acústica

Laboratoire d'Acoustique Musicale

Plan du document

1 . PRSENTATION DU LAM.................................................................................................................................1

2 . BILAN DES RECHERCHES PAR THME.............................................................................................................8

Thme 1 : Vibration, Rayonnement, Auto-Oscillation...............................................................................8Theme 2 : Analyse physique et simulations dinstruments de musique....................................................13Thme 3 : Lutherie, matriaux composites & contrle actif....................................................................23Thme 4 : Caracterisation acoustique et perceptive des sons.................................................................27Thme 5 : Acoustique des salles et de l'environnement...........................................................................36Theme 6 : Conservation des enregistrements sonores et audiovisuels....................................................42

3 . PUBLICATIONS.............................................................................................................................................47

3.1 - Publications majeures de niveau international...............................................................................473.2 - Les communications avec actes.......................................................................................................483.3 - Les confrences Invites dans les congrs internationaux..............................................................523.4 - Les autres publications....................................................................................................................523.5 - Rapports de contrasst......................................................................................................................54

4 . FORMATION PAR LA RECHERCHE ET ENSEIGNEMENT...................................................................................55

4.1 - Thses et mmoires encadrs au LAM.............................................................................................554.2 - Thses et mmoires encadrs hors du LAM.....................................................................................574.3 - Enseignement de l'acoustique..........................................................................................................584.4 - Autres enseignements.......................................................................................................................59

5 . COLLABORATIONS.......................................................................................................................................59

Universit Paris 6 - CNRS - Ministre de la CultureUMR 7604

Rapport d'activitLaboratoire d'Acoustique Musicale

1997-2000

Adresse : 11 Rue de Lourmel, 75015 - Paris; Tlphone : 01 53 95 43 20; Fax : 01 54 77 16 59.

Rapport d'activit 1997-2000 1

Laboratoire d'Acoustique Musicale Juin 2000

1 . Prsentation du lam

LAcoustique Musicale : une discipline

Dfinir l'acoustique est toujours un exercice difficile1. Si nous posons que l'acoustiqueest lascience du son, et traite de la gnration, de la transmission et de la rception des ondessonores, en quoi l'acoustique musicale est-elle particulire?

Tout d'abord le terme musical introduit une dimension humaine qui d'emble pointe versd'autres domaines que ceux des sciences physique et mcanique proprement dites. Laissant dect les aspects artistiques que nous ne sommes pas arms pour aborder, et reprenant ladfinition gnrale nonce plus haut, nous posons que ce qui fait la spcificit del'acoustique musicale, c'est la nature du rcepteur et son interaction toutes les tapes de lachane acoustique. Il s'agit d'un rcepteur humain. Ce rcepteur n'intervient pas seulement enbout de chane, mais ds la production. Enfin les proccupations fondamentales de cercepteur humain, bien loignes de nos soucis de mesure, sont : l'identification des sons, etplus particulirement dans le domaine musical, l'valuation des qualits des sons.

Les instruments de musique, labors depuis la plus haute antiquit, sont des objets qui,sous une apparence relativement simple, constituent l'aboutissement d'un savoir empiriquetrs labor pour produire des sons complexes, finement variables et extrmement efficaces l'oreille. Des dtails de leur structure, que l'on peut se croire autoris ngliger lors d'unemodlisation, se rvlent le plus souvent fondamentaux. Par provocation, E. Leipp avaitcoutume de dire "Une corde tendue sur un manche balai et frotte l'archet : c'est du violon".S'il est vrai qu'un tel systme permet de faire l'tude du systme excitateur de l'instrument dumme nom jou en musique, il en diffre fondamentalement. Tous les lments de la structureparticulire d'un violon ont un sens, car ils sont le rsultat d'un ncessaire compromis entreplusieurs contraintes : les donnes physiques (matriaux, rsistance mcanique, rendement etdure de vie) les contraintes anatomiques (dimensions, poids) et physiologiques d'un trehumain (jeu combin main gauche et main droite) ; l'adaptation du systme acoustique auxproprits de l'oreille humaine (efficacit, justesse); les caractristiques sonores recherchesdans une culture musicale donne en rapport avec les possibilits de la lutherie, sans compterla prise en compte des aspects esthtiques. Le problme de l'valuation des qualits sonoresde l'instrument s'inscrit ncssairement dans une connaissance globale de tous les lmentscits. Modifier un instrument pour "l'amliorer" ou crer un instrument nouveau, c'estrechercher un nouvel quilibre entre tous ces paramtres.

Que l'on considre le musicien instrumentiste ou le facteur on voit que la dimension"rception" est ncessairement en boucle avec la gnration du son, ds le point de dpart, etqu'il faut donc connatre les donnes de la perception humaine pour tudier de faon

1 La dfinition du dictionnaire Robert : "Acoustique. n.f. Partie de la physique (en relation avec la physiologie,la psychologie et la musique) qui traite des sons et ondes sonores (nature, production, propagation et rceptiondes sons)" fait preuve d'une ambiguit toute rvlatrice.



pertinente la physique de l'instrument. On pourrait de la mme faon analyser les spcificitsde l'tude acoustique des lieux de diffusion de la musique et celle des supports detransmission du signal musical, et montrer que la recherche de qualit sonore, par ailleursdifficile paramtrer pour qu'elle soit mise en correspondance avec les caractristiquesphysiques, est inscrite dans la conception des instruments de musique et constitue donc unecontrainte essentielle de notre discipline.

Ds la cration du laboratoire, ce point de vue a t affirm et a constitu la ligne deconduite de nos recherches. Les nombreux contacts avec les facteurs et les instrumentistesnous en ont confirm le bien-fond, et la double formation - scientifique et musicale - deschercheurs en a permis la ralisation au travers de nombreuses collaborations.

Depuis quelques annes, plusieurs recherches se dveloppent sur les thmes de la Ville(Environnement sonore urbain) et du Confort acoustique (bruits domestiques, TGV,habitacles automobiles). Le souci de s'inscrire dans les Programmes de Recherche pourbnficier de bourses de thses et favoriser le dbouch des tudiants s'est trouv combinavec celui de nos proccupations en recherche fondamentale sur la perception sonore. Nousavons ainsi pu transposer, dans le domaine du bruit, les comptences acquises l'tude deproblmes musicaux, et en particulier celui de la qualit sonore, concept aujourd'hui aupremier plan des proccupations des acteurs concerns par les problmes de bruit dans lasocit.

Le laboratoire

L'anne 1993 marque un tournant pour le LAM. C'est d'abord la cration d'une UMR - sousl'gide de l'Universit Paris 6, du CNRS (SPI) et du Ministre de la Culture (DMD) - quirassemble un groupe de chercheurs anims par la passion de l'Acoustique Musicale, et quibnficient du riche pass de 30 annes de recherches dveloppes par E. Leipp. C'est aussil'anne de cration d'un DEA original: l'ATIAM (Acoustique, Traitement du Signal etInformatique appliqus la Musique). Ce DEA national rassemble des quipes de l'IRCAM(Paris), du LMA (Marseille), du LAUM (Le Mans), de l'ENST (Paris) et de l'ACROE(Grenoble). Trois chercheurs du LAM s'y sont particulirement impliqus : Claude Valette,Benot Fabre et Michle Castellengo qui en assure aujourd'hui la responsabilit. Ce DEA aprogressivement drain de jeunes chercheurs dsirant approfondir leurs comptences l'interface "science/musique". Au cours des journes "jeunes chercheurs en acoustiquemusicale" qui se sont droules au LAM au mois de mai dernier, on comptait 25 doctorants enacoustique musicale, dont la moiti sont issus de l'Atiam.

Dmnagement du LAM

La priode du contrat qui s'achve, 1997-2000 a t riche en venements. A peine remisd'une complte restructuration des locaux de Jussieu2, rendue ncssaire par la croissance del'quipe et par le manque de lieux acoustiquement isols, nous avons appris, en juillet 1997, ladcision ferme de l'Universit de commencer les travaux de mise en conformit du campuspar la barre des "mcaniciens". La mise en route de l'opration, une tape d'incertitudesquand au lieu de destination et la dure de dplacement, a t grande consommatrice detemps, pass en assembles et runions de discussions avec les responsables. Finalement, et

2 Rappelons que lors de cette premire opration (1994 - 1996), les travaux ont t effectus en grande partie surle budget de l'unit, et ont mobilis les forces vives de l'ensemble des personnels, doctorants y compris, qui ontassur seuls le dmnagement complet du laboratoire et sa rinstallation.



aprs une priptie inattendue3 , le LAM s'est retrouv au 11 rue de Lourmel. Saluons icil'action conjugue des responsables de l'Etablissement Public et de l'Universit dontl'aboutissement s'est concrtis par l'installation du laboratoire dans un lieu agrable et calme,dot depuis peu des quipements en studios d'enregistrement et cabines d'coute4. Un despoints le plus apprci de tous est certainement l'unit de lieu. Les conditions de travail et lesrelations entre tous les personnels s'en ressentent de faon trs positive. Enfin la capacitd'accueil de la salle de runion, nous a permis de mettre en place un sminaire gnral (voir7.2) et d'organiser plusieurs cours du DEA Atiam. Le retour sur le campus de Jussieu estprvu pour la deuxime vague, soit en Septembre 2002.

Les recherches : thses, contrats et Actions Incitatives.

Malgr les remous provoqus par le dmnagement du laboratoire la recherche s'estdveloppe et 6 thses prpares au LAM ont t soutenues en 1998 et 1999.

Dans le cadre de la thmatique "perception de l'environnement sonore" nous avonsrpondu, en collaboration avec le LCPE, deux appels d'offre des programmes PREDIT, l'unen coopration avec la socit Acouphen et l'autre avec la SNCF. La demande prsente l'ACI "Ville" du Ministre, qui a permis d'obtenir un CDD jeune chercheur pour CorsinVogel, sera reprsente.

Trois axes prioritaires ont bnfici d'aides sur Action Incitatives du CNRS.

En premier le Son numrique, c'est dire, l'acquisition de programmes professionnels demontage numrique du son (Sonic Solution et Pro-Tools) ainsi que de l'environnementappropri (stations Mac Intosh + cartes d'acquisition; Magntophones DAT; graveurs de CD).Les chercheurs se sont investis dans cette nouvelle technologie qui permet maintenant defournir des exemples sonores de haute qualit, et de travailler avec beaucoup plus depossibilits dans le domaine perceptif.

L'aide accorde au thme Lutherie Matriaux composites et Contrle actif a permisd'acqurir un ensemble de contrle Temps-Rel comprenant la carte "d-space" et les logicielsde traitement spcialiss (matlab, simulink), ncessaires pour le travail de thse de RmyChollet (voir Thmes 2 et 3).

Enfin l'AI accorde en 1999 l'axe aroacoustique du Thme 2 a permis d'acqurirl'indispensable matriel de visualisation et de traitement numrique des images (Thme 2).

On trouvera dans les dveloppements de chaque thme, les renvois aux divers contratslists 6.1

La situation financire du laboratoire est tout fait satisfaisante grace aux soutiens des troistutelles dont les rles respectifs sont bien complmentaires. Par contre, la gestion proprementdite crot en complexit et en lourdeur et Catherine Fourcin y consacre une part croissante deson temps. Malgr la disparit des modes de gestion mis en oeuvre l'Universit (Nabuco) etau CNRS (X-Lab), nous souhaitons conserver une parit des nos ressources sur les deuxinstitutions afin de bnficier aussi de solutions propres chaque type de gestion. Nous enavons fait cruellement l'exprience lors d'un transfert de contrat. Blocages et pertes de tempssont de mauvais souvenirs.

3 Pour des raisons qui n'ont pas t lucides, le LAM n'a pas t intgr dans le projet d'installation au CEA. Cecontretemps a compliqu la situation. Il a fallu faire un nouveau projet, et le dcalage du calendrier dedmnagement a eu pour consquence que le plus gros de l'opration a t support en fait par 3 personnes.4 Les derniers travaux : cabine d'coute sche, studio de montage Berlioz, labo orgues et cabine audiomtriquen'ont t termins que dbut 2000.



L'quipe

L'quipe vit et bouge. En 1997 nous avons accueilli Jean-Marc Fontaine, Ingnieur auMinistre de la Culture, travaillant dans le cadre d'une convention de recherche avec laBibiliothque Nationale de France5. Il est en charge du thme 6 : conservation desenregistrements sonores et audiovisuels. Marc-Pierre Verge, recrut comme CR2 en 1995, aobtenu une mise en disponibilit pour crer une entreprise au Canada, afin d'y dvelopper unlogiciel de synthse par modles physiques. Il a gard un lien avec l'quipe 2 et projette derintgrer le LAM en septembre 2001. Jean-Dominique Polack, nomm professeur en 1996, asollicit trois ans de mise en disponibilit pour mettre en place un enseignement d'acoustique l'Universit Technique du Danemark. Prsent une semaine par mois, il assure activement saparticipation 3 contrats de recherche et l'encadrement de plusieurs thses. Il prvoit derevenir, d'ici deux ans, riche de son exprience danoise.

La rcente reconversion en astrophysique de Claude Valette dont l'quipe disparat est enquelque sorte compense par l'arrive de Vincent Gibiat du Laboratoire Ondes et Acoustiques(ESPCI) et de son groupe, dont l'activit de recherche s'inscrit directement dans nosthmatiques tout en la compltant par un volet "acoustique ultrasonore de milieux multi-chelles" du plus haut intrt pour l'quipe 3.

Par son rattachement au LAM, Daniel Ambroise, MdC l'UPMC apportera descomptences statistiques qui nous font dfaut. Cet apport est particulirement important pourles tudes sur le vieillissement du DVD (Thme 6, J.M. Fontaine) et pour le traitement desdonnes rsultant des travaux sur la perception. (Thme 4, M. Castellengo)

Depuis septembre 1996 nous bnficions, en partage avec le LMM des services d'uningnieur informaticien, Gwenal Robin, recrut par concours interne affect. La sparationgographique des deux laboratoires et la croissance effective des tches se sont soldes parune demande de mutation, en dcembre 1999. Nous sommes reconnaissants la DirectionScientifique du SPI/CNRS de nous avoir attribu un poste AFIP pour lequel le recrutementest en cours.

La collaboration dj forte avec l'quipe analyse synthse de la parole du LIMSI va serenforcer dans la perspective d'un rattachement possible d'ici deux ans.

Dans ce contexte, les membres du LAM ont souhait assurer une continuit de la Directiondu laboratoire pour le dbut du contrat. Compte tenu du dpart prvu de Michle Castellengo,un nouveau Directeur sera donc propos d'ici peu, au plus tard mi-parcours.

Perspectives d'avenir

L'quipe

Le Directeur attire l'attention des autorits de tutelle sur l'importance et l'urgence de trouverdes solutions pour stabiliser de jeunes docteurs. Ces solutions passent videmment par desrecrutements sur des postes de Matre de Confrence ou de chercheur.

5 Jean-Marc Fontaine a effectu deux dmnagements coup sur coup, avec un volume de matriel assezconsquent; le premier de Villepreux Jussieu, en 1997 et le second de Jussieu la Rue de Lourmel en 1998.



Actuellement les jeunes permanents : Bertrand David et Jean Gurard sont sur des postesde PRAG, solution d'attente qui laisse videmment trop peu de temps pour la recherche.Laurent Millot, qui a une charge d'enseignement quivalente, se trouve dans les mmesconditions.

Pour la perception sonore, axe prioritaire du laboratoire dont les nombreux contrats encours dmontrent et l'intrt et l'importance, le recrutement sur un poste "classique" estextrmement difficile en raison des cloisonnements thmatiques des institutions (Universitou CNRS). Une comptence pluridisciplinaire srieuse s'acquiert au prix d'efforts souvent peuvalorisants au dbut, et sa maturation recquiert du temps6. Valrie Maffiolo et Corsin Vogel,actuellement en Post-Doc, en ont pris le risque. Souhaitons que des actions dterminantespuissent tre mises en place pour assurer une continuit et permettre que les recherches sur laperception de l'environnement sonore dveloppes par les chercheurs du LAM et du LCPE sedveloppent en bnfiant des efforts investis.

Les recherches

Les recherches fondamentales sur la physique de la prodution sonore seront dveloppes:instruments de musique (thmes 1 et 2) ainsi que la synthse sonore par modle physique(thme 2 ) qui en est en quelque sorte le complment.

De mme les recherches globales, pluridisciplinaires, impliquant toutes les approches :facture, jeu, esthtique sonore, histoire organologique, en collaboration avec des facteurs etdes conservateurs de Muse. Ceci concerne la lutherie et l'innovation instrumentale (thme 3)et l'tude des instruments traditionnels (thmes 1 et 4).

L'axe rayonnement des sources et acoustique des lieux (thme 5) est un thme fondamental.Il est reli d'une part la perception et d'autre part aux thmes de l'environnement sonore.

Trois sujets pluridisciplinaires pour lesquels une comptence au LAM existe de longue datecontinuent se dvelopper d'autant qu'ils permettent de fdrer plusieurs chercheurs et dedvelopper des collaborations : la Voix chante, l'Orgue et le Piano.

L'expertise en qualit sonore, dveloppe depuis plusieurs annes pour les Instruments deMusique et transfre l'tude du confort acoustique sera fortement soutenue. Deuxprogrammes PREDIT (Environnement et SNCF) sont en cours, une demande au programmeVille sera propose en collaboration avec d'autres quipes (LCPE, LAUM, CERMA). Unrecrutement est indispensable sur ce thme.

L'axe 6, Conservation des enregistrements sonores, est redfini, en accord avec lesorientations de la Direction de la Recherche au Ministre de la Culture, notamment le plan denumrisation et le DVD.

Enfin les recherches de propagation en milieu homogne et multi chelles, qui continueront se dvelopper en interne dans la nouvelle quipe 1, trouveront progressivement desintractions avec les thmes des autres quipes.

Un projet de Plan Pluri-Formation est dpos sur le thme "aide la conceptiond'instruments composites actifs". Il runira le LAM, le LMM et deux chercheurs de l'EcolePolytechnique (LMS et IA), ainsi qu'un facteur de piano.

6 Nous nous permettons d'insister sur le fait que la pluridisciplinarit est particulirement difficile acqurirlorsqu'elle concerne deux domaines aussi distincts dans leurs enjeux et dans leurs mthodes, que les sciencesphysiques et les sciences humaines. Si la collaboration entre des quipes de ces deux domaines resteindispensable pour garantir une recherche de qualit, elle ne peut se raliser pleinement que lorsque au moins unpartenaire d'une des deux quipes a une culture pluridisciplinaire, ce qui ncessite un fort investissement de lapart de l'autre quipe.



Ainsi, en suscitant des collaborations pluridisciplinaires avec dautres laboratoires, le LAMsinscrit pleinement dans le dpartement du SPI du CNRS

Le LAM, maintenant bien intgr la communaut des mcaniciens de l'Universit Paris 6,est rattach la nouvelle Ecole Doctorale : Sciences Mcaniques, Acoustique et Electroniquede Paris, dirige par J.C. Guinot

Les liens avec le Ministre de la Culture, qui s'inscrivent dans le cadre du nouvel accordcadre CNRS/Culture sign en 1998, sont renforcs de fait par l'affectation directe de JeanMarc Fontaine au LAM et non plus la BnF.

Le nombre et la qualit des publications, la liste des contrats, la qualit et la diversit desrecherches tmoignent de la vitalit de l'acoustique musicale et de la dynamique de l'quipe.Au sein d'une communaut o les produits d'informatique musicale sont en croissance rapide,l'originalit et la force du LAM tiennent l'enracinement des connaissances dans l'tude desystmes mcaniques dont nous avons rappel la complexit au dbut de cet avant-propos,ainsi qu' la prise en compte des donnes de la perception dans une approche originale,distincte de celle de la psychoacoustique traditionnelle. Souhaitons que dans le cadre d'unenouvelle association, le recrutement de jeunes chercheurs permette d'assurer l'avenir d'undomaine de recherches en plein essor.

Michle Castellengo

31 MAI 2000



Personnel du Laboratoire (1997-2000)

1. ENSEIGNANTS/CHERCHEURS

AMBROISE Daniel MC1 Paris 6BOUTILLON Xavier CR1 CNRSCASTELLENGO Michle DR2 CNRS Directeur du laboratoireCUESTA Christian MC1 Paris 12FABRE Benoit MC1 Paris 6POLACK Jean-Dominique PR. Paris 6 disponibilit au 1/8/99VALETTE Claude DR2 CNRSVERGE Marc-Pierre CR2 CNRS disponibilit au 1/9/98

2. ITA

BESNAINOU Charles IR2 CNRSFONTAINE Jean-Marc IR1 Min CultureFOURCIN Catherine SARCS CNRSROBIN Gwenal IE2 CNRS mutation au 31/12/99

3. CHERCHEURS POST-DOC

DAVID Bertrand PRAG (ENSEA)GUYOT Frdrique (dpart le 30/9/97)GUERARD Jean PRAG (IFITEP)MILLOT Laurent Contractuel temps partielVOGEL Corsin CDD

4. CHERCHEURS PREPARANT UNE THESE

Financement Anne UnivCHOLLET Rmy E.N.S. 1999-2002 P6GUASTAVINO Catherine MESR 1999-2002 P6HENRICH Nathalie MESR 1998-2001 P6MAFFIOLO Valrie MESR 1995-1999 P6MZALI Myriam CIFRE 1998-2001 P6NATHANAIL Sandie Projet Eur. 1996-1999 MaineSEGOUFIN Claire DGA 1997-2000 P6

5. VACATAIRES

BERNHARD Jean-Yves Ingnieur du sonMAFFIOLO Ccile Aide-Bibliothcaire 1/11/98-30/6/99



2 . Bilan des recherches par thme

Tout au long de l'expos des recherches on trouvera entre [ ] les renvois la liste despublications et contrats de recherche donne .pp. 47 54. Les abrviations employes sont :

P = Publication majeure ; C = Communication avec acte; I = Confrence invite.; A =contribution ouvrage; CR = Contrat de recherche.

THEME 1 : VIBRATION, RAYONNEMENT, AUTO-OSCILLATION

CLAUDE VALETTE

Laccent est mis, dans ce thme, sur la physique des phnomnes utiliss dans lesinstruments de musique. Deux instruments font lobjet dune tude dtaille, l'harmonicadiatonique et la valiha. Le reste du travail, vise trs gnrale, utilise les connaissances quenous avons acquises lors dtudes dtailles antrieures.

tude de larodynamique de lharmonica diatonique (L. Millot)

[Thse; P 13; C 38; C 39; C 40]

Cest le travail de thse de Laurent Millot, qui a bnfici dune bourse de trois ansdans le cadre du DEA ATIAM. La thse, intitule tude des instabilits des valves :application lharmonica diatonique, a t soutenue le 2 dcembre 1999.

Rappelons que notre intrt pour cet instrument est n suite une demande de JolHanriot, harmoniciste professionnel. Une premire tude (Christian Cuesta et Claude Valette)avait cern la nature des mcanismes la base des techniques contemporaines de jeu (bend,overblow et overdraw), qui permettent de rendre linstrument compltement chromatiqueentre les mains de quelques virtuoses (possibilit de transposer un thme demi-ton par demi-ton douze fois). La ncessit de prendre explicitement en compte la cavit buccale dans lemcanisme dauto-oscillation lui mme, et non simplement dans la modification du timbrecomme lors des tudes antrieures, avait galement t tablie (stage dEugnie Goy).

Ltude exprimentale utilise comme prcdemment des jauges de contrainte colles surles anches, mais elle a t rendue beaucoup plus exhaustive en introduisant un capteur depression piezorsistif diffrentiel (pression relative la pression atmosphrique) : il sagitdune jauge miniature de la socit Endevco, linaire de 0 14 kHz et de 0 14 kPa. Lacavit buccale a galement t simule, pour des mesures, au moyen dune seringue. La figuremontre, de gauche droite, larrive des fils des jauges de contrainte, le capteur de pressionminiature et la seringue. Le modle construit par Laurent Millot permet de rendre comptecorrectement de tous les modes de jeu existants. Il met en vidence le rle des paramtres decontrle mcaniques (forme des anches au repos, rglage de loffset) ou physiologiques(pression, constriction palatale, position de la langue dans la bouche, positionnement deslvres). Il rpond donc aux interrogations des musiciens et, dans une version plus conviviale,le logiciel pourrait constituer, entre les mains dharmonicistes professionnels, un outilpermettant dvaluer ce qui est possible ou pas dans les techniques doverblow ou doverdrawnotamment. Ltude a permis de montrer le rle des voyelles fricatives dans le contrle dujeu pour produire, en particulier, les modes avancs.



Mettant profit le caractre sinusodal du mouvement des anches, qui a t prcisquantitativement (mesure du taux de distorsion harmonique), le modle repose sur lesquations non linaires de lcoulement dans le conduit vocal et dans lharmonica, quationsqui sont ensuite linarises afin de rechercher les conditions dinstabilit. Le conduit vocal estschmatis au moyen de deux cavits et de deux conduits, le premier conduit reprsentant laconstriction palatale, le second les lvres et le canal dentre de lharmonica. Le modle deconduit vocal, deux degrs de libert, prend donc en compte les deux premires rsonances.Lcoulement considr est une dimension. On le suppose adiabatique. Au travers desanches, on le suppose irrotationnel et incompressible. Les instabilits sont recherches enutilisant trois mthodes : la mthode de lquation caractristique, celle fonde sur la phase dela surpression amont/aval et celle des admittances acoustiques quivalentes.

Au moyen du modle, deux pistes pour une synthse ont t explores, en calculant leflux volumique sortant des anches. Les rsultats sont tout fait encourageants lcoute. Pouraller vraiment plus loin, il faudra rsoudre le rgime dauto-oscillation en conservant lesquations sous leur forme non linaire (la linarisation supprime, entre autres choses, toutepossibilit dun calcul de lamplitude).

tude de la valiha (J. Razafindrakoto)

[Thse]

La thse de Jobonina Razafindrakoto, La valiha de Madagascar : tradition etmodernit en Imerina de 1820 1995, a t mene bien et soutenue le 16 juin 1997 (Paris-Sorbonne, Doctorat de Musicologie, codirection Manfred Kelkel et Claude Valette, mentiontrs honorable avec les flicitations). Rappelons que la valiha, instrument national deMadagascar, est une cithare tubulaire essentiellement diatonique (voir figure). lorigine, lescordes sont en fibre vgtale directement tires du bambou qui constitue le corps. Maintenant,les cordes sont mtalliques, mais elles ont gard la mme disposition sur le corps :progression par tierces de part et dautre dune fente centrale au-dessus de laquelle estinstalle la premire corde du grave. La gamme diatonique se monte en alternant les cordes depart et dautre de la fente centrale, ce qui nest pas sans rappeler la disposition de lharmonicadiatonique dans lequel la gamme se monte alternativement en soufflant et en aspirant. Ltudecomprend des mesures sur les cordes (rle du matriau explicit), sur le corps rsonant, surlaccordage que ralise chaque musicien dans diffrents modes, les mesures venant appuyerune tude musicologique de la valiha et de son style de jeu. Un article prsentant la partieproprement physique du travail est en phase de correction.

Un systme de communication sonore chez les acariens (Y.Coineau; C. Valette)

[P 6]

Ce travail ponctuel a t effectu suite une demande dYves Coineau, professeur auMusum National dHistoire Naturelle. Ltude anatomique dun spcimen dacarienprovenant du Gabon ayant montr lexistence dun systme susceptible dexciter des ondessonores et den dtecter (voir figure), mon travail a consist valuer les ordres de grandeurpour dire si cette interprtation en termes dactivit physiologique pouvait avoir un sens.Lensemble du systme suppos metteur-rcepteur est constitu par trois phanres. Le poil Cqui comporte un pied solidement implant sur le tibia se prolonge par un long flagelle cili encouvillon fl suspendu sur une structure en ressort. Une languette postrieure lp tablit lecontact avec la trichobothrie T implante sur le tarse et qui se glisse au milieu du ressort desuspension du flagelle. Ce dernier grce sa grande surface de contact peut entrer enrsonance sous leffet dune excitation relativement faible et transmettre ses vibrations la



trichobothrie. Le dernier article prsente en outre un poil hypertrophi A solidement implantet dont larte suprieure porte une range de dents. La flexion du tarso-apotle qui le portepar rapport au tibia peut mettre en contact lpine e du poil C avec la range de dents du poilA, provocant ainsi une microstridulation. Le systme mis ainsi en vibration est susceptibledengendrer une onde sonore qui peut son tour exciter le systme quivalent port par uncongnre (ultrasons de porte relativement courte, vraisemblablement). Ce mcanisme,plausible, constitue une grande surprise car rien dquivalent na t jusquici observ chezles acariens. La confirmation directe par dtection sonore sera nanmoins difficile, dautantque la bte, provenant du Gabon, na pas t observe vivante jusquici. Le travail a donnlieu un article publi dans la revue internationale Acarologia.

Vibrations et acoustique, physique des instruments de musique (C. Valette)

[Voir 7.2]

Paralllement, jai souhait construire une prsentation densemble des instruments demusique reposant sur une modlisation physique cohrente. Les quelques ouvrages prsentantles instruments de musique partir de la mcanique me donnent toujours une impression demorcellement, de juxtaposition dtudes diverses sans lien profond entre elles. De plus, monexprience de professeur de flte me donne une ide prcise de ce que pourrait tre uneprsentation de la physique dun instrument de musique utilisable par un musicien : montrercomment les lois de la physique conditionnent le choix des dimensions, des formes et desmatriaux afin de satisfaire aux exigences de base de l'oreille, ne retenir que les lments lesplus simples qui permettent de dgager les paramtres significatifs, en insistant sur le contenuconceptuel et les ordres de grandeur. Je pense que c'est de ce "feeling scientifique" dont on abesoin dans le cadre d'une pratique artistique (musique, facture instrumentale, prise de sonetc.). Jai utilis mon travail pour concevoir des cours Louis-Lumire et au DEA ATIAM,jai donc une srie de textes compltement achevs sous FrameMaker (Acoustique Physique,Vibrations, lectroacoustique) que jaimerais pouvoir diffuser dans le public pour lequel jelai pens (musiciens, facteurs dinstruments, preneurs de son etc. ayant une culture de baseen physique). Si ce doit tre un livre, je ne voudrais pas me retrouver avec un prix imposcompltement dissuasif, comme cela sest pass pour le livre sur la Mcanique des cordesvibrantes que jai publi avec Christian Cuesta ; si cest un texte en libre accs sur Internet, ildevra rester sur un site abondamment visit.

Reconversion en Astrophysique

Ce nest pas une confusion de sigle (Laboratoire dAstrophysique de Meudon pourLaboratoire dAcoustique Musicale). Ce nest pas un mlange entre les consquences dunmme modle (gnration des ondes de choc par la mthode des caractristiques,enrichissement du timbre du trombone par formation dondes de choc dans la coulisse,gnration dondes de choc dans les nuages dhydrogne et naissance des toiles dans les brasgalactiques).

Jai commenc doucement dborder le cadre strict de lAcoustique Musicale dansmon travail densemble sur les instruments de musique depuis deux ans. Afin dapprofondirmon inventaire des processus dissipatifs, je me suis replong dans la mcanique statistique, ojai retrouv sans difficult la mcanique quantique. Mes lectures sur les transitions de phaseont ramen mon attention sur la notion de rupture de symtrie : jai t sidr de voircomment S. Weinberg tablit en quelques lignes toutes les proprits des supraconducteurs enpartant seulement de la rupture de symtrie par invariance de jauge (The Quantum Theory ofFields, vol.2 p.332, 1996). Jai rexamin tout mon travail sous cet clairage (rupturedinvariance par renversement du temps, mais conservation de linvariance par translation le



long dune paroi avec couche limite, le nombre donde restant rel, alors que linvariance partranslation est brise l o linstrument rayonne, le nombre donde ntant plus rel). Mtantretrouv par ce dtour dans la cosmologie, je me suis initi en amateur la relativit gnrale(S. Weinberg, Gravitation and Cosmology). Jai finalement contact Alain Lger fin octobre1999, puis rejoint en cours de route le DEA Meudon. Alain Lger est linitiateur du projetDarwin de dtection de la vie sur des exoplantes.

Ma nouvelle orientation implique, naturellement, la disparition de mon quipe, ce quine devrait pas poser de difficult particulire. En effet, le moment est favorable pour deuxraisons. Christian Cuesta se trouve maintenant trs absorb par de tches administratives car ila accept la direction du Dpartement de Mesures Physiques dans son IUT de Paris 12.Laurent Millot quant lui commence sa priode post-doctorale : deux stages de fin d'tude(INSA de Toulouse et FSMS du Conservatoire de Musique de Paris) devraient respectivementpermettre une tude des non-linarits et des possiblits de synthse par modle physiquedans le cas de l'harmonica. Paralllement, un autre stage de fin d'tudes (FSMS) seral'occasion de dbuter, avec des enseignants de l'ENS Louis lumire, un travail de recherchesur la qualit des stations de travail audionumrique.



THEME 2 : ANALYSE PHYSIQUE ET SIMULATIONS DINSTRUMENTS DE MUSIQUE

XAVIER BOUTILLON

Structures vibrantes dans les instruments de musique

B. David, X. Boutillon, C.A. Faure, B. Fabre - collaboration H. Vach, M. Facchinetti,Ecole Polytechnique ; G. Weinreich, Universit du Michigan.

[P2; P4; P7; P12; C4; C5; C15; C16]

Lobjectif est de caractriser finement les structures vibrantes instrumentales en vue decomprendre leurs proprits musicales. Nous avons travaill dune part sur lanalyseparamtrique des rponses un impact pour en extraire les dures de dcroissance modale etdautre part sur lexploration des modes propres par holographie interfromtrique (coll.Ecole Polytechnique). Les principaux rsultats ont t la mesure du rendement acoustique desstructures, la caractrisation de linfluence sur un carillon de sa restauration par sablage, unevisualisation des dissymtries modales de cloches et la saisie des modes propres danches declarinette en vue dune simulation numrique de linstrument complet. Enfin, une tude sur lamobilit mcanique tridimensionnelle a vu son aboutissement au cours de la priode ainsi queltude drive sur la calibration des acclromtres.

Dcroissances modales de structures vibrantes

La dcroissance modale des structures vibrantes est un paramtre important en acoustique.Sur les instruments vibration libre (percussions, piano, guitare, etc.), elle a une incidencedirecte sur le timbre. Sur les instruments cordes en gnral, la dcroissance des modes decordes, de caisse (violon, guitare, ...) ou de table (piano, ...) est lie indirectement lamplitude du son rayonn via leur rendement acoustique. En ingnierie acoustique,lamortissement est pris en compte de plus en plus finement dans les logiciels de prdiction.Nos recherches comportent une part de traitement de signal et une exprimentationacoustique. Elles ont donn lieu une application directe en facture instrumentale.

A partir de travaux rcents7 8, un algorithme bien adapt la physique des instruments demusique a t mis au point, capable de rsoudre plusieurs modes de frquences trs prochesmais de taux de dcroissance temporelle trs diffrents, grce loptimisation des paramtresdanalyse et lapplication de pr-traitements (filtrage ad hoc et translations de frquencenotamment). La dtermination du rendement acoustique repose sur une mesure de variationde la dcroissance. Une valuation systmatique de la fiabilit des paramtres estims(incertitude ou marge de confiance) a t ralise, ce qui reprsente un progrs important parrapport aux travaux publis antrieurement et permet damliorer considrablement la qualitdes rsultats.

7 Sarkar T. K., Hua Y. (1990), Matrix Pencil Method for estimating parameters of exponentiallydumped/undumped sinusoids in noise, IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, 38 (5),p. 814-824.8 Laroche J. (1993), The use of the Matrix Pencil Method for the spectral analysis of musical signals, J.Acoust. Soc. Am. 94 (4), p. 1958-1965.



Qualification dune procdure de restauration de cloches - Aide la factureinstrumentale

Variation de l'amortissement des cloches du carillon de Perpignan du fait de sa restauration

Le carillon de la cathdrale de Perpignan, class Monument historique, a fait rcemmentlobjet dune restauration minutieuse. Ltude acoustique dont nous avons t chargs visaitnotamment analyser les changements apports par la restauration sur les frquences et lesamortissements propres des cloches. Ltude a mis en vidence que le sablage na pas modifiles frquences propres mais diminu denviron 15% en moyenne les amortissements. La miseau point dune analyse largement automatise permet galement denvisager de mettre cetoutil disposition des facteurs, trs demandeurs de moyens de mesure et dinformations surles dcroissances modales.

Rendement acoustique dune structure vibrante

Lamplitude du son rayonn est un paramtre primordial pour quasiment tous lesinstruments. Motivs entre autres par des questions de facture instrumentale (remplacementdu bois par des matriaux composites, aux proprits nergtiques diffrentes ; vieillissementou schage des bois), nous avons entrepris de mesurer le rendement acoustique desinstruments cordes, dans une approche purement quantitative pour linstant. Les structurestudies (simples plaques, pour valider lapproche ou instruments complets) sont places sous



dpression ambiante variable dans une chambre vide. pression nulle, le rayonnementacoustique est impossible. Les dcroissances modales sont releves des pressions ambiantesdcroissantes.

Mise sous vide de plaques (mtal, composites, bois)Une fois automatise la dtermination de la dcroissance et de la frquence dun mode

vibratoire, nous avons mesur le facteur de rayonnement de plaques et leur rendementacoustique en fonction de la frquence. Les rsultats sont conformes aux prdictionsthoriques et ont t intgrs aux travaux mens par plusieurs quipes franaises de laCommission C. Valor de validation des progiciels vibro-acoustiques (groupe de travail mixteSFA / SFM). Laccord entre nos mesures et celles ralises par dautres quipes ou prditespar des logiciels est remarquable et valide du mme coup cette nouvelle approche durayonnement acoustique des plaques.

Les premires mesures sur des tables dharmonie de violon en composite ne sont pasencore assez prcises pour en dduire directement le rendement. On peut toutefois lestimerinfrieur 10% dans les cas mesurs (en dessous de 1500 Hz). Le problme vient de ce que laprcision sur la mesure de la dcroissance est considrablement dgrade pour lesdcroissances rapides (une plaque de bois sonne beaucoup moins longtemps que sonhomologue mtallique. La solution que nous avons commenc de mettre en uvre consiste comparer dans le vide et dans lair les modes des cordes fixes sur linstrument, dcroissance plus longue.

Rsultats sur la guitare

Un modle simple dcrivant le couplage corde-chevalet en terme dadmittance permetdexpliquer un rsultat surprenant : certains partiels de la vibration de corde prsentent desamortissements plus forts dans le vide. En analysant les conditions du mouvement de lastructure, entran par celui de la corde, on trouve que la dcroissance est plus forte dans levide si limpdance au chevalet est essentiellement dissipative et quelle est linverse plusfaible si limpdance est essentiellement ractive. Le rendement acoustique peut tre dduitdans chacun des cas partir de la mesure de la dcroissance temporelle des modes de cordesen fonction de la pression statique. Nous trouvons9 un rendement acoustique compris entre15% et 60% sur une plage de frquence 80-2500 Hz.

Dformes modales de cloches

Nous avons utilis la visualisation des modes propres des structures mcaniques parholographie laser dans un contexte pdagogique (projets exprimentaux de lcolePolytechnique) pour mettre en vidence comment une asymtrie structurelle levait ladgnrescence des modes dune structure symtrie axiale. Ce travail montre galementcomment les deux modes issus de cette brisure de symtrie sont situs lun sur un minimum etlautre sur un maximum local de lnergie de vibration.

Dformes modales danches de clarinette

cf. simulation numrique de clarinette

9 David B. (1999), Caractrisations acoustiques de structures vibrantes par mise en atmosphre rarfie, thsede Doctorat de lUniversit Paris 6.

16


Excitation des instruments vent

B. Fabre, X. Boutillon, M.P. Verge, C. Sgoufin ; coll. Universit Technique deEindhoven, Universit Chalmers, Universit du Michigan.

[P3; P6bis; P10; P16; P17; C2; C43; C44; C45; I5; I6; I7; A3; A4 A5]

Instruments embouchure de flte

Ltude du fonctionnement physique des instruments embouchure de flte (flte bec,tuyau dorgue, flte traversire etc) mle diffrents aspects : acoustique, mcanique desfluides, aro-acoustique, culture instrumentale (facture, organologie, techniques de jeu).Lobjectif que nous poursuivons reste modeste dans le sens o la facture instrumentale intgrebon nombre de raffinements visant amliorer la sonorit des instruments que lapprochephysique ne permet pas de comprendre dans ltat actuel de nos connaissances. Dans le cadreglobal des modles de fonctionnement qui sont dvelopps au LAM depuis 1988, il sagitactuellement de tenter dinterprter certains points de facture comme par exemple la courbureinterne dun canal de flte bec, larrondi du biseau, les dents pratiques sur le fond dun tuyau dorgue. Ainsi, certaines tudes menes au LAM sont dclenches par un souci decomprhension de certains dtails dont la culture instrumentale (facture, techniques dejeu, organologie) nous enseigne limportance.

Les outils mis en uvre pour ce travail sont

lexprimentation (mesures acoustiques, visualisation de lcoulement10) sur desinstruments, des instruments gomtrie simplifies (idalises) ou des sous-parties dinstruments (jet libre, jet + biseau etc)

la simulation dcoulement : Fluent, Reduced Navier-Stokes [LMM], Castem[CEA], Boltzman rseau

la modlisation : intgration dans un modle global des descriptions desinteractions localises

la synthse sonore (validation perceptive)

les collaborations avec des facteurs dinstruments : discussions, ralisationdinstruments adapts aux contraintes exprimentales

Afin denrichir le travail des diffrents points de vue cits plus haut, ces tudes seffectuenten collaboration avec divers institutions ou personnes :

- au sein mme de notre UFR : Laboratoire de Modlisation en Mcanique (LMM)

- le Laboratoire de Dynamique des Fluides de lUniversit Technique de Eindhoven(Pays-Bas)

- le Laboratoire de Simulation Numrique des Ecoulements Fluides SINUMEF delENSAM-Paris

- lIRCAM (Institut de Recherche et Coordination Acoustique Musique)

- des facteurs dinstruments : Jean-Yves Roosen, Claire Soubeyran (fltestraversires), Jean-Luc Boudreau, Henri Gohin (fltes bec) , Munetaka Yokota(Orgues).

10 Une aide spcifique accorde en 1999 par le CNRS nous a permis de mettre en place un dispositif optique devisualisation de lcoulement par strioscopie rapide (100ns) intgrant une camra rapide haute dfinition. Voir lafigure prsente plus bas.



- la Socit Applied Acoustic Systems : synthse sonore par modles physiques.

Les recherches menes au LAM sur les instruments embouchure de flte peuvent treclasses en trois phases dont les deux dernires se sont droules dans les quatre annescoules :

- Analyse des interactions coulement/champ acoustique en vue dobtenir unmodle global de lauto-oscillation

- Etude du comportement du modle au regard des donnes exprimentales

- Analyse dtaille de certains points durs du modle

Analyse des interactions coulement/champ acoustique

Les diffrents lments ont tout dabord t dcrits: formation et comportement instable dujet, nature diplaire des sources acoustiques associes au mouvement du jet au biseau, sourcelarge bande associe la turbulence dans lcoulement, formation de tourbillons au biseau pardcollement de lcoulement induit par le champ acoustique, entretien de loscillationacoustique dans le rsonateur. Les modles couramment utiliss dans la littrature ont tanalyss, critiqus, dnoncs pour certains, au regard des donnes exprimentales. Desmodles simplifis ont t proposs.

Etude du comportement du modle

Nous avons intgr les lments dans un modle global de lauto-oscillation. Lanalyse ducomportement du modle confronte des donnes exprimentales permet den apprcier lapertinence ainsi que les limitations. Le modle a ainsi pu tre test au moyen de :

bilans de puissance : dtermination de lamplitude doscillation en rgimestationnaire

linarisation : dtermination du seuil basse pression doscillation

synthse sonore par modle physique : validation perceptive.

Les modles dvelopps ont ainsi pu tre valid (comportement global et ordres degrandeur) pour des jets laminaires, ce qui correspond une gamme de pression dalimentationcorrespondant au jeu standard de la flte bec. Cependant, certains lments du modlefont lobjet, par manque de connaissance physique, dune description trs simplifie. Citons titre dexemple : le modle doscillation du jet est un modle linaire correspondant unprofil de vitesse du jet de type Bickley ; le dtail de la perturbation transversale du jet par lechamp acoustique et en particulier linfluence des chanfreins que lon trouve dans la flte bec nest pas apprci. Ces lments constituent les points durs faisant lobjet de latroisime phase. Avant de la dcrire, notons cependant que les rsultats obtenus en terme desynthse sonore ont t particulirement remarqus et ont maintenant trouv une applicationcommerciale dans le logiciel de synthse dvelopp par la socit canadienne Applied-Acoustics-Systems.

Points durs

Afin de pouvoir interprter physiquement des points de facture comme le rle deschanfreins cit comme exemple ci-dessus, il est ncessaire dtudier certaines interactionscoulement / champ acoustique avec plus de dtails. Les travaux ont port sur :

- leffet de la courbure interne du canal de la flte bec

Le premier paramtre de facture vis dans cette tude est la longueur du canal.Alors quun coulement de type Poiseuille se forme si le canal est assez long, leprofil de vitesse interne au canal montre des couches limites plus fines dans le casdun canal court. Nous avons en premier lieu observ exprimentalement



linfluence de la longueur du canal sur le fonctionnement global de linstrument(seuils de fonctionnement et de changement de rgime, amplitude et spectre dusignal de pression interne au rsonateur). Nous avons par la suite dvelopp uneinterprtation des rsultats exprimentaux base sur lanalyse du comportementinstable du jet en fonction de son profil de vitesse (voir figure 1). Ce dernier estdduit par raccordement du profil interne au canal puis on procde la rsolutionde lquation de Rayleigh pour lamplification spatiale sur un jet infini. Les profilsestims ont pu tre valids par des mesures de vitesse au fil chaud en sortie ducanal ralises par nos collaborateurs hollandais ainsi que des simulations directesde lcoulement suivant trois techniques diffrentes : logiciels Fluent, ReducedNavier-Stokes (LMM), Castem (CEA). Enfin, le comportement instable du jetsoumis une excitation acoustique transversale est tudi exprimentalement dansle cadre des projets actuels faisant appel au montage de visualisation delcoulement. La figure 2 montre les coefficients damplification spatiale obtenuspour un canal court et un canal long et la figure 3 le comportement observ lorsdune excitation acoustique contrle (haut-parleur).

Figure 1 : profils de lcoulement interne et externe au canal dune flte bec pourun canal court (a) et un canal long (b)

Figure 2 : Variation en fonction de la frquence rduite du coefficient damplificationspatiale dune perturbation sur un jet issu dun canal court (trait plein) et dun canallong (trait pointill). Les frquences des trois premiers harmoniques en jeu pressionfaible dans un tuyau dorgue exprimental sont portes (*) pour rfrence.

Le second paramtre est la courbure interne du canal. La convergence du canal quelon observe couramment dans les fltes bec a t tudie. Son effet sur le profilde vitesse du jet a t value par les techniques cites ci-dessus. Une premireinterprtation t propose.

- le rle des chanfreins



Des mesures exprimentales ont montr leffet important de stabilisation deloscillation apport par les chanfreins prsents en sortie du canal.

- linfluence du systme en amont du canal : bouche du fltiste bec ou pied du tuyaudorgue.

Il sagit ici dapprcier le rle de rsonateur acoustique que constitue le rservoirintermdiaire : la bouche du fltiste bec ou le pied du tuyau dorgue. En effet, lesfluctuations de pression dues la rsonance acoustique dans le tuyau sont, au point deformation du jet ou lumire, du mme ordre de grandeur que la pression statique durservoir. Aussi, si le canal ne filtre pas trop et namortit pas trop le phnomne, onassiste des fluctuations de la vitesse du jet. Des mesures ont t effectues sur untuyau dorgue, qui montrent grce un modle bas sur lquation de Bernoulli enrgime variable, que les effets des rsonances de la cavit intermdiaire sont trsfortement attnus. Dans le cas de la flte bec, les fluctuations de vitesse du jet ainsignres induisent des pertes dont lordre de grandeur est comparable aux pertesvisco-thermiques dans le rsonateur.

Figure X

Figure 3 : Visualisation par strioscopie du comportement instable dun jet soumis une excitation acoustique force par haut parleur. Epaisseur du jet : 1mm, Reynolds :

650 , excitation acoustique transversale : 150 Hz.

Anches lippales

Les cuivres (trompettes, trombone, cor, etc.) ont pour excitateur les lvres delinstrumentiste qui forment une anche dite forte, dans la mesure o sa vibration possde unecertaine autonomie par rapport au tuyau. Les lves sexercent dailleurs gnrer un son enutilisant la seule embouchure. Les observations directes du mouvement des lvres montrentque les deux lvres ne vibrent pas de faon identique et que le mouvement de chacune estassez complexe. Il nous a donc paru intressant de chercher connatre combien de degrs delibert taient impliqus dans la dynamique des lvres en vibration autonome, couples laseule embouchure. La mthode consiste enregistrer une squence aussi stable que possible(un systme humain nest pas parfaitement contrlable) au voisinage de lembouchure ; cette



srie temporelle est ensuite analyse par des techniques utilises dans ltude des systmesdynamiques non-linaires (cest videmment le cas ici) au fonctionnement ventuellementchaotique : la quantit dinformation Hn (ou entropie du signal) est calcule pour diffrentesdimensions de plongement11 de la srie et diffrentes rsolutions (en nombre de bits). Ondtermine ainsi la dimension d de lattracteur sur lequel volue le signal reprsentatif de ltatdu systme. La figure montre que la dimension de lattracteur est 1 lorsquun trompettistesouffle dans un rsonateur de Helmholtz rsonance renforce, 2 lorsque le couplage entrelvres et rsonateur est diminu par linsertion dun bouchon acoustique et 3 lorsquundbutant souffle dans lembouchure seule (son de buzz). Dautres essais semblent montrerque lattracteur du son de buzz na pas la mme dimension pour un professionnel et pour unjoueur moins expriment.

Dimension dinformation, pour diffrentes situations physiques.

Simulations dinstruments de musique

M.P. Verge, B. Fabre, X. Boutillon, J. Gurard coll. A. Hirschberg, Universit techniquede Eindhoven; A. Constantinescu, M. Facchinetti, Ecole Polytechnique.

[P18; C25; C46; I8; I9; A13]

Synthse par modles physiques

Nous avons mis au point un programme permettant de simuler en temps-rel lefonctionnement des instruments embouchure de flte. Ce travail a t ralis encollaboration avec des chercheurs du laboratoire de dynamique des fluides de lUniversit de

11 Gershenfeld N. (1993), Information in dynamics, in Proceedings of the Workshop on Physics andComputation, edited by D. Matzke, 276-280, IEEE Press, Los Alamitos, CA.



Technologie dEindhoven aux Pays-Bas. La synthse sonore est ralise partir dun modlearo-acoustique dcrivant lcoulement dans lembouchure de linstrument. Ce modlepermet de simuler le comportement instable du jet, son interaction avec le champ acoustiquedu rsonateur, la formation de tourbillons aux diffrentes artes de lembouchure ainsi que lebruit de turbulence. Le rsonateur est modlis laide du formalisme des guides dondedigitaux. Le programme permet dajuster, dans une certaine mesure, la gomtrie dursonateur. Une application de ce travail est la synthse sonore pour la musique. Ainsi lemodle peut tre "jou" en le contrlant laide de signaux MIDI. Marc-Pierre Verge, quimenait ces travaux, a obtenu de la part du CNRS une mise en disponibilit pour la cration Montral, dune entreprise spcialise dans les logiciels sonores pour des applicationsmusicales et de post-production.

Simulation hybride de flte

Dans ce type de ralisation, lembouchure de linstrument est conserve telle quelle et peuttre joue par le musicien. Le corps de linstrument est remplac par un court tuyau muni demicrophones et dun haut-parleur. Un calcul effectu en temps rel par un DSP partir dessignaux microphoniques (traits en analogique au pralable) permet de sparer les ondes dansle tuyau selon leur direction de propagation. Un autre calcul permet de commander le haut-parleur de sorte quil substitue la fonction de rflexion naturelle du tuyau de remplacement(muni de ce haut-parleur) une fonction de rflexion souhaite ; ainsi, on recre lembouchure une pression acoustique en principe identique celle quon aurait avec uninstrument naturel. On peut donc muler des modifications du rsonateur de linstrument sansen altrer la perce, la rpartition des trous, etc. mais par simple changement des paramtres ducalcul. La premire flte bec hybride ainsi ralise joue dans son premier registre sur uneoctave environ et octavie normalement.

Une corde virtuelle frotte par un archet rel avait t ralise prcdemment selon unprincipe semblable : le mouvement de Helmholtz avait t obtenu mais la plage de stabilittait extrmement rduite.

Simulation numrique de clarinette

En collaboration avec des collgues de lEcole Polytechnique, nous avons effectu unesimulation numrique dune clarinette complte prenant en compte les diffrents modespropres de lanche, la non-linarit de contact et un modle simplifi dcoulement. Lancheest modlise en lments finis (CASTEM, valide par une analyse modale pralable), ainsique la premire partie du conduit acoustique ; ds lors que les ondes deviennent planes lintrieur du tuyau, on peut les modliser par une simple impdance acoustique, raccorde ce qui prcde. La non-linarit de contact entre lanche et le bec est prise en compte etlaction du flux dair entre lanche et le bec est modlise par une loi de Bernoulli.Lapproche retenue consiste projeter les conditions aux limites (variables dans le temps) surla base modale du systme et calculer ainsi pas pas le fonctionnement dynamique delensemble anche - jet dair (simplifi) tuyau (complet). Les premires simulationsobtenues sont trs encourageantes et constituent une premire dans le domaine. Lobjectif estde parvenir tudier les effets des proprits dune anche prise dans sa complexit.



Autres

X. Boutillon, B. Fabre, M.P. Verge, J. Gurard ; coll. M. Dauvois, Institut de Palontologiehumaine.

[P11; C3; C47; C13; C14; C26; C27; C28; A1; A2]

Dautres travaux, relis au cadre dvelopp plus haut, ont t mens : sur le fonctionnementdes tuyaux sonores, sur la mcanique de piano (point dvelopp dans les projets de lquipe).

La mise au point du programme de synthse sonore de flte par modle physique, a surtoutrepos sur un dveloppement des connaissances du mcanisme dexcitation ; il a toutefoisfallu dvelopper galement un modle fin du rsonateur ce qui nous a amen travailler leschemines latrales des tuyaux sonores.

Le travail de simulation de flte hybride sinscrit dans un cadre plus large de contrle actifde son dans un conduit pour lequel existe un modle explicite de propagation. Nous sommesainsi parvenus raliser un contrle dau moins 40 dB sur plusieurs kHz. Une autreapplication rside dans la rflectomtrie et la mesure de profils de conduits acoustiques.

Les tudes de paloacoustique , sifflets, fltes prhistoriques, acoustique en grotte orne,lithophones ont donn lieu des communications varies et sont maintenant acheves.



THEME 3 : LUTHERIE, MATERIAUX COMPOSITES & CONTROLE ACTIF

CHARLES BESNAINOU

La priode 1996-2000 a t marque par la poursuite du dveloppement d'instruments demusique de qualit en matriaux composites. Ces instruments ont acquis leurs lettres denoblesse auprs des luthiers et des musiciens les plus exigeants. Ainsi s'est tablie unecollaboration avec un luthier de violon de grande renomme, Joseph Curtin aux tats-Unis.Par ailleurs, les deux derniers CD du concertiste Rafal Andia ont t gravs grce uneguitare classique fabrique au LAM. Le contrle actif appliqu aux instruments de musiqueest entr dans une nouvelle phase avec Rmy Chollet, normalien qui en a fait son sujet dethse (co-direction avec Xavier Boutillon). Un vaste projet sur le piano a commenc sestructurer avec plusieurs acteurs (voir plus loin : prospective). D'ores et dj, les rsultatsd'une tude prliminaire modlisant la table d'harmonie de piano ouvrent des perspectivesintressantes dans la comprhension et la modlisation du savoir-faire des artisans facteurs.

Matriaux composites (sujet initi en 1986) (Ch. Besnainou; S. Vaiedelich, E.Marandas)

[I1; I2; C13]]

Dernier avatar dans les tentatives de transfert de technologie vers une PME de la lutherie duquatuor corde, le contrat de collaboration, violon 2000 avec la socit Aubert-Moinier deMirecourt pour la ralisation industrielle d'un violon d'tude en composite s'est sold par ledpt de bilan de la socit en 1997. Les raisons en sont essentiellement l'incapacit de cettesocit matriser sa trsorerie. Nous ne sommes pas les seuls tre amers, tous lespartenaires de ce projet (prototypiste en injection, fabricant de moules, bureau d'tude calculde structure, stylicien, habillage et texture, le LAM) qui s'taient largement impliqus au-delde leur rmunration ont assist, impuissants, l'abandon du projet qui en tait dans la phasefinale de prsrie.

Le procs en appel qui nous opposait la socit ATN International a t conclu en fvrier2000 : les juges ont reconnu au CNRS le droit de rsilier la licence qu'il avait prcdemmentoctroye ; d'autre part, ils ont aussi condamn ATN payer les redevances impayes auCNRS, de plus ils lui ont interdit de produire et de vendre des instruments utilisant latechnologie mise au point au LAM. Il reste que cette socit continue de produire et deproposer la vente des instruments selon notre technologie !

Nanmoins, la conception d'instrument de musique en matriaux composites est maintenantarrive maturit. La qualit acoustique est reconnue par les musiciens et plusieurs facteurssont demandeurs de formation ces nouvelles technologies. J'ai t invit au dernier congrsinternational d'acoustique faire une confrence faisant le point sur la question Seattle (ICA98). Jai par ailleurs t invit animer un atelier sur ma pratique des composites destins des professionnels de la lutherie lors du dernier ISMA 98 dans l'tat de Washington. Quelquessemaines auparavant Joseph Curtin, luthier Ann Abor, Michigan, m'invitait dans son atelierpour tre initi aux composites, depuis nous poursuivons une riche interaction [voir II.2.5].

En mai 1998, avec Eric Marandas, artisan rparateur de piano, nous avons amorc unecollaboration fructueuse en "retablant" un piano droit avec une table composite. Les rsultats,plus qu'encourageants, nous ont dcid concevoir un projet plus vaste sur le piano.



Contrle actif appliqu aux instruments de musique : la synthse sonore parstimulation modale [S3M] (sujet dmarr en 1993) (R. Chollet)

[C1: C8]

Changer la voix des instrument de musique tout en conservant la relation privilgie entrele musicien et son instrument. Les rsultats de base ont t obtenus ds 1995, en particuliergrce deux types de contrleurs de la boucle de raction : 1) contrle actif en frquence,phase et amplitude (CAFPA), 2) contrle actif par impulsions codes (CAPIC). Cesensembles utilisent les techniques analogiques qui rclament pour chaque fonction de contrleun rglage spcifique qui malheureusement anile le prcdent. En 1998, le CNRS nous aaccord une Action Incitative sur Programme (AIP) de 100 kF pour l'achat d'un ensemblenumrique temps rel d-space dvolu a ce projet. Avec un tel systme, chaque fonction decontrle peut tre ainsi prennise et stocke en mmoire.

Bien que le projet violon 2000 ait contenu la participation de Charles Besnainou la S3M,les travaux se sont poursuivis avec plusieurs tudiants dont j'ai encadr les stages (voir liste 4.1].

1996, Rmy Chollet (DEA EEA) : tude d'un nouveau type de contrleur commandeproportionnelle, drive, intgrale (PID), systme issu de l'automatique, qui se rvle plussouple d'utilisation que les prcdents.

1997, Guillaume Aeberli (DEA ATIAM) : ralisation d'un tel contrleur PID pour laModification de la rsonance de Helmholtz de la guitare par contrle actif dans une versionhybride (semi-analogique, semi numrique, voir figure) avec l'aide de Jean Gurard (thsard).Ce travail est la prfiguration d'un projet visant valuer les contributions respectives de lacaisse et de la table dans le rayonnement de la guitare. Publication accepte au 5me CongrsFranais d'Acoustique, Lausanne 2000.

1997, ric Nabor (DEA ATIAM) : Implantation sur une carte DSP "temps rel" du contrleurnumrique PID. Tout ce travail sera repris lorsque l'on recevra l'ensemble d-space.

1998, Renaud Deback (PFE INSA de LYON) : tude d'un capteur-actionneur destin laModification de l'impdance de couplage entre la corde et le chevalet du violon par contrleactif.

En 1999, dbute la thse de Rmy Chollet intitule tude des proprits musicales desinstruments cordes en utilisant le contrle actif. Prise en main pralable de la carte d-space.

Modlisation d'une table de piano (J. Frelat; V. Maurel)

Il s'agit d'une tude de faisabilit pour comprendre le rle de la prcontrainte que lesfacteurs de pianos inscrivent dans une table d'harmonie pralablement la mise sous la chargedu plan des cordes. Ce travail de modlisation et de calcul n'aurait pas pu tre men sans lacollaboration de Jol Frelat (CR) du Laboratoire de Modlisation en Mcanique.

En 1999, Vincent Maurel (DEA ATIAM), dans une tude prliminaire au rayonnementd'une table de piano prcontrainte tablit qu'avec une prcontrainte donne, les cinq premiersmodes de vibrations de la table du piano peuvent avoir une efficacit de rayonnement deplusieurs ordres de grandeurs suprieurs, compars ceux de la mme table sansprcontrainte. Ces rsultats sont le point de dpart du projet piano dvelopp plus loin.



Encadrement

Citons 4 projets de recherche qui ont donn lieu des tudes ponctuelles.

Perception de la qualit acoustique des archets de violon, Bndicte St-Loubry, (DEAATIAM); 1996

tude mcanique et perception de la qualit acoustique d'archets de violon, ClotildeLouvain, matrise de mcanique, Universit de St Quentin-en-Yvelines. 1996

tude comparative de diffrentes marques de cordes de violon, Emmanuelle Peter,CNSM, classe d'acoustique musicale du Conservatoire de Paris,1999,

La sourdine du violon, Sophie Charlet, CNSM, classe d'acoustique (ibid) 1999



THEME 4 : CARACTERISATION ACOUSTIQUE ET PERCEPTIVE DES SONS

MICHELE CASTELLENGO

L'objectif principal de ce thme de recherche concerne l'tude des processus perceptifs, misen jeu dans l'coute des phnomnes sonores, qu'il s'agisse de musique, pour laquelle nousavons une comptence particulire, ou de bruits au sens gnral.

La tche des psychoacousticiens consiste mettre en relation les grandeurs manipules parles musiciens: hauteur, intensit, dure, timbre, avec les paramtres du signal sonore. Or,depuis que nous avons dvelopp aussi notre recherche dans le domaine des sons del'environnement, nos connaissances en perception sonore se sont approfondies. En effet, il at ncessaire d'introduire deux niveaux dans la perception sonore. Au premier niveauintervient la reconnaissance du son : voix, bruit mcanique, cri animal. C'est l'coute de typevnementiel ou encore causal, qui constitue l'essentiel de notre coute de l'environnementsonore. Elle s'effectue inconsciemment aussi lors de l'coute musicale, bien que nous ne lasollicitions que rarement. En effet, les sources sonores habituelles de la musique sonttotalement prvisibles (piano, voix, batterie..). L'coute musicale porte donc moins sur lessons en eux-mmes que sur les rapports des grandeurs acoustiques qu'ils vhiculent. C'estdonc, un deuxime niveau de perception, une coute qualitative des proprits des sonsdans leurs relations mutuelles. Lorsqu'elle s'impose en musique, l'coute vnementiellemobilise l'attention et perturbe l'coute musicale proprement dite. Elle peut resurgir l'audition de musiques inhabituelles (cultures trangres, musiques d'avant garde) et surtoutlors de l'utilisation de bruits.12 .

Cette prise en compte de deux niveaux d'coute, causale et qualitative, permet par ailleursd'aborder l'tude du timbre dans une approche renouvele. Elle a permis galement de poserclairement le problme de l'tude de la qualit sonore des bruits de l'environnement, enremettant au premier plan des questionnements, la smantique sonore. Nous posons commepralable que tout son fait sens pour un auditeur. Ce n'est qu'en deuxime lieu que l'on peutrechercher les raisons des qualits perues et pour ce qui concerne l'environnement, lesnotions d'agrment ou de dsagrment. De la mme faon, l'tude des qualits timbrales dessons musicaux (clair, "chaud") ne peuvent tre aborde que dans le cadre d'une catgorieinstrumentale dfinie, connue des auditeurs.

L'analyse que nous venons de prsenter s'appuie sur une recherche de longue date, dont lespremiers lments ont publis en 1986. Elle n'aurait pu aboutir sans une collaboration troiteavec une quipe de psychologues et plus particulirement Danile Dubois, psycholinguiste.

12P. Schaeffer dcrit avec beaucoup de dtails les problmes qui l'ont conduit dvelopper une coute de typenouveau pour les musiques qu'il crait avec des bruits enregistrs. (A la recherche d'une musique concrte, d.du Seuil, Paris, 1955)



1 - Mthodologie gnrale de la recherche en Perception sonore : (Groupe derecherches : LAM : Michle Castellengo et J.D.Polack Polack- LCPE : DanileDubois et Sophie David)

[C 37; C49; C50; A5; A10]

La mthode gnrale de recherche en perception sonore que nous avons progressivementmise en place au LAM est originale et se diffrencie aussi bien des approches de lapsychoacoustique que de celles de l'intelligence artificielle. Elle se propose d'aborder l'tudede toutes sortes d'vnements sonores : musique, parole ou bruits. Les ides de base ont tdveloppes lors de la thse de F. Guyot : Etude de la perception sonore en termes dereconnaissance et d'apprciation qualitative : une approche par la catgorisation (1996). Surla base des notions de catgorisation prototypique, apprhendes dans l'optique de D. Dubois,nous avons dfini les principes de notre mthode exprimentale de tests sonores. Les motscls en sont:

- validit cologique des stimuli et de la situation de test;- catgorisation libre,- verbalisation.

Le traitement linguistique des verbalisations permet ensuite de remonter au niveausignificatif pour l'auditeur, donc d'interprter les rsultats. Lorsque les stimuli sonores s'yprtent (bruits d'aspirateurs, sons des Steel-Pans), la modification de certains paramtresacoustiques des stimuli par resynthse permet de vrifier notre interprtation des rsultats.

Cette approche conduit une tude raliste de la "qualit sonore" des bruits, del'environnement, mais aussi des sons musicaux. Nous exposons maintenant les diffrentssujets abords.

2 - Etudes de la qualit sonore

Caractrisation acoustique et smantique de la qualit sonore de l'environnementurbain. (V. Maffiolo, D. Dubois, J.D. Polack; C. Villain)

[Thse; C 34, C35, C36, C37; A7, A8; I 4; contrats CR1; CR3; CR4]

La thse de Valrie Maffiolo illustre particulirement bien les principes qui viennent d'trenoncs mais, la diffrence des bruits tudis par F. Guyot (aspirateurs et bruitsdomestiques), la nature des stimuli : l'ambiance sonore urbaine, est ici particulirementcomplexe. Il a fallu d'abord slectionner des squences significatives pour les sujets etreprsentatives de la ville, au cours d'une tude approfondie (questionnaires; reprsentationsgraphiques et verbalisations) faite en collaboration troite avec Corsin Vogel, doctorant duThme 5. En deuxime lieu, un travail systmatique d'valuation des dispositifs de prise deson en extrieur a permis de dfinir une mthode d'enregistrement et de restitution desambiances sonores en laboratoire "cologiquement valide". 16 squences sonores ont tslectionnes (environ 15 s.), 8 de type "vnementiel" comprenant des bruits reprables, et 8de type "amorphe" reprsentative du bruit de fond diffus. Deux questions taient au centre del'tude : la perception de l'intensit sonore et celle de l'agrment (aspect plus ou moinsplaisant). Le travail a port la fois sur des changements d'intensit des stimuli (originaux ounormaliss); des changements de consigne de tests (intensit, agrment, identit) et des typesde tests diffrents (catgorisation libre, consigne sur une paire, note de dissimilarit).



Squence sonore "vnementielle" (N5)

Squence sonore "amorphe" (N7)

Les rsultats ont clairement montr, par l'analyse conjugue des regroupements et desverbalisations, que les traitements des sujets diffraient, selon que le contenu des scnessonores tait de type "vnementiel" ou de type "amorphe".



On en conclut que la seule mesure de l'intensit est insuffisante, et qu'il faut prendre encompte la structuration des reprsentations mentales des ambiances sonores pour les sujets,tant l'incidence de la signification de ces ambiances est manifeste sur leurs apprciationsqualitatives.

Les mmes concepts de recherche ont t appliqus l'valuation de qualit perue desespaces verts de la Ville de Paris. L'tude a montr la forte interaction des donnes visuellesavec les donnes auditives pour l'valuation de la qualit globale (cf CR 3; directionscientifique D. Dubois).

Identification des sons : Donnes temporelles et spectrales (G. Cohen, D. Dubois)

[DEA Atiam]

Guillaume Cohen a tudi les temps de raction la reconnaissance d'une srie de sonsbrefs extraits de l'environnement quotidien. Les rsultats ont montr que l'on pouvait relier lavitesse de raction la familiarit, et le retard des rponses la complexit des vnements,c'est dire la nature des bruits. La catgorisation a mis en vidence 4 classes de bruits dansl'ordre de familiarit dcroissante. 1. la voix humaine, 2. les sons des animaux, 3. les sonsmusicaux, 4. les bruits. Les bruits produits par l'homme sont des catgories prioritaires.

Evaluation de la qualit des archets de violon (B. Saint-Loubry; D. Dubois; ChBesnainou)

[DEA Atiam]

Ce sujet de recherche exceptionnel est reprsentatif des exigences et de la complexit quel'on rencontre en acoustique musicale. L'objectif tait de comparer les qualits d'archets deviolon raliss en bois et en matriaux composites. 12 archets ont t rassembls : 4 archetsanciens trs estims, 3 archets contemporains en bois et 5 archets carbone. Pour valuer cesarchets, B. Saint-Loubry a sollicit d'une part 14 archetiers travaillant le bois ou le carbone, etd'autre part 13 musiciens tous professioniels, professeurs et musiciens d'orchestre. Lesmusiciens essayaient leur archet sur un instrument de rfrence et sur leur violon personnel;les archetiers les testaient au moyen des manipulations qui leur sont propres (flexion, torsionsdiverses). Chaque sujet devait effectuer une catgorisation avec pour consigne la qualit, etexpliquer verbalement les types de regroupement. Dans le peu de temps imparti (stage deDEA Atiam) les rsultats ont mis en vidence la complexit des interactions sensoriellesintervenant dans l'valuation globale: tactile et sonore pour le musicien (couple main+archet/violon); tactile et visuelle (esthtique) pour les archetiers. La recherche n'a pas pu trepoursuivie, faute de financement.

Transitoire d'attaque des steel-pan.(P. Gaillard; M.Castellengo)

[Thse + C 22]

Les Steel-drums, instrument invents aux iles Carabes pendant la 1re moiti du 20mesicle sont raliss avec des bidons d'huile dont la surface suprieure est travaille(emboutissage et martelage) de faon circonscrire des zones vibrantes correspondant desmodes propres accords, en relation quasi harmonique entre eux. Lorsqu'un secteur est mis envibration par frappement, de nombreux couplages s'effectuent de sorte que la dured'tablissement du son est pratiquement intermdiaire entre celle d'une percussion et celled'autres modes d'excitation comme l'archet ou le souffle. Une srie de tests de catgorisationlibre ont t mis en place pour explorer la perception de ces sons qui prsentaient l'intrtparticulier d'tre inconnus de nombre d'auditeurs. Un seuil temporel de prise en compte dutransitoire est propos.



Evaluation de la qualit sonore d'un orgue : comparaison avant et aprs restauration(M. Castellengo, Ch Besnainou, J.D. Polack, J.Y.Bernhard)

[C15, Monuments historiques]

L'orgue est un instrument trs complexe dont la qualit sonore d'ensemble, lie celles dulieu d'mplantation, est compltement dtermine par les rglages effectus sur chacun destuyaux au moment de sa construction. Les interventions sur l'instrument sont donc desoprations exceptionnelles. Nous avons t chargs plusieurs reprises, d'effectuerl'inventaire sonore d'instruments de grande valeur, afin de permettre un bilan comparatif avantpuis aprs la restauration. En 1997 et en novembre 1999 deux missions ont ainsi teffectues Ebersmunster, pour enregistrer l'orgue Jan Andreas Silberman de l'glise Saint-Maurice (1732). Les dpouillements de l'enregistrement sonore et les analyses acoustiques quiferont l'objet d'un rapport la Direction Rgionale des Affaires Culturelle d'Alsace, sont encours de ralisation.

Sons de bouche des transitoires d'attaque des tuyaux embouchure de flte (M.Castellengo)

[P5]

Cette publication qui reprend des recherches effectues entre 1969 et 1976 lors de la thse,montre qu'une approche perceptive et musicale de l'analyse exprimentale des transitoiresd'attaque des tuyaux bouche apporte une contribution originale la comprhension desphnomnes physiques mis en jeu. Le rle des sons de biseau du systme buccal dans laproduction sonore du tuyau complet a t clairement mis en vidence. Recherchs par lefacteur d'instruments de style baroque (tuyaux d'orgue et fltes bec), les sons de bouche quisont trs sensibles aux faibles variations de pression se produisant au moment du transitoireinitial, jouent un rle important dans la nettet et la qualit de l'attaque de ces instruments.

3 - Voix chante

3.1 Analyse acoustique et perception de la source en voix chante (N. Henrich, Chd'Alessandro, B. Doval, N. Molinier)

[C 29; C30; C31; Thse, DEA]

La qualit vocale, dans la parole comme dans le chant, repose en grande partie sur lesproprits de la source de voisement. En s'appuyant sur le modle acoustique source-filtre, onpeut tudier les paramtres de la source de dbit glottique pour caractriser les diffrentesproductions vocales. Plusieurs modles paramtriques de l'onde de dbit glottique ont tproposs mais ils ne possdent pas tous les mmes paramtres, ni le mme nombre deparamtres. Nanmoins, dans tous les modles, on retrouve comme paramtres la priode devoisement (T0), le quotient d'ouverture (Oq), et au moins un paramtre qui rgle la vitesse defermeture (par exemple la pente spectrale). Ces deux derniers paramtres sont donc au centrede ce travail de recherche, dont le propos est de dvelopper des mthodes de mesures oud'estimations de ces paramtres et de les appliquer, afin d'analyser et de caractriserdiffrentes productions vocales. Trois axes de recherche sont exploits :

1. des mesures exprimentales sont effectues sur la source larynge, en particulier l'aidede l'lectroglottographie qui permet de rendre compte des variations temporellesd'accolement des cordes vocales.

2. des techniques d'estimation spectrale de ces paramtres sont dveloppes, en s'appuyantsur des modles temporels et spectraux de la source et du conduit vocal.



3. une exprimentation perceptive est mise en place, afin de relier ces paramtres la qualitvocale perue par les auditeurs et de dterminer des seuils perceptifs de variation.

Ce travail de recherche se droule en collaboration troite avec l'quipe Analyse, Synthseet Perception du groupe Traitement du Langage Parl du LIMSI.

1 .Mesures exprimentales :

L'lectroglottographie est une mthode d'exploration non-invasive, qui permet de mesurerle quotient d'ouverture, dfini comme le rapport de la dure d'ouverture glottique sur lapriode de vibration des cordes vocales. Le signal lectroglottographique, proportionnel l'impdance lectrique du cou, varie en fonction de la surface de contact des cordes vocales.En le drivant, on obtient pour chaque priode deux pics assez nets, de sens oppos. Le pic leplus marqu correspond au moment de fermeture glottique, tandis que l'autre pic peut trereli l'instant d'ouverture glottique. La dtermination de ces deux instants permet alors deconnatre la valeur du quotient d'ouverture. Ceci est illustr sur la figure suivante, quireprsente le signal acoustique (en haut), le signal lectroglottographique (au milieu) et sadrive (en bas). Le quotient d'ouverture se dduit du rapport entre d1 et d2. Les signauxacoustiques et lectroglottographiques de chanteurs professionnels ont t enregistrssimultanment. La figure suivante illustre les donnes acoustiques extraites de ces signaux, enparticulier la frquence fondamentale F0, le quotient d'ouverture Oq et l'intensit acoustique Iau niveau du microphone.

Les signaux acoustiques et lectroglottographiques de chanteurs professionnels ont tenregistrs simultanment. La figure suivante illustre les donnes acoustiques extraites de cessignaux, en particulier la frquence fondamentale F0, le quotient d'ouverture Oq et l'intensitacoustique I au niveau du microphone.

Signal

DriveEGG

EGG



Les mesures lectroglottographiques de quotient d'ouverture ralises sur les chanteurs ontabouti aux rsultats suivants :

des diffrences significatives de quotient d'ouverture entre les voix d'homme et lesvoix de femme, ce qui s'explique principalement par le fait que les hommes n'utilisentpas le mme registre laryng que les femmes, lors de l'mission vocale (les barytonschantent en mode 1, registre laryng caractris par des cordes vocales paisses, vibrantsur toute leur longueur, tandis que les sopranes utilisent le mode 2, pour lequel la massevibrante est rduite et la tension musculaire plus importante).

une corrlation entre l'intensit vocale et le quotient d'ouverture, quelque soit lahauteur du son mis. Quand l'intensit vocale augmente, le chanteur tend diminuer sonquotient d'ouverture, donc garder les cordes vocales en contact plus longtemps(relativement la priode) lors de la phonation. Cet effet ne se retrouve pas en mode 2,o on observe mme parfois l'effet inverse, c'est--dire une augmentation du quotientd'ouverture lors d'une augmentation d'intensit.

des variations dynamiques de quotient d'ouverture plus importantes en voix parlequ'en voix chante, ce qui semble naturel si l'on pense que le chanteur met l'accent surl'homognit et la continuit sonore. En voix parle, ces variations sontvraisemblablement lies la prosodie et l'articulation.

2. Estimation spectrale des paramtres de l'onde de dbit glottique

Dans le cas d'une fermeture abrupte des cordes vocales lors de la phonation (pentespectrale nulle), la source est modlise spectralement par un filtre linaire anticausal d'ordre2, dont les coefficients peuvent tre relis simplement aux paramtres de source T0 (priodefondamentale), AV (amplitude de l'onde dbit glottique), Oq (quotient d'ouverture) et a m(coefficient d'asymtrie de l'onde de dbit glottique). Estimer ces paramtres revient donc



trouver le filtre qui correspond au mieux l'onde de dbit glottique obtenue par filtrageinverse du signal acoustique.

3. Exprimentation perceptive.

L'objet de cette tude est de mettre en vidence le rle perceptif du quotient d'ouverture etde dterminer des seuils perceptifs de variation. Une premire tape consiste synthtiser deschantillons sonores dont on matrise les paramtres de source (en particulier le quotientd'ouverture). Toute la difficult de cette tape rside dans le naturel du signal synthtique.Une exprimentation perceptive sur les chantillons synthtiques permet ensuite dedterminer ces seuils perceptifs de variation.

4. Contacts

Dans le cadre de cette recherche nous avons effectu deux visites auprs de chercheursspcialistes de la voix :

- H. Schtte, concepteur de la Videokymographie et D. Miller qui a dvelopp le logicielVoce Vista au voice Research Laboratory de Groningen (Pays Bas)

- A. Fourcin, un des premiers utilisateurs de l'electroglottographe; University College ofLondon.

3.2 Etude acoustique des registres vocaux (M. Castellengo,,B. Roubeau)

L'tude des registres vocaux, amorce en 1982 avec Bernard Roubeau orthophoniste, estd'une grande complexit, tant par les difficults d'observation et d'accs aux mesures que posel'appareil phonatoire humain, que par la diversit des opinions contradictoires qui opposentchercheurs et praticiens. Nous avons particip plusieurs rencontres scientifiques et dediverses associations (Socit Franaise de phoniatrie; Association des Professeurs de Chant),et les deux notions de "registre laryng" et "registre rsonantiel" sont maintenant bienacceptes.

Phontogrammes vocaux des diffrents registres (B.Roubeau; P. Bodin; M. Ragot)

[Mmoires d'orthophonie; Confrences]

Le phontogramme rend compte de l'tendue dynamique de la voix. Dans le cadre de nosrecherches sur les mcanismes layngs nous avons entrepris l'exploration systmatique duphontogramme dans chacun des registres laryngs. 40 sujtes se sont prts l'examen :hommes, femmes, chanteurs ou non chanteurs et enfants. Une tude plus spcifique dutroisime registre a aussi t mene. Ce travail a fait l'objet de deux mmoires d'orthophoniesous la direction de B. Roubeau et en collaboration avec M. Castellengo.

Les registres des chanteurs (B. Chuberre; Ch. Mathias; M. Castellengo; N. Henrich)

L'enseignement d'acoustique musicale donn au CNSM se conclut par un Mmoire derecherche. Deux lves, par ailleurs laurats de la classe de chant lyrique ont pu utiliser lesconnaissances acquises en acoustique pour tudier la voix des chanteurs dans une optiqueprofessionnelle13. Chantal Mathias, soprano lyrique a fait le point sur "la voix de femme". Lebaryton Bertrand Chuberre couronne simultanment ses tudes de mdecine, sa spcialit dephoniatrie et le prix de la classe d'acoustique avec un remarquable travail de recherche surdeux techniques d'adaptation vocale particulires au chant classique : "la couverture et la voix

13 La situation est habituellement inverse : les scientifiques tudient la voix des chanteurs... Ici la confianceentre chercheur et sujet est totale, et surtout, le questionnement est parfaitement cibl.



mixte" ansi que sur le problme spcfique de "la voix de sifflet,". Il a pu bnficier desrcentes avances dans l'analyse de l'lectroglottogramme dveloppes par Nathalie Henrich.

3.3 Atelier Voix Chante

L'Atelier Voix Chante a t ractiv en 1998. Il regroupe mensuellement au LAM un petitnombre de chercheurs et de professionnels de la voix, qui portent tous un intrt particulier la voix chante et son tude. Il a t pens comme un groupe de travail, plutt qu'uneconfrence, et les participants sont donc activement engags dans une recherche autour duthme de l'atelier. La motivation directe d'u

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