenant conne moyen d'actionnement de chacun de ses marteaux un moteur/capteur électrique commandé par ordinateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque touche du clavier de ce piano est constituée d'un moteur/ capteur modulaire plat couplé à un système de traitement et dont les signaux de sortie déterminent, par l'intermédiaire de ce système de traitement, le déplacement de l'un au moins desdits moteurs/capteurs. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ce piano comprend des moyens pour mémoriser la séquence des signaux produits par chaque actionnement de touche. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque moteur/capteur d'actionnement et de touche est relié à un bus de signal d'un processeur de traitement par une liaison aller comprenant un capteur de position et un convertisseur analogique/numérique et une liaison retour comprenant un convertisseur numérique/analogique et un amplificateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le processeur de traitement est associé à une horloge d'échantillonnage et prend en compte les informations de position de chaque convertisseur analogique/numérique à chaque temps d 'hor- loge et fournit des informations de réaction à chaque convertisseur numérique/analogique à chaque temps d' horloge suivant. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente très schématiquement un mécanisme de liaison touche/marteau d'un piano classique la figure 2 représente un système de liaison touche/ marteau selon la présente invention ; et la figure 3 est un schéma plus détaillé d'un mode de réalisation d'un système de liaison touche/marteau selon la présente invention. Dans la description suivante, on supposera connue la demande de brevet européen 365 441 ainsi que le brevet américain 5 107 262 qui revendiquent tous deux la priorité de la demande de brevet français 88/14064 du demandeur. Dans le système selon la présente invention illustré en figure 2, on retrouve une corde 1 fixée à un cadre de piano, ces deux éléments n'étant en rien modifiés par rapport à un piano classique. Commue précédemment, la corde est susceptible d'être frappée par une tête de marteau 2 et amortie par un étouffoir 3. Mais, selon la présente invention, le marteau et l'étouffoir sont montés sur la tête 30 de l'axe d'un moteur/ capteur 31 commandé par un micro-contrôleur ou ordinateur 34. Une première liaison 35 fournit au moteur 31 les signaux de commande en provenance de l'ordinateur 34 et une deuxième liaison 36 renvoie à l'ordinateur 34 une information, captee par le capteur du moteur/capteur sur les positions et les déplacements du marteau à chaque instant quand il se déplace puis qu'il frappe la corde 1. Une réalisation d'un actionneur modulaire plat pouvant servir de moteur/capteur 31 est décrite dans les brevets cités précédemment. On notera que 1 'écart classique entre cordes est du même ordre de grandeur que l'écart entre touches d'un clavier et donc que la réalisation des actionneurs modulaires plats permettant de satisfaire aux contraintes dimensionnelles d'un clavier convient pour la réalisation d'un moteur/capteur 31 selon la présente invention. L'ordinateur 34 peut commander les divers moteurs 31 de façon arbitraire sous l'effet d'un programme prémémorisé et éventuellement conçu de façon informatique. L'homme de 1' art trouvera les informations utiles à la programmation de 1' ordina- teur pour satisfaire à une fonction souhaitée dans les divers articles susmentionnés. On peut aussi prévoir que le piano selon la présente invention ait exactement la même fonction qu'un piano classique. Pour cela, on remplace le clavier classique d'un piano par un clavier constitué de moteurs/capteurs 40 dont chacun est couplé à l'ordinateur 34 par une liaison aller 41 et une liaison retour 42. La figure 3 représente de façon un peu plus détaillée et sous forme de blocs l'agencement électronique du système de liaison entre les moteurs/capteurs de touche 40 et les moteurs/ capteurs de marteau 31. A chaque moteur/capteur 40 est associé un circuit électronique de capteur 50 qui fournit à un convertisseur analogique/numérique 51 une grandeur indicative du déplacement d'une touche. Le moteur/capteur de touche 40 reçoit, par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique/analogique 53 et d'un amplificateur 54, des signaux en provenance d'un bus de signal 56 couplé à un processeur de traitement 58. Un convertisseur numérique/analogique 60 reçoit des informations du bus de signal 56 et les fournit par l'intermédiaire d'un amplificateur 61 au moteur/capteur 31.Tout déplacement de ce moteur/capteur 31 est traité par un circuit électronique 63 qui fournit l'information de position correspondante au bus de signal 56 par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique/numérique 64. Le système de traitement peut comprendre le processeur de traitement 58 susmentionné associé à un processeur de gestion 66 couplé à un réseau de communication par un accès d'entrée/ sortie 68, et associé à une mémoire de masse 69 et à un panneau de contrôle 70. On peut utiliser un ensemble de processeurs de traitement dont chacun est associé à un ou plusieurs ensembles de moteurs/capteurs 40, 31, l'ensemble de ces processeurs de traitement étant associé à un unique processeur de gestion gérant tout le clavier et 1' ensemble des moteurs/capteurs de marteau. Dans le cadre de la description suivante, on considérera pour simplifier le cas où il est prévu un seul processeur de traitement 58 et un seul bus de signal 56.Le processeur de gestion 66 est de préférence un microprocesseur de gestion locale qui permet une gestion des modes de fonctionnement du processeur de traitement 58, c' est-à-dire par exemple le choix des modèles de traitement, le réglage des paramètres, la configuration des liens touche/marteau. De préférence, la mémoire de masse 69 associée au processeur de gestion 66 contient tous les programmes susceptibles d'être utilisés par le processeur de traitement 58. Le processeur de traitement 58 comprend également un accès d'entrée/sortie 71 permettant de fournir des signaux normalisés de type Midi (Musical Instrument Digital Interface) destinés à commander un synthétiseur, ou au contraire à recevoir des codes Midi pour actionner directement les moteurs/capteurs de marteau. Dans un mode de fonctionnement préféré, les positions des touches et marteaux, fournies par les convertisseurs analogique/numérique 51 et 64 sont échantillonnées à une cadence fixe, typiquement de 1 kHz et le processeur de traitement calcule à partir de ces échantillons, au rythme où ils sont fournis, les forces de réaction à fournir aux moteurs/capteurs 40 et 31, ces valeurs de réaction étant envoyées aux convertisseurs numerique/analogique 53 et 60 à chaque période d'échantillonnage suivante. Pour effectuer le calcul des forces de réaction à appliquer à chaque moteur/capteur en réponse aux détections de position, on utilise un modèle basé sur la représentation sim plifiée d 'un piano apparaissant en figure 1. Ce modèle comprend deux chaînes cinématiques liant le mouvement de la touche à celui du marteau.Ces chaînes comprennent - le levier de lancement 13 qui intervient dans la phase d'accélération du marteau à partir de la position de repos de la touche ; au-delà du seuil d'échappement, l'effet de ce marteau de lancement disparaît grâce à la pièce 14 et n'est rétabli que par le retour de la touche à sa position de repos sous l'effet du ressort de rappel R - l'attrape-marteau 17 qui constitue un lien rigide entre la touche et le marteau, avec un fort effet de viscosité tout se passe comme si, en plus du lien rigide, un frottement visqueux avec le bâti intervenait. Ce lien permet 1 'amortisse- ment du mouvement du marteau après impact et retour à la position de repos.Le rapport cinématique par cette deuxième liaison de la touche au marteau est différent de celui établi par le levier de lancement. Ce sont les forces de gravité qui ramènent la touche et le marteau à leur position de repos. L'analyse d'un mécanisme décrit par ce modèle montre qu'il comporte deux types d'éléments : des éléments matériels et des éléments de liaison. - Les éléments matériels correspondent à des pièces fixes ou mobiles possédant une inertie. Ces éléments sont simulés par un processus recevant des forces et produisant des positions. - Les éléments de liaison déterminent les forces de liaison entre les éléments matériels. Ils sont simulés par des processus recevant des positions et produisant des forces. Dans le cadre du modèle considéré, les éléments matériels sont la touche, le marteau, le bâti fixe. Les éléments de liaison sont les deux chaînes cinématiques de la touche au marteau, à savoir celle du levier de lancement 13 et celle de l'attrape 17 ; la liaison de butée de repos du marteau liant celui-ci au bâti ; les liaisons de type force de rappel liant la touche et le bâti d'une part, le marteau et le bâti d'autre part qui sont comme on 1' a indiqué précédemment des liaisons qui correspondent aux forces de gravité. ALGORITHME DE SIMULATION DES DIVERS CONSTITUANTS 1. Liaison par le levier de lancement 13 Cette liaison est représentée par une liaison viscoélastique dont les paramètres de raideur K et de viscosité Z sont variables à chaque pas d'échantillonnage. Le traitement comprend donc deux parties a) la partie visco-élastique dont le calcul de force est défini par les équations suivantes force appliquée au marteau Fm(n+l) = K(n)*[Xm(n)-R*Xt(n)-L] + Z(n)*[Xm(n)-Xm(n-1)-R*Xt(n)+R*Xt(n-l)i où n-l, n et nsl désignent trois périodes d'échantillonnage successives Fm(n) indique la force appliquée au marteau pendant la période d'échantillonnage n, Xm(n) désigne la position du marteau à l'instant n, et R et L sont des constantes. force appliquée à la touche (Ft) Ft(n+l) = -R*Fm(n+1) b) Le contrôle des paramètres K(n) et Z(n) C'est un automate à deux états dont les entrées sont les positions du marteau Xn et de la touche Xt. Les deux états de cet automate représentent les deux états du levier de lancement 13 de la figure 1. Ce sont l'état "libre" et l'état "lié". La table de transition avec les valeurs produites correspondantes pour K et Z est la suivante, Ste étant un paramètre fixe réglé une fois pour toutes qui détermine le seuil d'échappement. Position Pos. relative Touche Marteau/Touche Etat(n) Etat(n+l) K(n+l) Z(n+1) Xt(n) Xm(n)-R*Xt(n) > 0 Libre Lié O 0 > Ste > 0 Libre Libre 0 0 Libre Libre O 0 > Ste Libre Libre O 0 > 0 Lié Lié 0 0 > Ste > 0 Lié Libre 0 0 Lié Lié KO ZO > Ste Lié Libre 0 0 Les paramètres L et B peuvent varier sous le contrôle du processeur de gestion, par exemple pour correspondre à l'action d'une pédale de sourdine qui modifie dans un dispositif réel la position de repos du marteau et permet donc de modifier sa vitesse de frappe pour un toucher de clavier donné. 2. Liaison par l'attrape 17 Cette liaison se présente ccmme une liaison viscoélastique entre la touche et le marteau (raideur K, viscosité Z) et une liaison visqueuse (viscosité Zs) entre le marteau et le bâti. Les paramètres correspondants sont comme dans le cas précédent variables à chaque pas et contrôlés à partir des positions de la touche et du marteau. a) Partie visco-élastique Force appliquée au marteau Fm(n+l) = K(n)*[Xm(n)-R*Xt(n)-L] + Z(n)*[Xm(n)-Xm(n-1)-R*Xt(n)+R*Xt(n-1)] + Zs(n)*[Xm(n)-Xm(n-1)] Force appliquée à la touche Ft(n+1) = -R*Etm(n+l). b) Partie contrôle des paramètres La liaison présente deux états, l'état libre et l'état lié mais contrairement à la liaison par le levier de lancement l'état n'est pas mémorisé et est déterminé à chaque pas d'échantillonnage en fonction des positions relatives de la touche et du marteau. La table suivante caractérise ce module de contrôle de parametres Pos. relative Marteau/Touche K(n+1) Z(n+1) Zs(n+1) Xm(n)-R*Xt(n) > 0 0 O O K1 Z1 Zsl 3.Liaison simulant la butée de repos du marteau Cette liaison est du type visco-élastique entre le marteau et le bâti avec contrôle de paramètre par un automate sans mémoire comme précédemment. a) Partie visco-élastique Force appliquée au marteau Fm(n+l) = K(n)*FXm(n)-L] + Z(n)*[Xm(n)-Xm(n-1)] b) contrôle des paramètres Pos Marteau (Xm) K(n+1) Z(n+1) > 0 0 O K2 Z2 4. Liaisons simulant la gravité Il s'agit de forces constantes supplémentaires appliquées au marteau et à la touche. Ensuite, la sommation des divers éléments de la force est réalisée. Un calcul correspondant au modèle désigné cidessus est aisément mis en oeuvre par programmation pour être réalisé par le microprocesseur de traitement 58. Un avantage du piano selon la présente invention est qu'il présentera pour l'utilisateur exactement les mêmes caractéristiques qu'un piano classique mais que l'on a remplacé le système mécanique complexe de liaison entre touches et marteaux par un système électromécanique et électronique dans lequel tous les réglages peuvent être assurés par traitement informatique. Bien entendu, si on peut utiliser le système selon 1 'invention comme un piano classique, on peut aussi l'utiliser pour assurer des fonctions complexes dont certaines sont déjà réalisées dans des synthétiseurs. Par exemple, par programmation, on peut - faire que certaines touches, au lieu de commander un marteau unique, commandent de façon sélectionnée un ensemble de marteaux, simultanément ou avec un léger décalage entre eux, pour réaliser par actionnement d'une seule touche un accord complexe - mémoriser les signaux fournis par le clavier 40 pour reproduire le jeu d'un pianiste exactement de la façon dont il l'a effectué, en tenant compte de son toucher spécifique; - utiliser un enregistrement pour rejouer un morceau modifié par traitement électronique; ; - varier ou changer la frappe et corrélativement le toucher, par exemple, pour une frappe de touche donnée modifier la frappe du marteau sur la corde - modifier le toucher de façon arbitraire ou pour qu'il corresponde à d'autres instruments à clavier tels que clavecin, clavicorde, orgue, célesta, harmonium - actionner simultanément un synthétiseur d'accompagnement en utilisant les signaux du clavier - régler la course de retour du moteur 35 pour qu' après une frappe de corde, 1' étouffoir ne soit réappliqué qu'après une durée déterminée par 1 'ordinateur. Bien que l'invention ait été décrite dans le cadre d'un mode de réalisation particulier, de nombreuses variantes et modifications apparaitront à 1' homme de métier. REVENDICATIONS 1. Piano caractérisé en ce qu'il comprend commue moyen d'actionnement de chacun de ses marteaux (2) un moteur/capteur électrique (31) commandé par ordinateur. 2. Piano selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque touche de son clavier est constituée d'un moteur/ capteur modulaire plat (40) couplé à un système de traitement (34) et dont les signaux de sortie déterminent, par 1 'intermé- diaire de ce système de traitement, le déplacement de l'un au moins desdits moteurs (31). 3. Piano selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour mémoriser la séquence des signaux produits par chaque actionnement de touche. 4. Piano selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque moteur/capteur d'actionnement (31) et de touche (40) est relié à un bus de signal (56) d'un processeur de traitement (58) par une liaison aller comprenant un capteur de position (50, 63) et un convertisseur analogique/numérique (51, 64) et une liaison retour comprenant un convertisseur numérique/analogique (53, 60) et un amplificateur (54, 61). 5. Piano selon la revendication 4, caractérisé en ce que le processeur de traitement (58) est associé à une horloge d'échantillonnage et prend en compte les informations de position de chaque convertisseur analogique/numérique à chaque temps d'horloge et fournit des informations de réaction à chaque convertisseur numérique/ analogique à chaque temps d'horloge suivant.