Master 2017 2018
Stages de la spécialité SAR
Appareil Vocal : modélisation physique, simulation à passivité garantie, analyse de régimes et interface de contrôle pour le temps réel


Site : S3AM
Lieu : Laboratoire STMS, IRCAM-CNRS-UPMC et LMA, Marseille
Encadrant : Thomas Hélie Fabrice Silva
Dates :du 01/02/2018 au 31/07/2018
Rémunération :grille standard IRCAM ( 550euros)
Mots-clés : Parcours ATIAM : Acoustique, Parcours ATIAM : Informatique musicale, Parcours ATIAM : Traitement du signal

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Description

* Contexte :

La production sonore dans l’appareil vocal met en jeu en jeu des phénomènes de mécanique des solides déformables (pli vocaux), de mécanique des fluides (écoulement glottique et supraglottique) intrinsèquement non linéaire et de propagation acoustique dans le conduit vocal. Cette complexité est à l’origine de nombreuses difficultés scientifiques et a motivé depuis plusieurs décennies [1] une quantité considérable de travaux scientifiques dédiés à l’étude de ces objets.

Une large communauté scientifique a développé une quantité impressionnante de travaux qui contourne cette difficulté (modèles de signaux ou approche source-filtre [2], par exemple). Une autre communauté s’intéresse aux auto-oscillations avec des approches simplifiées (modèles à deux masses [3]) ou de grandes dimensions (éléments de frontières/éléments finis [4], etc...).

* Travail demandé :

Dans ce stage, nous proposons une modélisation physique avec une approche par composants élémentaires (à la manière de [5,6]) et une méthode de simulation, qui garantissent la passivité, quelle que soit la complexité des modèles choisis. Il s’agit du formalisme Hamiltonien à Ports [7,8].

Après une étude bibliographique et une introduction aux méthodes et outils, on proposera des modèles de complexité croissante. En particulier, on s’intéressera à : (1) un nouveau modèle d’écoulement dans un canal à paroi mobile en incluant des phénomènes dissipatifs, (2) un modèle simplifié des plis vocaux, (3) un modèle simple de résonateur vocal. Ces composants seront progressivement mis en oeuvre à l’aide de la librairie PyPHS [9], afin d’en tirer des simulations à bilan de puissance équilibré. On cherchera à satisfaire au mieux la contrainte de simulation en temps réel.

Dans la continuité d’un précédent travail de stage [10], les modèles seront utilisées pour examiner les seuils d’oscillation, ainsi que les différents régimes (périodiques ou non). On s’intéressera à la confrontation des résultats obtenus par la méthode de simulation mentionnée ci-dessus et les techniques de continuation numérique.

En parallèle, on s’intéressera fournir un outil de simulation en temps-reél avec une interface adaptée au contrôle [12,13]. L’intérêt de cet outil sera testé pour la création d’éventuels démonstrateurs dans des contextes artistiques ou médicaux (étude de voix saine/pathologique).

* Résultats attendus :

  • Simulation d’un appareil vocal complet simplifié à passivité garantie.
  • Cartographies de régimes d’oscillation.
  • Démonstrateur temps réel

* Compétences requises :

  • Volonté de travailler à l’interface entre contributions théoriques et pratiques.
  • Bases théoriques de la dynamique des solides et des fluides.
  • Bonne connaissance des outils mathématiques du traitement du signal : transformées de Fourier, de Laplace, en Z.
  • Pratique de Python, Max/MSP et du C++.

* Possibilité de poursuite en thèse :

Le sujet soulève de nombreux problèmes d’intérêt théorique et pratique qui font partie des thèmes de recherche et compétences de l’IRCAM. Aussi, il sera tout à fait envisageable de proposer un sujet de thèse, même si aucun financement n’est assuré à ce jour.

Bibliographie

[1] J. van den Berg. Myoelastic-Aerodynamic Theory of Voice Production. J. Speech and Hearing Research 1(3), p. 227-244, 1958.

[2] G. Fant. Acoustic Theory of Speech Production. Mouton De Gruyter. 1970

[3] K. Ishizaka & J. L. Flanagan. Synthesis of Voiced Sounds From a Two-Mass Model of the Vocal Chords, Bell Sys. Tech. J. 51(6), p. 1233-1268, 1972

[4] A. Granados et coll. A numerical strategy for finite element modeling of frictionless asymmetric vocal fold collision, Int. J. Num. Meth. Biomed. Eng. 33(2), 2017.

[5] N. Lopes & T. Hélie. Energy balanced model of a jet interacting with a brass player’s lip. Acta Acustica u. Ac. 102, p. 141-154, 2016

[6] T. Hélie & F. Silva. Self-oscillations of a vocal apparatus : a port-Hamiltonian formulation. Conf. Geometric Science of Information (GSI), pp.375—383, 2017.

[7] A. Falaize et coll. Energy-balanced models for acoustic and audio systems : a port-hamiltonian approach. Conf. Unfold Mechanics for Sounds and Music, 2014.

[8] V. Duindam et coll., Modeling and Control of Complex Physical Systems : The Port-Hamiltonian Approach. Springer, 2009.

[9] PyPHS Python module https://afalaize.github.io/pyphs/

[10] L. Forma. Étude d’un système non linéaire : la voix. Stage 2A Centrale Lille réalisé auprès de F. Silva au LMA, 2017.

[11] R. Clewley. Hybrid Models and Biological Model Reduction with PyDSTool, PLoS Computational Biology 8(8), 2012.

[12] N. Lopes, Cartographie de paramètres de jeu de trompettiste : mise en correspondance automatique du son produit avec les paramètres de contrôle d’une bouche artificielle asservie, Stage ingénieur de l’ENSEA, 2011.

[13] L. Feugère, C. d’Alessandro. Gestural control of voice synthesis : the Cantor Digitalis and Digitartic instruments, Traitement du signal, 32(4), 2015.