Master 2013 2014
Stages de la spécialité SAR
Modèle de lèvres artificielles pour le jeu des cuivres : mesures et estimation des paramètres mécaniques sur une bouche artificielle robotisée.


Site :Ircam
Lieu :IRCAM - CNRS UMR 9912, 1 place Igor Stravinsky, 75004 Paris.
Encadrant : Ircam: Nicolas Lopes et Thomas Hélie Mail: nicolas.lopes@ircam.fr, thomas.helie@ircam.fr Tel.: +33 1 44 78 42 29 & +33 1 44 78 14 86
Dates :du 01/03/2014 31/08/2014
Rémunération :oui (grille Ircam)
Mots-clés : Parcours ATIAM : Acoustique, Parcours ATIAM : Traitement du signal, Parcours SAR autre qu’ATIAM, recherche

Description

Contexte :

Une bouche artificielle robotisée dédiée au jeu des instruments de type cuivre a été développée à l’IRCAM. Ce système a déjà permis d’obtenir des calibrations des paramètres de lèvres artificielles, d’effectuer des séries d’expériences reproductibles et de fournir des cartographies (énergie, fréquence fondamentale, etc). A partir de ces résultats, des commandes en boucle ouverte (c-à-d. sans aucune correction par rétro-action) ont permis de jouer des séquences simples de quelques notes.

Sur la plateforme actuelle, les actionneurs du robot sont : (A1) une électro-vanne pilotant l’arrivée d’air, (A2) un translateur pilotant l’appui de l’embouchure sur les lèvres artificielles, (A3-4) deux vérins pilotant le volume d’eau dans chacune des lèvres. Un haut-parleur (A5) permet en outre de générer une excitation acoustique à l’intérieur de la bouche pour déterminer certaines fonctions de transfert utiles.

Les capteurs utilisés pour les mesures sont : (C1-2) capteurs de pression de haute précision (un dans la bouche, un dans l’embouchure), (C3) un capteur optique mesurant l’ouverture entre les lèvres, (C4) capteur de force d’appui, (C5-6) capteurs de pression d’eau (un dans chaque lèvre). Quelques capteurs additionnels sont utilisés pour des asservissements de bas niveau (capteurs de positions sur (A2-4) et des vérifications de conditions expérimentales (capteur température et de pression d’alimentation).

Tous les signaux sont mesurés et les actionneurs sont pilotés en temps réel par un système dSpace (incluant DSP, carte entrée/sorties, trés employé pour le prototypage dans le secteur de l’automobile et de l’industrie). Ce système est programmable de façon simple et conviviale par Matlab/Simulink et interfaçable avec Max/MSP pour le traitement du signal musical temps-réel. Une couche logicielle superieure en Python permet la mise au point efficace de scripts plus complexes si besoin.

Une thèse sur le contrôle global et efficace du robot est actuellement en cours sur ce projet. Un tel contrôle nécessite une bonne connaissance de chaque sous-système. Un des systèmes critiques est celui de l’excitateur, c’est-à-dire les lèvres artificielles (couplées au jet), leur modélisation et l’estimation de leurs paramètres.

Ce stage porte précisément sur cet objet.

Objectifs et travaux attendus :

Dans ce stage, on se focalisera sur la modélisation des lèvres artificielles en latex.

Dans un premier temps, deux modèles différents seront étudiés : un modèle mécanique vibratoire (M1) et un modèle issu de la mécanique des solides déformables (M2). Pour (M1), on cherchera un modèle mécanique et géométrique de lèvre en vibration couplée au résonateur. Il sera inspiré des modèles standard utilisé en acoustique musicale (Masse-Ressort-amortissement) (REF).

Le modèle développé devra correspondre au mieux au fonctionnement réel des lèvres artificielles. Ce fonctionnement pourra être analysé grâce à plusieurs mesures effectuées sur le robot (pression, signal optique, etc) et l’utilisation de descripteurs (fréquences de jeu, phases, etc.).

Pour (M2), on représentera le comportement des lèvres à partir d’une équation d’état du latex pour la pression d’eau (C5-6) aux actionneurs de pilotages (A2 \& A3-4) et le lien entre le latex contraint et le volume d’eau avec les paramètres du modèle mécanique. Ce modèle devra prendre en compte l’élasticité ainsi que le phénomène de viscoelasticité (dépendance à la vitesse de remplissage) intrinsèque au latex. Puis, en second lieu, il devra prendre en compte un phénomène d’hystéresis dû à la relaxation et au vieillissement du latex. Pour cela, il pourra être inspiré des modèles de la littérature.

Dans un second temps, des méthodes de traitement du signal seront mise au point pour estimer les paramètres des deux modèles (M1 et M2). On s’intéressera en particulier à des méthodes adaptatives capables de fonctionner en temps réel et en condition de jeu.

Les algorithmes choisis devront être suffisamment performants pour estimer les paramètres lors d’une courte phase d’apprentissage du robot.

Compétences requises :

Bonne connaissance des outils mathématiques du traitement du signal : transformées de Fourier, Laplace, en Z.

Connaissances de méthodes d’estimation classiques (moindres carrés) et plus élaborées (Maximum de vraisemblance, filtrage de Kalman).

Familiarité avec Python et/ou Matlab et Simulink.

Des connaissances en language C seront aussi appréciées.

Bibliographie

[1] B. VÈricel. Confrontation thÈorique/expÈrimentale de caractÈristiques d’excitation dans le jeu des cuivres. Stage M2R ATIAM.

[2] A. Almeida et al. Clarinet parameter cartography : automatic mapping of the sound produced as a function of blowing pressure and reed force. ISMA, 2010.

[3] F. Silva. …mergence des auto-oscillations dans un instrument de musique ‡ anche simple. ThËse, 2009.

[4] J. Gilbert, S. Ponthus. Articial buzzing lips and brass instruments : Experimental results. JASA, 104 :1627, 1998.

[5] N. Lopes, Cartographie de paramËtres de jeu de trompettiste : mise en correspondance automatique du son produit avec les paramËtres de contrÙle d’une bouche artificielle asservie. Stage ingÈnieur de l’ENSEA.