Workshop Synthèse sonore par modèles physiques : Ness/STMS/LAM-IJLRA
Dans le cadre de la fin du projet européen ERC « NESS » (Next Generation Sound Synthesis), Stefan Bilbao et son équipe de l’université d’Edimbourg ont présenté à Paris les 13 et 14 octobre 2016 les travaux scientifiques et musicaux issus du projet (Programme des présentations).
Présentations de l’équipe S3:
Ecole d’été Sciences et Voix : expression, usages et prises en charge de l’instrument vocal humain
26 au 30 septembre 2016, Porquerolles, France : http://www.gipsa-lab.fr/summerschool/eesv2016/
- Cours de Thomas Hélie et Fabrice Silva : Physique de la dynamique glottique : aspects énergétiques et auto-oscillations (résumé, support de cours)
- TP de Thomas Hélie et Fabrice Silva : Acoustique du conduit vocal (résumé)
Soutenance de thèse d’Antoine Falaize
Mardi 12 juillet 2016 à 14H30 – Ircam, salle Igor Stravinsky (http://www.ircam.fr/contact.html)
Antoine FALAIZE, soutiendra sa thèse de doctorat de l’UPMC, intitulée :
« Modélisation, simulation, génération de code et correction de systèmes multi-physiques audios : approche par réseau de composants et formulation hamiltonienne à ports »
Cette thèse a été réalisée au sein de l’équipe-projet Systèmes et Signaux Sonores et de l’équipe Analyse et synthèse du son à l’Ircam -(STMS – CNRS/IRCAM/UPMC), sous la direction de M. Thomas Hélie (chargé de recherche, UMR STMS (9912), IRCAM).
Elle s’intègre dans le projet de l’Agence nationale de la recherche ANR-HAMECMOPSYS.
La soutenance de thèse se fera devant un jury composé de :
M. Stefan Bilbao Rapporteur, Professeur, Acoustics and Audio Group, Edinburgh University
M. Pierre Rouchon Rapporteur, Professeur, Centre Automatique et Systèmes, Mines-ParisTech
M. Benoît Fabre Examinateur, Professeur, Équipe Lutherie Acoustique Musique, IJLRA, Université Paris 6
M. Yann Le Gorrec Examinateur, Professeur, École Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques, FEMTO-ST/AS2M
M. Aziz Hamdouni Examinateur, Professeur, Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement, Université de La Rochelle
M. Hervé Lissek Examinateur, Professeur, LTS2, École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Les systèmes audios incluent les instruments de musique traditionnels (percussions, cordes, vents, voix) et les systèmes électro-acoustiques (amplificateurs de guitares, pédales d’effets, synthétiseurs analogiques). Ces systèmes multi-physiques possèdent une propriété commune : hors des sources d’excitation (les générateurs), ils sont tous passifs. Nous présentons dans cette thèse un ensemble de méthodes automatiques dédiées à leur modélisation, leur simulation et leur contrôle, qui garantissent explicitement et exploitent la passivité du système original.
Nous utilisons dans ce travail le formalisme des systèmes hamiltoniens à ports (SHP), introduits en automatique et théorie des systèmes au début des années 1990. Pour la modélisation, on exploite le fait que la connexion de systèmes décrits dans ce formalisme préserve explicitement la dynamique de la puissance dissipée de l’ensemble, pour développer une méthode automatique de modélisation d’instruments complets à partir de modèles élémentaires rassemblés dans un dictionnaire. Pour la simulation, une méthode numérique qui préserve la structure passive des SHP à temps discret a été développée, garantissant ainsi la stabilité des simulations (pour lesquelles le code C++ est généré automatiquement).
Concernant le contrôle, on exploite la structure d’interconnexion afin de déterminer automatiquement une forme découplée (sous-systèmes hiérarchisés) pour une certaine classe de SHP. Les systèmes de cette classe sont dits systèmes hamiltoniens à ports plats, au sens de la propriété de platitude différentielle, à partir de laquelle une loi de commande en boucle ouverte exacte sur le modèle est générée.
Soutenance de thèse de Nicolas Lopes
Mercredi 15 juin 2016 à 14H30 – Ircam, salle Igor Stravinsky (http://www.ircam.fr/contact.html)
Nicolas LOPES, soutiendra sa thèse de doctorat de l’UPMC, intitulée :
« Approche passive pour la modélisation, la simulation et l’étude d’un banc de test robotisé pour les instruments de type cuivre. »
Cette thèse a été réalisée au sein de l’Equipe-Projet Systèmes et Signaux Sonores et des équipes Analyse-Synthèse et Acoustique instrumentale du Laboratoire Sciences et Technologies de la Musique et du Son, IRCAM-CNRS-UPMC.
Elle s’intègre dans deux projets de l’Agence Nationale de la Recherche : ANR-HamecMopsSys et ANR-Cagima.
La soutenance de thèse se fera devant un jury composé de :
Brigitte d’Andréa-Novel Rapporteur – Professeur Mines-ParisTech
Christophe Vergez Rapporteur – Directeur de Recherche, CNRS LMA
Benoît Fabre Examinateur – Professeur, LAM, Institut d’Alembert, UPMC
Isabelle Terrasse Examinateur – Directrice de Recherche, Airbus Group Innovations
Bernhard Maschke Examinateur – Professeur Université Claude Bernard, Lyon 1
Thomas Hélie Directeur de thèse – Chargé de Recherche, Laboratoire STMS, CNRS
René Caussé Co-directeur de thèse – Directeur de Recherche, Laboratoire STMS, Ircam
Résumé :
Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la robotique, de l’automatique et de l’acoustique musicale. Elle propose une étude d’un banc de test robotisé pour le jeu des instruments à vent de type cuivre. Cette étude se décompose selon trois volets : la modélisation passive du système, sa simulation, et son développement. La modélisation est faite en suivant le formalisme passif des systèmes hamiltoniens à ports. Les éléments principaux composant le système sont : l’alimentation en air pour le souffle, l’excitateur composé de deux lèvres et d’un jet d’air, et un résonateur acoustique. Le résonateur acoustique utilisé dans ce travail est un trombone à pistons. Un nouveau modèle de jet d’air généré entre les lèvres est proposé. Ce modèle a pour but de restituer un bilan de puissance plus proche de la réalité physique que les modèles couramment utilisés. Des raffinements sont ensuite construits autour de ce jet afin d’obtenir un modèle complet auto-oscillant. Pour la simulation, la méthode du gradient discret est présentée. Cette méthode permet d’obtenir une description en temps discret qui vérifie les bilans de puissance, et donc la passivité lors de la simulation. Elle ne permet pas, en général, de garantir l’existence et l’unicité d’une solution. De plus, elle est limitée au second ordre de consistance numérique, et son exécution nécessite des algorithmes d’optimisations non linéaires gourmands en temps de calcul. Pour pallier ces limitations, une méthode à plusieurs étapes de type Runge-Kutta double et basée sur un changement de variable est proposée. Des résultats de simulations sont interprétés et comparés à ceux issus d’un modèle contenant un jet construit autour d’une équation de Bernoulli stationnaire. Enfin, la machine ainsi que les développements techniques effectués au cours de la thèse sont présentés. Ces développements sont à la fois de types informatiques et mécaniques. Ils permettent la mise au point d’expériences de cartographies répétables et peuvent être utilisés pour caractériser différents instruments de musique. Des résultats expérimentaux et de simulation sont comparés. Les comparaisons permettent de mettre en avant les défauts et les qualités du modèle proposé et orientent vers des choix futurs pour la modélisation et le développement de la machine.
Présentation du robot « MorphoVoice » (Mardi 7 juin, Forum Mécatronique de l’Ecole des Mines, ParisTech)
Dans le cadre du cours de Mécatronique de l’Ecole des Mines, un groupe d’étudiants a réalisé le robot « MorphoVoice » doté d’un poumon mécanique, d’un larynx et d’un conduit bucco-nasal déformable. Ce travail, réalisé en collaboration avec l’équipe-projet S3, le GIPSA-lab et le LPL sera présenté au Forum Mécatronique 2016 de l’école.
Séminaire invité : Thomas Hélie, Outils scientifiques et technologiques pour les systèmes et signaux sonores (Mardi 16 février 2016, Séminaire de l’équipe « Recherche opérationnelle et mathématiques appliquées », ISAE, Sup’aéro, Toulouse)
Dans ce séminaire, je présenterai quelques outils scientifiques et technologiques que nous développons pour modéliser des systèmes physiques et traiter les signaux sonores qu’ils produisent. L’introduction donnera une court balayage des activités de l’équipe S3, en modélisation physique, systèmes non linéaires, robotique et analyse/synthèse sonore. Une présentation plus approfondie sur les Systèmes Hamiltoniens à Ports (projet HamecMopSys), la mise au point d’une classe d’amortissements non linéaires et la simulation à passivité garantie sera donnée et illustrée sur le cas d’une application de synthèse de sons de barres. On donnera des exemples sonores pour des matériaux dont les propriétés mutent (métal vers bois par exemple) avec l’amplitude du signal (métalophone vers marimba, par exemple), produisant un effet de « morphing sonore physiquement sensé ». Enfin, je terminerai par une présentation d’un outil d’analyse fréquentielle du signal sonore et de visualisation : le SnailAnalyser-Tuner (The Snail). Cet outil fournit une représentation intuitive des sons à alignement chromatique des composantes spectrales. Des exemples sonores et des démonstrations seront donnés au cours de l’exposé.
Lien :
Séminaire invité : Thomas Hélie, New tools for modelling musical systems and exploring musical sound (Mercredi 20 janvier 2016, TBC, Informatics Forum, University of Edinburgh)
Dans cette présentation, je vais introduire les outils scientifiques et technologiques que nous développons pour modéliser les systèmes physiques et traiter les signaux sonores. L’introduction sera consacrée à une courte description des activités de l’Equipe-Projet S3 en modélisation physique, systèmes non linéaires, robotique, synthèse sonore et analyse du son. Puis certains sujets seront approfondis :
- Systèmes Hamiltoniens à Ports : synthèse sonore basée sur la simulation à passivité garantie de modèles physiques.
- Filtres fractionnaires : modélisation et simulation d’une classe de filtres passe-bas, dont la pente peut-être continuement ajustée de 0 (gain unitaire) à -6 decibels par octave (filtre à un pôle).
- SnailAnalyser : un analyse dans le domaine des fréquences qui fournit en temps-réel une représentation intuitive des sons basée sur l’alignement chromatique des zones spectral actives.
Des exemples sonores et des démonstrations serons présentés :
- Systèmes Hamiltoniens à Ports :
- SnailAnalyser :
Démonstration du SnailAnalyser
Séminaire invité : Antoine Falaize, Structure passive pour la modélisation, la simulation et le contrôle de systèmes multi-physiques audios (10 décembre 2015, LaSIE, Université de La Rochelle)
Résumé :
Les systèmes audios incluent les instruments de musique traditionnels (percussions, cordes, vents, voix) et les systèmes électro-acoustiques (amplificateurs de guitares, pédales d’effets, synthétiseurs analogiques). Ces systèmes multi-physiques possèdent une propriété commune : hors des sources d’excitation (les générateurs), ils sont tous passifs. Nous présentons une méthode de génération automatique de code temps réel, qui garanti explicitement et exploite la passivité du système original.
La complexité et la finesse de la modélisation ont un impact direct : les non-linéarités sont nécessaires pour restituer les variations de timbres apparaissant aux nuances « fortissimo », et l’on sait d’expérience que la qualité d’un amortissement joue un rôle crucial dans le réalisme sonore. Pour les systèmes conservatifs, des méthodes spécifiques (et très efficaces) existent. On discrétise alors une formulation variationnelle adéquate qui encode plus d’information structurelle que la formulation différentielle, dont le Hamiltonien pour la conservation de l’énergie. Les systèmes amortis ne sont pas à Hamiltonien, et nous utilisons dans ce travail un formalisme généralisant ces idées, en permettant d’intégrer des amortissements, de considérer des entrées, et de connecter plusieurs systèmes entre eux tout en respectant les bilans énergétiques. Il s’agit des « systèmes Hamiltoniens à ports » (SHP), introduits en automatique et théorie des systèmes au début des années 1990.
Pour la modélisation, on exploite le fait que la connexion de systèmes décrits dans ce formalisme préserve explicitement la dynamique de la puissance dissipée de l’ensemble, pour développer une méthode automatique de modélisation d’instruments complets à partir de modèles élémentaires rassemblés dans un dictionnaire. Pour la simulation, une méthode numérique qui préserve la structure passive des SHP à temps discret a été développée, garantissant ainsi la stabilité des simulations (pour lesquelles le code C++ est généré automatiquement).
Lien :
Journée Techniques de Contrôle en Vibrations, Acoustique et Musique
Le 16 novembre 2015 a eu lieu la journée TCVAM à l’IRCAM soutenue par la Société Française d’Acoustique et organisée conjointement par Thomas Hélie du Groupe Spécialisé d’Acoustique Musicale (GSAM) et Kerem Ege du Groupe Vibroacoustique et contrôle du Bruit (GVB). Cette journée a rassemblé les acousticiens, mécaniciens et automaticiens sur la thématique du contrôle de systèmes acoustiques et de structure vibrantes. Cette journée a permis de lancer des discussions scientifiques autour des présentations des 12 orateurs. Nous les remercions, ainsi que tous les participants.
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Collegium Musicae
L’équipe-projet S3 a été présentée vendredi 13 novembre 2015 lors du séminaire inaugural du Collegium Musicae à la Philarmonie de Paris.
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Présentation (Vidéo commentée, diapositives)