2011-12, S.S.I.I., SI3, séance 3, Traiter le signal audio numérique avec Matlab ou Scilab, page 1 Traiter le signal audio numérique avec Matlab ou Scilab

2011-12, S.S.I.I., SI3, séance 3, Traiter le signal audio numérique avec Matlab ou Scilab, page 1

Traiter le signal audio numérique avec Matlab ou Scilab

• utiliser l’environnement de MATLAB : fenêtre de commande, éditeur de scripts, appel de fonction … et savoir passer à Scilab

• utiliser les langages de scripts de MATLAB et de Scilab

• exécuter des scripts et des fonctions MATLAB (et Scilab)

• synthétiser des signaux audio numériques composés d’harmoniques et dotés d’enveloppes, reproduire le timbre d’instruments de musique

• tracer des chronogrammes, des spectres, des spectrogrammes, …

Jean-Paul Stromboni, Polytech'Nice Sophia, Dpt Sciences Informatiques, SI3Jean-Paul Stromboni, Polytech'Nice Sophia, Dpt Sciences Informatiques, SI3Durée 50 minutes, avec Matlab/Scilab, un vidéo projecteur, et des hauts parleursDurée 50 minutes, avec Matlab/Scilab, un vidéo projecteur, et des hauts parleurs

Après ce chapitre, vous devrez savoir comment :

Le TD n°3 utilise Matlab ou Scilab pour :

Synthétiser des signaux audio, représenter les chronogrammes, lire et écrire au format Wave, calculer et afficher le spectre, etc …


Utiliser MATLAB (ou Scilab) est un objectif du cours S.S.I.I.

• MATLAB (pour MATrix LABoratory) de Mathworks, est un logiciel réputé dans le domaine du calcul scientifique.

• Le département S.I. possède 25 licences MATLAB sur le réseau local de l’école à utiliser en travaux dirigés (cf. procédure d’installation)

• Pour utiliser hors de l’école, on suggère d’installer également Scilab (à télécharger sur http://www.scilab.org) outil libre, gratuit et multi-plateforme très semblable à MATLAB (il est intéressant de comparer).

• Pour apprendre MATLAB, on analyse des exemples tirés de :

http://www-gmm.insa-toulouse.fr/~guillaum/AM/ avec l’accord de Philippe Guillaume, Professeur à l'INSA de Toulouse, et auteur de l’ouvrage :

'Musique et Acoustique : de l’instrument à l’ordinateur', collection Hermès, éditeur Lavoisier.


Se repérer dans l’environnement MATLAB (celui de Scilab plus simple contient la plupart des outils de calcul et de tracé)

fenêtre plot

dossier travail

fenêtre edit

fenêtre de commande

.m file

Publish in html


Utiliser la fenêtre de commande de Matlab (traduire en Scilab)

>> % en Matlab, le prompt est ’>>’

>> N=3 % avec ou sans caractère ';' ? N = 3

>> N=3; >> n>> Message=[‘S.I.‘,num2str(N),’.’];

>> disp(Message)

>> help disp % aide succincte

% il y a un éditeur de ligne de commande

% on a droit aux commandes de shell>> pwd, ls, dir, cd

% lancer une application MSDOS!notepad

% exécuter le script MATLAB ’sinus.m’>> sinus % sinus.m doit être dans le PATH

>> format long % 10 chiffres décimaux

% effacer la fenêtre Command Window>> clc

% noter l’instruction eval>> eval([‘la’,num2str(3),’=440’])

// En SCILAB, le prompt est ’’ // est un commentaire N=3 N=3; N n

Message=[’date’,string(28), ’septembre’]

disp(Message)

help disp

// il y a un éditeur de ligne commande

pwd, dir, cd

// lancer une application Windows ou Unix unix(‘notepad.exe’)

exécuter un script ou une fonction Scilab exec(’sinus.sce’) // fichiers .sce et .sci sinus //

%pi format(20) %pi

clc

execstr(’la3= 440;’); la3


Analyse du script tiré du fichier ‘sinus.m’ et traduction en Scilab

// arpège de sons sinusoïdaux (Scilab)

clear all; close all;

Fe = 22050; h = 1/Fe;

f0 = 220; T = 1.5;

N = 13;

fr = f0*(1:N);

am = 1;

exec('envelop.sce');

x = [];

for k = 1:N

tr = T*[0 .02 .98 1];

yr = [0 1 1 0];

env = envelop(tr,yr,Fe);

th = 0:h:T;

y = sin(2*%pi*fr(k)*th).*env;

x = [x, am*y];

T = T*.8;

am = am*.8;

end

plot2d(x)

sound(x,Fe);

wavwrite(x,Fe,'./scilabsinus.wav');

% arpège de sons sinusoïdaux (Matlab)clear all; close all;Fe = 22050; h = 1/Fe;f0 = 220; T = 1.5;N = 13;fr = f0*[1:1:N];am = 1;x = [];for k = 1:N % création d'une enveloppe tr = T*[0 .02 .98 1]; yr = [0 1 1 0]; env = envelop(tr,yr,Fe); % création du signal sinusoïdal th = 0:h:T; s = sin(2*pi*fr(k)*th); % application de l’enveloppe y = s.*env; % concaténation x = [x, am*y]; T = T*.8; am = am*.8;endplot(x)wavplay(x, Fe);wavwrite(x, Fe, './sinus.wav');

% arpège de sons sinusoïdaux (Matlab)clear all; close all;Fe = 22050; h = 1/Fe;f0 = 220; T = 1.5;N = 13;fr = f0*[1:1:N];am = 1;x = [];for k = 1:N % création d'une enveloppe tr = T*[0 .02 .98 1]; yr = [0 1 1 0]; env = envelop(tr,yr,Fe); % création du signal sinusoïdal th = 0:h:T; s = sin(2*pi*fr(k)*th); % application de l’enveloppe y = s.*env; % concaténation x = [x, am*y]; T = T*.8; am = am*.8;endplot(x)wavplay(x, Fe);wavwrite(x, Fe, './sinus.wav');


Analyser la fonction Matlab ‘cloche’ tirée du fichier ‘cloche.m’

function s = cloche(f1,T,Fe)% s = cloche(f1,T,Fe)% imitation d'une cloche% f1 = fréquence du principal% Fe = fréquence d'échantillonnage% T = durée du son%-----------------------------------------h = 1/Fe;th = 0:h:T; f = f1*[0.5 1 1.188 1.530 2.0000 2.470 2.607 ...

2.650 2.991 3.367 4.137 4.487 4.829 5.385 ... 5.863 6.709 8.077 8.547 9.017 9.530 ... 11.026 12.393];

a = [350 950 500 150 700 100 250 370 1000 180 ... 300 100 150 300 100 100 50 20 10 ...

35 5 15]; s = synthad(a,f,0*f,T,Fe); t = T*[0 .001 .01 .4 .6 .9 1];a = [0 .6 1 .4 .2 .1 0];env = envelop(t,a,Fe);s = s.*env;

End % optionnel

vecteur des fréquences harmoniques

vecteur des amplitudes des composantes fréquentielles

allure de la courbe d'enveloppe a(t)

t

a

1

0.6

0.60.40

Ligne d’en tête

Commentaire accessible dans l’aide


Analyser la fonction synthad tirée du fichier synthad.m

function s = synthad(a,f,p,T,Fe)% s = synthad(a,f,p,T,Fe)% synthèse additive% cette fonction crée un son de duree T, % compose des partiels f(n), d'amplitude a(n)% et de phase a l'origine p(n).% Fe est la fréquence d'échantillonnage%---------------------------------------% création du vecteur temps discretdt = 1/Fe;t = 0:dt:T;n = length(t);% création du son, une boucle ajoute une a une% les composantes fréquentielless = zeros(1,n);K = length(f);for k = 1:K s = s+a(k)*sin(2*pi*f(k)*t+p(k));end% normalisation pour que les valeurs% restent dans l'intervalle [-0.99 0.99]s = .99*s/max(abs(s));

cumul des harmoniques trouvés dans les vecteurs a : amplitude, f : fréquence et p : phase

maximum de s ramené à 0.99*max(abs(s))


Analyser la fonction envelop utilisée dans sinus.m et cloche.m

function env = envelop(t,a,Fe)% enveloppe parametree par t et a = env(t), % t contient une liste d'instants t_k% a contient la liste des amplitudes a_k aux instants t_k% env est le son echantillonne a la frequence Fe, % affine par morceaux, tel que env(t_k) = a_k%--------------------------------------------------------lt = length(t);T = t(lt);h = 1/Fe;th = 0:h:T;% test validite de tif t(1) >= T error('t incompatible dans envelop');end% test compatibilite t et a if lt ~= length(a) error('t et a de longueurs différentes'); end% au cas ou t ne serait pas strictement croissant :for k = 2:lt-1 if (t(k) <= t(k-1)) | (t(k) >= t(lt)) t(k) = (t(k-1)+t(lt))/2; endendn = length(th);env = zeros(1,n);ni = lt-1;c = zeros(1,ni+1); b = c;h2 = 0;for k = 1:ni h1 = h2+1; h2 = 1+floor(t(k+1)/h); cb = [t(k) 1; t(k+1) 1]\[a(k) ; a(k+1)]; c = cb(1); b = cb(2); env(h1:h2) = c*th(h1:h2)+b;endenv = .99*env/max(env);

A\B calcule la solution x de A*x = Bon s'en sert ici pour trouver les coefficients directeurs c et b de l'enveloppe entre t(k) et t(k+1)

a= c*t+b pour t(k) < t <t(k+1)Que valent c et b ?Résoudrea(k)=c*t(k)+ba(k+1)=c*t(k+1)+b

t(k) t(k+1)

a(k)

a(k+1)

a

t


Utiliser la fonction ‘cloche’ dans le script ‘gammes’

% tiré du fichier gammes.mclear all% clavier azerty :notes = ['a','z','e','r','t','y','u','i','o','p', …

'q','s', 'd'];Fe = 22050;f0 = 440; % la3 est la première notetemp = 2.^((0:12)/12); % fr = f0*temp; % fréquence des notes de la3 à la4 T = 1.5; % durée des notesfor k = 1:13 % on crée des notes de flute note = notes(k); eval([note '= cloche(fr(k),T,Fe);']); %ou flute end% et on joue :disp('pour jouer, rentrez une note parmi :');disp('entrer a z e r t y u i o p q s ou d, suivi de

enter');x = 0; % taper x pour terminernote = [1,1]; % length(note)= ?while length(note) >1 note = input('note suivante? (x pour terminer)'); if length(note) == 1 disp('termine'); break end soundsc(note,Fe); % met l'amplitude à l'échelleend

Que réalise le script gammes ? Comment procède t’on pour créer la gamme ?

vecteur ligne de caractères… continuateur de ligne

efface tout

‘a’ note pour k=1Pour k=1, eval exécute : a = cloche(fr(1),T,fe);

soundsc ramène le signal entre -1 et 1 et le joue


Et si vous préférez la flute, comment utiliser le fichier ‘flute.m’?

function s = flute(f1,T,Fe)% s = flute(f1,T,Fe)% son flute%----------------------------------------------------h = 1/Fe; th = 0:h:T;nt = length(th);a = [1000 50 80 10 5 2 .1 1];nh = length(a); N = 1:nh;% synthèse additive du spectref = N*f1;s = synthad(a,f,0*f,T,Fe);% enveloppet = T*[0 .1 .2 .9 1];a = [0 .8 1 .8 0];env = envelop(t,a,Fe);s = s.*env;% ajout de soufflebr = bruit(T,Fe);fn = f1/Fe*2; wn = (fn*[.8 1]).^(2);b = fir1(50,wn);br = filter(b,1,br);t = T*[0 .05 .8 1];a = [0 1 .5 0];env = envelop(t,a,Fe);br = br.*env;s = s+br/7;s = s/(max(abs(s)));


Traduction de gammes.m en Scilab dans gammes.sce//----------------------------//--------------------------------// on fabrique une gamme chromatique au clavier//-------------------------------------------------------------clear allgetf("envelop.sci");getf("synthad.sci");getf("cloche.sci");// clavier azerty :notes = ['a','z' 'e' 'r' 't' 'y' 'u' 'i' 'o' 'p' 'q' 's' 'd'];Fe = 22050;f0 = 440; // la3 est la première notetemp = 2.^((0:12)/12); // fr = f0*temp; // fréquence des notes de la3 à la4 T = 1.5; // durée des notesfor k = 1:13 // on crée des notes de flute note = notes(k); execstr( strcat([note,'= cloche(fr(k),T,Fe);'])); // ou flute, ou orgue end// et on joue :disp('pour jouer, rentrez une note parmi :');disp('entrer a z e r t y u i o p q s ou d, suivi de enter');x = 0; // taper x pour terminernote = a; // length(note)= ?while length(note) >1 note = input('note suivante ?'); if length(note) == 1 disp('termine'); break end sound(note,Fe); // met l'amplitude du son à l'échelleend

La fonction getf obsolète est remplacée par execexec("envelop.sci"); // par exemple


Utiliser le type ‘cell’ de Matlab, exemple de ‘creegammes.m’

%% créer des notes et des airs avec les cellulesgamme={'do','dod','re','red','mi','fa','fad','sol','sold','la','lad','si'};dt=power(2,1/12);for g=1:5 frla=110*2^(g-1); for n=1:length(gamme) eval([gamme{n},num2str(g),'=frla*dt^(n-10);']) endend %%créer une mélodiejouer(la3,.3,1);jouer(si3,.3,0.75);jouer(dod4,.3,0.5);jouer(mi4,.3,.5);jouer(re4,.3,.5);jouer(re4,.3,.5);jouer(fad4,.3,1);jouer(mi4,.3,1);jouer(mi4,.6,1);jouer(la4,.4,1);jouer(sold4,.4,1);jouer(la4,.8,1);


Voici la fonction jouer utilisée par le script creegammes (jouer.m)

function note=jouer(fr,Dur,amp,Fs)% jouer possède 4 arguments, fr est la fréquence de la note% dur sa durée en seconde, ampl son amplitude initiale, et Fs% la fréquence d'échantillonnage. L'enveloppe est linéaire. % Par défaut, fr= 440Hz, Dur= 1s, amp= 1, et Fs= 8000Hz. % En l'absence d'argument de sortie, la note créée est jouée.f=440;D=1;a=1;fe=8000;switch nargin case 1 f=fr; case 2 f=fr; D=Dur; case 3 f=fr; D=Dur; a=amp; case 4 f=fr; D=Dur; a=amp; fe=Fs;end% construire la notet=[0:1/fe:D];note=a*sin(2*pi*f*t).*(1-t/D);if nargout==0 wavplay(note,fe)end

Traduction Scilab de jouer.m dans jouer.sce :function note=jouer(fr, Dur, amp, Fs)// fr est la fréquence de la note, Dur est sa durée en seconde, // ampl est son amplitude, Fs la fréquence d'échantillonnage.// enveloppe linéaire, fr=440Hz, Dur=1s, amp=1, Fs=8kHznbin=argn(2);//nbout=argn(1);//marche pas, toujours égal à 1 ???f=440;D=1;a=1;fe=8000;select nbin case 1 then f=fr; case 2 then f=fr; D=Dur; case 3 then f=fr; D=Dur; a=amp; case 4 then f=fr; D=Dur; a=amp; fe=Fs;endt=[0:1/fe:D];note=a*sin(2*%pi*f*t).*(1-t/D);// tester nbout pour reproduire nargout endfunction


calculer et afficher le spectre avec Matlab%% paramétrageN=1024Fe=44100D=2;f1=880;

%% son de cloches=cloche(f1,D,Fe);wavplay(s,Fe)

%% spectrefr=[0:N-1]*Fe/N;sp=abs(fft(s,N))/N;plot(fr(1:N/2),sp(1:N/2))gridxlabel('fréquence Hz')ylabel('spectre')title(['spectre', num2str(N), ... ' points']) 0 1 2 3

x 104

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

fréquence Hz

spec

tre

spectre1024 points


Afficher le spectrogramme avec Matlab

%% spectrogramme d'un arpèges=cloche(f1,D,Fe);s=[s,cloche(5*f1/8,D,Fe),...

cloche(3*f1/4,D,Fe)];wavplay(s,Fe)spectrogram(s,N,0,N,Fe,'yaxis')colorbar% cf. spectrogramme ci-contre %% idem pour un accordacc= cloche(f1,D,Fe)+ ...

cloche(5*f1/4,D,Fe)+ ... cloche(3*f1/2,D,Fe);acc= 0.99*acc/max(abs(acc));wavplay(acc,Fe)spectrogram(acc,N,0,N,Fe,'yaxis')colorbar % non tracé 1 2 3 4 5

0

0.5

1

1.5

2

x 104

Time

Fr

eque

ncy

(Hz)

-140

-120

-100

-80

-60

-40


Traduire le fichier creegammes.m en Scilab (creegammes.sce)

//créer des notes et des airs avec les cellulesgamme=['do','dod','re','red','mi','fa','fad','sol','sold','la','lad','si'];[nl,nc]=size(gamme);dt=2^(1/12);for g=1:5, frla=110*2^(g-1); for n=1:nc, execstr([gamme(n)+string(g)+'=frla*dt^(n-10);']) endend//créer une mélodieexec('jouer.sce');s=jouer(la3,.3,1);s=[s,jouer(si3,.3,0.75)];s=[s,jouer(dod4,.3,0.5)];s=[s,jouer(mi4,.3,.5)];s=[s,jouer(re4,.3,.5)];s=[s,jouer(re4,.3,.5)];s=[s,jouer(fad4,.3,1)];s=[s,jouer(mi4,.3,1)];s=[s,jouer(mi4,.4,1)];s=[s,jouer(la4,.4,1)];s=[s,jouer(sold4,.4,1)];s=[s,jouer(la4,.4,1)];sound(s,8000);savewave('majoie.wav',s,8000)


Traduction en Scilab des deux functions ‘synthad’ et ‘envelop’

function s = synthad(a,f,p,T,Fe)// s = synthad(a,f,p,T,Fe)// synthese additive// cette fonction cree un son de duree T, // compose des partiels f(n), d'amplitude a(n)// et de phase a l'origine p(n).// Fe est la frequence d'echantillonnage//---------------------------------------------// creation du vecteur temps discretdt = 1/Fe;t = 0:dt:T;n = length(t);// creation du son, boucle pour ajouter une a une// les composantes frequentielless = zeros(1,n);K = length(f);for k = 1:K s = s+a(k)*sin(2*%pi*f(k)*t+p(k));end// normalisation pour que les valeurs soient// toutes dans l'intervalle [-0.99 0.99]s = .99*s/max(abs(s));endfunction

function [env] = envelop(t,a,Fe)lt = length(t); T = t(lt);h = 1/Fe; th = 0:h:T;if t(1) >= T // test de validite de t error('t incompatible dans envelop'); endif lt ~= length(a) // test de compatibilité de t et a error('t et a de longueur différente dans envelop'); end// au cas où t ne serait pas strictement croissant :for k = 2:lt-1 if (t(k) <= t(k-1)) | (t(k) >= t(lt)) t(k) = (t(k-1)+t(lt))/2; endendn = length(th); env = zeros(1,n);ni = lt-1; c = zeros(1,ni+1); b = c;h2 = 0;for k = 1:ni h1 = h2+1; h2 = 1+floor(t(k+1)/h); cb = [t(k) 1; t(k+1) 1]\[a(k) ; a(k+1)]; c = cb(1); b = cb(2); env(h1:h2) = c*th(h1:h2)+b;endenv = .99*env/max(env);endfunction


Traduire pour Scilab le script Matlab dans ‘cloche.m’

function s = cloche(f1,T,Fe)// s = cloche(f1,T,Fe)// imitation d'une cloche// f1 = fréquence fondamentale// Fe = fréquence d‘échantillonnage// T = durée du son//---------------------------------------------

h = 1/Fe;th = 0:h:T;f = f1*[0.5 1 1.188 1.530 2.0000 2.470 2.607 2.650 2.991 ... 3.367 4.137 4.487 4.829 5.385 5.863 6.709 8.077 ... 8.547 9.017 9.530 11.026 12.393];a = [350 950 500 150 700 100 250 370 1000 180 300 ... 100 150 300 100 100 50 20 10 ... 35 5 15];s = synthad(a,f,0*f,T,Fe);t = T*[0 .001 .01 .4 .6 .9 1];a = [0 .6 1 .4 .2 .1 0];env = envelop(t,a,Fe);s = s.*env;endfunction


Analyser le script ci-dessous, et répondre aux questions posées

function [sdet,fe]=note(fr, dure,a, fe)% la fonction permet de créer une note sinusoïdale d’amplitude a% de fréquence fr et de durée dure avec la fréquence d’échantillonnage fe% par défaut, fr=440Hz, si a n'est pas précisé, a=0.75, % dure=1 si non précisé, si fe n'est pas précisé, fe=44100Hz% une enveloppe exponentielle est attachée à la note créée% la note est jouée s'il n'y a pas d'argument de sortie% Noter : ce commentaire apparaît dans l’aide : help noteif nargin==0, fr=440;dure=1;a=1; fe=44100; endif nargin ==1, dure=1;a=1;fe=44100; endif nargin ==2, a=1;fe=44100; end if nargin ==3, fe=44100; endtemps=[0: 1/fe : dure];env=exp(-temps/(dure/3));sdet= a*cos(2*pi*temps*fr).*env;if nargout==0, wavplay(sdet, fe), stem(temps, sdet) xlabel('temps (s)'), ylabel('note'),gridendend % optionnel

Quel doit être le nom du fichier qui le contient ?On saisit >> note; % dans la fenêtre de commande, quel est le résultat ?On saisit s=note; % Quel est le résultat ?Comment utiliser note pour créer un arpège puis pour créer un accord ?

arpege= [note(440), note(5*440/4), note(3*440/2), note(880,2,.5)];

accord= note(440)+note(5*440/4)+note(3*440/2);

note.m


L’éditeur de scripts de MATLAB• Taper edit, ou File/New/m-file, ou

utiliser la barre d’outils.• ‘%’ est le commentaire ‘%%’ permet

de découper le script en cellules exécutables une par une

• Publish in html permet de faire un compte rendu en html des résultats du script (images comprises)

• F9 evaluate selection• F5 run• L’exécution du script ead.m depuis

command window : >> eadseulement si le dossier contenant ead.m est dans le Path, ou dans le current directory

• File/Set Path, modifie le path :– suivi de Add Folder – puis Save, et Close

• En Scilab, faire exec(‘fichierScript’).– Fichiers .sce, ou .sci, ou .txt, ou …– Les fichiers scripts doivent être dans le

répertoire de travail, ou il faut préciser leur chemin

Publish html

Execute Cell

Dock


Ajouter une fonction nouvelle dans MATLAB

• Si la fonction est nommée 'notepure', le fichier script doit se nommer 'notepure.m'

• notepure.m doit se trouver dans le Path !!• On appelle ‘notepure’ depuis un script ou

après le prompt de commande avec :– notepure(‘la3.wav’, 0.5, 440, 1.5);– s = notepure(‘si.wav’, 0.5, 440, 1.5);

• Le nombre d'arguments donnés à l'appel d'une fonction peut varier, c'est Matlab qui gère :

– plot(t,s), – plot(s), – ou encore h=plot(t,s1,t,s2)

• Les deux variables 'nargin' et 'nargout' transmettent à la fonction appelée le nombre d'arguments d’entrée et de sortie spécifiés lors de l'appel.

• Dans Scilab, il faut exécuter l’instruction exec(‘monFichierScript’) pour pouvoir appeler les fonctions définies dans monFichierScript

• la dernière ligne ‘endfunction’ est obligatoire

Matlab contient déjà des fonctions, telles que plot(), wavread() …

l'utilisateur peut en ajouter, qui doivent respecter les mêmes règles :

Documents

2011-12, S.S.I.I., SI3, séance 3, Traiter le signal audio numérique avec Matlab ou Scilab, page 1 Traiter le signal audio numérique avec Matlab ou Scilab