Master 2014 2015
Stages de la spécialité SAR
Modélisation paramétrique, estimation et contrôle de lèvres artificielles pour le jeu des cuivres.


Lieu :IRCAM - CNRS UMR 9912, 1 place Igor Stravinsky, 75004 Paris.
Encadrant : Nicolas Lopes et Thomas Hélie
Dates :à partir du 01/02/2015 jusqu’au 31/08/2015 (à déterminer)
Rémunération :oui (grille Ircam)
Mots-clés : Parcours ATIAM : Acoustique, Parcours ATIAM : Traitement du signal

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 calibrage 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 [1].

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 lévres artificielles, (A3-4) deux vérins pilotant le volume d’eau dans chacune des lévres. 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.

Les asservissements bas-niveau des actionneurs et le contrôle de la plateforme permettent aujourd’hui de réaliser des cartographies automatiquement pour étudier les régimes d’oscillation dans un cadre quasi-statique [1]. Un enjeu important est d’aboutir à des lois de commande pour des comportements dynamiques (attaques, transitoires, etc) et des asservissements de haut-niveau (éviter les notes muettes, justesse, qualité du timbre, régimes spécifiques, etc). Pour cela, un des points clefs est la modélisation des lèvres artificielles et l’estimation des paramètres.

Objectifs et travaux attendus :

1 - La première étape consistera à élaborer un modèle de lèvre artificielle à partir de modèle mécanique simple qui soit suffisamment réaliste pour rendre compte des comportements observés. Pour cela, on s’intéressera aux phénomènes physiques et aux degrés de liberté à prendre en compte, avec une complexité minimale, croissante, guidée par les expérimentations. On effectuera des mesures sur des échantillons de silicone et de latex et on mettra en place des protocoles et scenari expérimentaux sur la bouche robotisée.

2 - La deuxième étape consistera à connecter ce modèle de lèvre afin de compléter le modèle préexistant du robot [2](Tube acoustique et jet d’air entre les lèvres). On utilisera des algorithmes classiques d’identification de paramètre sur le système complet.

3 - Enfin, on automatisera, sur le système Dspace, cette phase d’identification afin de la rendre systématique. On terminera par la programmation d’un mini-démonstrateur pilotable par un clavier et des contrôleurs midi ou complètement automatisé, pour le cas d’un instrument dont on aura mesuré l’impédance d’entrée (typiquement, trombone à piston piloté par des doigts artificiels).

L’ensemble de ces travaux bénéficiera de l’encadrement et des éléments scientifiques et techniques développés dans le cadre de la thèse de N. Lopes.

Compétences requises :

Acoustique et plus généralement notions de mécanique et physique

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 vraissemblance, filtrage de Kalman).

Familiarité avec Python, Matlab et Simulink.

Des connaissances en language C seront aussi appréciées.

Bibliographie

[1] N. Lopes, T. Hélie Control of an artificial mouth playing a trombone and analysis of sound descriptors on experimental data, SMAC 2012. [2] N. Lopes, T. Hélie Modèle d’interaction Jet/Lèvre préservant le bilan de puissance pour les instruments de type cuivre. CFA 2014. [3] A. Almeida et al. Clarinet parameter cartography : automatic mapping of the sound produced as a function of blowing pressure and reed force. ISMA, 2010. [4] F. Silva. Emergence des auto-oscillations dans un instrument de musique à anche simple. Thèse, 2009. [5] J. Gilbert, S. Ponthus. Articial buzzing lips and brass instruments : Experimental results. JASA, 104 :1627, 1998.