WO2018154188A1 - Instrument de musique acoustique augmenté avec actionneurs de rétroaction et d'injection - Google Patents

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Adrien Mamou-Mani
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Definitions

  • the present invention relates to a processing of acoustic data captured on a musical instrument having an acoustically radiating structure. More particularly, it is intended to feed one or more actuators of the radiating structure of the instrument with a signal developed from acoustic data captured and processed, and this to enrich the vibratory properties and in particular the sound from the instrument with desired sound effects (echo, reverb, distortion, equalization, etc.).
  • stringed musical instruments have a radiating structure (soundboard and possibly sound box) coupled to an easel carrying the strings. It is then proposed in the context of the present invention to resonate the radiating structure with a particular effect, in addition to playing the musician.
  • the musician plays a note that the radiating structure amplifies and diffuses, but in addition, one or more actuators acting on the radiating structure then apply a vibration to the structure to replay this note at regular time intervals with a decrease in amplitude to simulate the echo effect.
  • the radiating structure of the instrument is used as a "diffuser” or “loudspeaker". speaker “of the sound signal transformed by a device DEV type” pedal effects ".
  • one or more PCM sensors are mounted on the sound box guitar (for example at the rosette). This (these) sensor (s) captures (s) the acoustic vibrations of the radiating structure.
  • the digital signal corresponding to this acoustic signal is transmitted to the input E of a device DEV applying the desired effect (s) and controlling, by its output S, actuators ACT applied against the sound box CAI to vibrate the body according to the effects chosen by the DEV device user.
  • the sound radiated by the instrument is thus the sum of the acoustic sound played by the musician and his transformations by the DEV device (without the need to pass the signal captured in an amplification chain, as conventionally performed and illustrated in FIG. 1 ).
  • the transformations thus applied are generally digital audio effects (reverb (or “reverb”), chorus, distortion, equalization) injected into “feedforward", that is to say that the treatments do not take into account the feedback emitted by the actuators on the sensors.
  • the radiated sound has a poor quality, for example compared to another instrument or to that obtained by a conventional amplifier chain of the type illustrated in FIG. 1.
  • These two defects come from the fact that characteristics of the radiating structure and / or of its coupling with the excitation by the strings are not taken into account.
  • the vibratory characteristics of the radiating structure transform the signals emitted by the actuators unequally according to the frequencies. This is due in particular to the regions of the body where the resonance modes induce amplitude changes from one frequency to another.
  • This uneven feature is imposed by the maker of the instrument and is indicative of the quality of the instrument when played by pinching the strings.
  • the excitement is done by the actuators, it induces uneven sound quality according to the notes played.
  • the present invention improves the situation.
  • the method comprises:
  • the activation of the actuator is controlled hybrid mode feedback / injection, type "feedback / feedforward”.
  • said transfer function can be measured in open loop
  • the setpoint chosen may comprise a command of at least one sound effect among a change of sound amplitude, an equalization, an echo, a reverberation, a distortion, a phase change, a change of frequency, amplitude modulation, and a combination of these sound effects.
  • gains of the feedforward type can be adjusted according to the sound effect setpoint, by updating the transfer function measured in step a).
  • gains from feedback control can be updated according to the sound effect setpoint.
  • a microphone can be provided to capture an acoustic pressure in the air near the radiating structure.
  • the method may then comprise the measurement of a second transfer function of the actuator assembly, radiating structure, said microphone.
  • Such an embodiment allows activation of the actuator driven in feedback / feedforward mode, with a particularly refined estimation of the feedback control gains as a function also of this second transfer function (illustrated by reference H2 in FIGS. 6 commented later).
  • a use of the method according to this embodiment may consist in configuring the aforesaid computer means to give the characteristics both vibratory (first aforementioned transfer function) and sound (second aforementioned transfer function) of a chosen instrument (virtual) to the real instrument.
  • the sound data processing can be performed by sample, at a latency preferably less than one hundred microseconds. This is typically a physical input / output audio latency (before analog to digital converter and after digital to analog converter).
  • the radiating structure comprises a sound box of a stringed musical instrument
  • the aforementioned transfer function is measured strings muffled.
  • the radiating structure comprises a sound box of a stringed musical instrument
  • two actuators are provided on either side of the bridge carrying the strings.
  • the present invention is also directed to a computer program comprising instructions for implementing the above method when this program is executed by a processor.
  • Figure 7 commented further illustrates by way of example a flow chart of a possible algorithm of such a computer program.
  • the present invention also provides a device comprising a processing circuit configured for the implementation of the method above, as described in detail below.
  • FIG. 1 illustrates the conventional assembly of an instrument connected to an effects pedal, itself connected to an amplifier
  • FIG. 2 illustrates a mounting, in the sense of the invention, of a sensor and one or more actuators on an instrument connected to a device managing the actuators, in particular as a function of an instruction from a user of the device,
  • FIG. 3 illustrates the transformation of the timbre of an instrument, here by simple control of the feedforward type modifying the radiated sound pressure p (primary path since the excitation of the string), and shows in particular that the secondary path (of the sensor actuator) can induce instability in the absence of feedback control;
  • FIG. 4 illustrates an adjustment of a "feedback" type feedback control (FB) following the measurement of the transfer function between the sensor and the open loop actuator;
  • FB feedback type feedback control
  • FIG. 5 illustrates a feedforward (FF) control adjustment, as a function of the effect chosen by the musician
  • FIG. 6 illustrates a parallel adjustment of the feedback control, updated to take into account the new values of the feedforward control imposed by the instruction of the effect chosen by the musician;
  • FIG. 7 illustrates a flowchart representing the steps of an exemplary method within the meaning of the present invention
  • FIG. 8 illustrates an exemplary device for implementing the invention
  • FIG. 9 illustrates an advantageous exemplary embodiment of an equipment for a guitar, connected to a device within the meaning of the invention
  • FIGS. 10A, 10B and 1 OC illustrate the operations carried out in an exemplary embodiment to obtain parameters determined from the aforementioned transfer function H1, with a view to the feedforward control.
  • an acoustic guitar equipped with a device according to the invention is provided with:
  • one or more (for example two) electrodynamic ACT actuators mounted here in parallel on each side of the bridge, and
  • a DIS device (connected by its input E to the sensor, and its output S to the actuators).
  • the device comprises:
  • the physical latency of the treatments does not exceed a few microseconds.
  • the DIS device operates substantially in real-time (at very low latency, for example a few microseconds between the input E and the output S).
  • the device DIS comprises a microcontroller or more generally a CTL processing circuit including typically:
  • a memory MEM storing data of instructions of a computer program within the meaning of the invention (and possibly other non-permanent data, of calculation), and
  • the present invention provides a feedback / feedforward (FB / FF) processing, wherein:
  • a transfer function H1 between the sensor CAP and ACT actuators is initially estimated in open loop as illustrated in FIG. 4,
  • an acoustic treatment for example an effect or a combination of effects
  • HMI human / machine interface
  • controller CTL optionally adjusts the estimated transfer function, according to the programmed effect,
  • the programmed effect is applied to implement the actuators, in feedforward mode (arrow Fl of FIG. 3), -
  • the vibration that operates the actuators on the instrument and in particular on the strings is taken into account (arrow F2 of Figure 3) taking into account the adjusted transfer function, and in particular by controlling the signal that captures the CAP sensor (for example by providing a control at the level of the pre-amplification PRA by the processor PROC as illustrated in FIG. 8),
  • the sound or the vibration picked up by the sensor CAP is thus adjusted and analyzed in feedback mode to apply the desired effect (CTL FF) with the taking into account of the activation of the actuators on the vibration of the strings and more generally of the radiant structure, this vibration being added to the natural playing of the musician and to the desired acoustic effect.
  • CTL FF desired effect
  • the vibroacoustic transfer function H2 between the actuators and one or more acoustic microphones positioned at any point in the space can measure the pressure p (close to the ears of the musician, the listener, or a sound recording for example of a smartphone integrating the computer means of a device within the meaning of the invention).
  • the aforementioned preselection of a particular treatment for a sound effect chosen by the user can be performed statically by an application on a smartphone, typically via a wireless connection (bluetooth for example), or dynamically directly on the instrument (eg with knobs as on electric guitars but to adjust effects directly and not volumes).
  • the sound pressure p shown in Figures 3 to 6 can be measured by a microphone (that of the smartphone used as a user interface for example). This measurement can then be used (in addition to the transfer function H1) in the determination of the feedforward gains, or for the determination of the feedback / feedforward coupled gains, for an enrichment of the final rendering, to the musician's ear.
  • the transfer function H1 between the sensor and the actuators is initially measured with muffled strings (without the musician playing on the strings).
  • This transfer function has a series of peaks in the frequency space, as well as an average amplitude per frequency band (nine bands for example). It is thus a measurement of the transfer function between actuators and sensors, in open loop, the vibratory properties of the radiating structure being then estimated (frequencies, quality factors of resonances, amplitudes to sensors and actuators, and / or other properties). Then, from these measurements, it is deduced from the vibration characteristics at the CAP sensor which make it possible to refine the control of the feedback to be applied (thanks to automatic parameter estimation methods described later). The feedback controller is then programmed from these measurements and estimates. As will be seen later, it is reprogrammed further automatically for each new feedforward processing.
  • the feedforward type gains are adjusted.
  • the values of these gains update the transfer function as explained above (since the characteristics of the sound to the sensor will be influenced by the type of effect chosen, such as an echo vibrating the structure after the attack of the musician ), which also updates the controller's feedback gains.
  • the device measures the changes in the feedforward H1 open loop transfer function with the sensor signal increased by 6dB. He estimates the new values of frequency amplitudes, as well as their deviation from the initial values. It will thus be understood that the transfer function is preferentially estimated:
  • the controller adjusts feedback-type gains (related to the 6dB increase in each control gain, for example) to achieve stable control. Indeed, if this feedback was not taken into account, the control would generally be unstable. If the musician again changes his sound level by transforming the feedforward gain, the feedback gain is recalculated and applied to the system (device and actuators / sensor).
  • the transfer function is dynamically estimated, in particular according to the effect or the combination of effects chosen by the user. If the musician wants his instrument to have the same timbre as another instrument, such as for example a better quality guitar that has been previously analyzed, the amplitudes by This best guitar's bands are targeted by the feedfoward gains, these gains further updating the characteristics to the sensor. The frequencies and damping of the best guitar are then targeted by the feedback type controller on the device incorporating these gains, for example by placing the closed-loop system pole. Without the feedback / feedforward combination, the frequencies and dampings are accessible but not the amplitudes per band and instabilities can be generated.
  • the instrument can "ring the ear" of the user as a chosen target instrument.
  • the instrument / sensor / actuators system including the control can be formalized, in a first conventional approach, as follows:
  • x (t) is the state vector of the system (all displacements and modal speeds for example), u (t), y (t) and w (t) being the control, the measurement and the perturbation, respectively is the matrix characterizing the radiating structure, B that of the actuators, C that of the sensor, G that of the perturbation and K the gain vector of the controller.
  • the capture takes place using a single piezoelectric sensor (PZT ceramic or PVDF or MFC for example) under the saddle of the bridge of a guitar or at the interface between the strings. and the bridge of a violin.
  • a single piezoelectric sensor PZT ceramic or PVDF or MFC for example
  • Another embodiment may provide multiple sensors separated on the bridge, one at the interface with each rope.
  • the parameters A, B, C and G are estimated for example from numerical calculation on the simulation of the electromechanical system complete with the finite element method.
  • Another approach consists in estimating them experimentally, from the open loop transfer function between sensor (s) and actuator (s) for A, B and C and an admittance measurement at the bridge with impact hammer or " vibrating pot "and accelerometer for G. The estimation is then done for example with the Rational Fractional Polynomial (RFP) method.
  • RFP Rational Fractional Polynomial
  • x (t) is not directly accessible (since the measure gives only y (t)), it is estimated at any moment, for example by state observers, as the observer of Luenberger.
  • the sound adjustment can be performed automatically, by example depending on the particular attack of the musician, or other.
  • the effect may not be chosen directly and restrictively by the musician, but can be programmed dynamically according to the musician's game. Otherwise (arrow “no" at the output of the test S5), the device DIS can perform a real-time processing in step S7 to apply the setting of sound and / or effect programmed by the user, for a restitution to step S8 by the instrument itself.

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Abstract

L'invention concerne un traitement mis en œuvre par des moyens informatiques de données sonores issues d'au moins un capteur et d'activation d'au moins un actionneur d'une structure acoustiquement rayonnante. Le capteur (CAP) capte un signal acoustique issu de la vibration de la structure rayonnante. La structure rayonnante porte au moins un actionneur (ACT) piloté par les moyens informatiques et participe alors à la vibration de la structure rayonnante. En particulier, le procédé comporte les étapes : a) mesurer une fonction de transfert de l'ensemble actionneur, structure rayonnante, capteur, b) piloter une activation de l'actionneur (ACT) pour faire vibrer la structure rayonnante, selon une consigne choisie: - en tenant compte de la fonction de transfert mesurée, et - en tenant compte du signal acoustique capté par le capteur en mode de rétroaction.

Description

INSTRUMENT DE MUSIQUE ACOUSTIQUE AUGMENTÉ AVEC ACTIONNEURS DE RÉTROACTION ET D'INJECTION
La présente invention concerne un traitement de données acoustiques captées sur un instrument de musique disposant d'une structure rayonnante acoustiquement. Plus particulièrement, il est prévu d'alimenter un ou plusieurs actionneurs de la structure rayonnante de l'instrument avec un signal élaboré à partir des données acoustiques captées et traitées, et ce en vue d'enrichir les propriétés vibratoires et notamment le son issu de l'instrument avec des effets sonores souhaités (écho, réverbération, distorsion, égalisation, etc.). Par exemple, les instruments de musique à cordes comportent une structure rayonnante (table d'harmonie et éventuellement caisse de résonance) couplée à un chevalet portant les cordes. Il est alors proposé dans le cadre de la présente invention de faire résonner la structure rayonnante avec un effet particulier, outre le jeu du musicien. Par exemple dans le cas d'un écho (ou « delay » en anglais), le musicien joue une note que la structure rayonnante amplifie et diffuse, mais en outre, un ou plusieurs actionneurs agissant sur la structure rayonnante appliquent ensuite une vibration à la structure pour rejouer cette note à intervalles de temps réguliers avec une diminution d'amplitude pour simuler l'effet d'écho.
Cette approche se distingue du cas des effets appliqués classiquement en jouant typiquement sur une guitare électrique connectée à un amplificateur via un câble (ou « jack »). En référence à la figure 1 illustrant ce cas, un ou plusieurs capteur(s) MIC monté(s) sur la guitare GUI capte(nt) le signal de vibration des cordes et ce dernier alimente un dispositif EF appliquant une transformation choisie du signal (écho, réverbération, distorsion, égalisation, changement de phase de type « phaser » ou plus lent de type « flanger », un léger changement de fréquence avec mixage de type « chorus » ou plus marqué de type « octaver », une modulation d'amplitude de type « trémolo », un changement d'amplitude sonore : en dynamique (type « sustain » ou « compression » ou non, ou autres). Ce dispositif EF (appelé communément « pédale d'effet » ou « pédalier d'effets ») est classiquement connecté à un amplificateur AMP qui amplifie électroniquement et fait rayonner le signal acoustique transformé par le pédalier d'effets EF.
Dans le cas de l'approche au sens de la présente invention, la structure rayonnante de l'instrument, elle-même (typiquement la caisse de résonance CAI d'une guitare par exemple), est utilisée comme « diffuseur » ou « haut-parleur » du signal sonore transformé par un dispositif DEV de type « pédalier d'effets ». Plus particulièrement dans l'exemple de la figure 2, un ou plusieurs capteurs MIC sont montés sur la caisse de résonance la guitare (par exemple au niveau de la rosace). Ce(s) capteur(s) capte(nt) les vibrations acoustiques de la structure rayonnante. Le signal numérique correspondant à ce signal acoustique est transmis en entrée E d'un dispositif DEV appliquant le ou les effets désirés et pilotant, par sa sortie S, des actionneurs ACT appliqués contre la caisse de résonance CAI pour faire vibrer la caisse selon les effets choisis par l'utilisateur du dispositif DEV.
De façon générale, dans le contexte de la figure 2, la transformation électronique du son rayonné par un instrument à cordes a consisté jusqu'à présent à :
- Intégrer des capteurs et actionneurs à ces instruments
- Appliquer des traitements sur les signaux captés
- et renvoyer ces signaux captés aux actionneurs.
Le son rayonné par l'instrument est ainsi la somme du son acoustique joué par le musicien et de ses transformations par le dispositif DEV (sans nécessité de passer le signal capté dans une chaîne d'amplification, comme effectué classiquement et illustré sur la figure 1).
Les transformations ainsi appliquées sont généralement des effets audionumériques (réverbération (ou « reverb »), chorus, distorsion, égalisation) injectés en « feedforward », c'est-à-dire que les traitements ne prennent pas en compte la rétroaction émise par les actionneurs sur les capteurs.
Les transformations appliquées avec ces techniques n'obtiennent pas les effets désirés.
Les effets audionumériques induisent des instabilités (effet Larsen). On entend ainsi une fréquence non souhaitée se superposant au signal souhaité.
Le son rayonné a une mauvaise qualité, par exemple comparée à un autre instrument ou à celle obtenue par une chaîne d'amplification classique du type illustré sur la figure 1. Ces deux défauts proviennent du fait que des caractéristiques de la structure rayonnante et/ou de son couplage avec l'excitation par les cordes ne sont pas prises en compte. En effet, les caractéristiques vibratoires de la structure rayonnante transforment les signaux émis par les actionneurs de manière inégale selon les fréquences. Ceci est dû notamment aux régions de la caisse où les modes de résonance induisent des modifications d'amplitude d'une fréquence à une autre. Cette caractéristique inégale est imposée par le fabricant de l'instrument et est indicatrice de la qualité de l'instrument lorsqu'il est joué en pinçant les cordes. En revanche, lorsque l'excitation se fait par les actionneurs, cela induit une qualité sonore inégale selon les notes jouées. De plus, le couplage important entre les cordes et la caisse à certaines fréquences induit une rétroaction forte sur les capteurs après émission par les actionneurs. Cette rétroaction change les fréquences et amortissements des résonances de la caisse. Le fait de ne pas prendre en compte cette rétroaction est ainsi une source d'erreur et d'instabilité des sons ciblés.
La présente invention vient améliorer la situation.
Elle propose à cet effet un procédé mis en œuvre par des moyens informatiques, de traitement de données sonores issues d'au moins un capteur et d' activation d'au moins un actionneur d'une structure acoustiquement rayonnante. Le capteur capte un signal acoustique issu de la vibration de la structure rayonnante. La structure rayonnante porte au moins un actionneur piloté par les moyens informatiques précités et participant à la vibration de la structure rayonnante. En particulier, le procédé comporte :
a) mesurer une fonction de transfert de l'ensemble actionneur, structure rayonnante, capteur, b) piloter une activation de l'actionneur pour faire vibrer la structure rayonnante, selon une consigne choisie :
- en tenant compte de la fonction de transfert mesurée, et
- en tenant compte du signal acoustique capté par le capteur en mode de rétroaction.
La prise en compte de la fonction de transfert précitée permet de contrôler finement les effets acoustiques apportés par la vibration de l'instrument de telle sorte qu'il devient possible de donner les caractéristiques vibratoires et sonores d'un instrument « virtuel » qui est réputé (par exemple de sonorité reconnue comme étant de qualité, type « stradivarius » pour un violon) à l'instrument réel (qui est quant à lui de qualité « standard »).
Dans une réalisation du procédé, l'activation de l'actionneur est pilotée en mode hybride rétroaction/injection, de type « feedback/feedforward ».
Dans une telle réalisation, à l'étape a) :
- ladite fonction de transfert peut être mesurée en boucle ouverte, et
- de là, des paramètres vibratoires de la structure peuvent être estimés pour calculer des gains de contrôle de rétroaction, comme on le verra dans l'exemple de procédé illustré sur la figure 7. Dans une forme de réalisation, la consigne choisie peut comporter une commande d'au moins un effet sonore parmi un changement d'amplitude sonore, une égalisation, un écho, une réverbération, une distorsion, un changement de phase, un changement de fréquence, une modulation d'amplitude, et une combinaison de ces effets sonores.
Dans une telle réalisation notamment, des gains de type feedforward peuvent être ajustés en fonction de la consigne d'effet sonore, par mise à jour la fonction de transfert mesurée à l'étape a).
Par ailleurs, des gains d'un contrôle par rétroaction peuvent être mis à jour en fonction de la consigne d'effet sonore.
En outre, un microphone peut être prévu afin de capter une pression acoustique dans l'air à proximité de la structure rayonnante. Le procédé peut alors comporter la mesure d'une deuxième fonction de transfert de l'ensemble actionneur, structure rayonnante, microphone précité. Une telle réalisation permet l'activation de l'actionneur pilotée en mode feedback/feedforward, avec une estimation en particulier affinée des gains de contrôle de rétroaction en fonction aussi de cette deuxième fonction de transfert (illustrée par la référence H2 sur les figures 3 à 6 commentés plus loin). Ainsi, une utilisation du procédé selon cette réalisation peut consister à configurer les moyens informatiques précités pour donner les caractéristiques à la fois vibratoires (première fonction de transfert précitée) et sonores (deuxième fonction de transfert précitée) d'un instrument choisi (virtuel) à l'instrument réel. Par ailleurs, le traitement des données sonores peut s'effectuer par échantillon, à une latence préférablement inférieure à cent microsecondes. Il s'agit typiquement d'une latence audio physique d'entrée/sortie (avant convertisseur analogique numérique et après le convertisseur numérique analogique). Dans un exemple de réalisation où la structure rayonnante comporte une caisse de résonance d'un instrument de musique à cordes, la fonction de transfert précitée est mesurée cordes étouffées.
Dans un exemple de réalisation où la structure rayonnante comporte une caisse de résonance d'un instrument de musique à cordes, on prévoit deux actionneurs disposés de part et d'autre du chevalet portant les cordes. La présente invention vise aussi un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé ci-avant lorsque ce programme est exécuté par un processeur. La figure 7 commentée plus loin illustre à titre d'exemple un ordinogramme d'un algorithme possible d'un tel programme informatique.
La présente invention vise aussi un dispositif comportant un circuit de traitement configuré pour la mise en œuvre du procédé ci-avant, comme décrit en détails ci-après.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après d'exemples de réalisation de l'invention, et à l'examen des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre le montage classique d'un instrument connecté à un pédalier d'effets, lui-même connecté à un amplificateur,
- la figure 2 illustre un montage au sens de l'invention d'un capteur et d'un ou plusieurs actionneurs sur un instrument connecté à un dispositif gérant les actionneurs notamment en fonction d'une consigne d'un utilisateur du dispositif,
- la figure 3 illustre la transformation du timbre d'un instrument, ici par simple contrôle de type feedforward modifiant la pression acoustique rayonnée p (chemin primaire depuis l'excitation de la corde), et montre en particulier que le chemin secondaire (de l'actionneur au capteur) peut induire une instabilité, en l'absence de contrôle de la rétroaction ;
- la figure 4 illustre un ajustement d'un contrôle de rétroaction type « feedback » (FB) suite à la mesure de la fonction de transfert entre capteur et actionneur en boucle ouverte ;
- la figure 5 illustre un ajustement de contrôle de type feedforward (FF), en fonction de l'effet choisi par le musicien ;
- la figure 6 illustre un ajustement en parallèle du contrôle de rétroaction, actualisé pour prendre en compte les nouvelles valeurs du contrôle feedforward imposées par la consigne de l'effet choisi par le musicien ;
- la figure 7 illustre un ordinogramme représentant les étapes d'un exemple de procédé au sens de la présente invention ;
- la figure 8 illustre un exemple de dispositif pour la mise en œuvre de l'invention ;
- la figure 9 illustre un exemple de réalisation avantageux d'un équipement pour une guitare, connecté à un dispositif au sens de l'invention ;
- les figures 10A, 10B et 1 OC illustrent des traitements opérés dans un exemple de réalisation pour obtenir des paramètres déterminés à partir de la fonction de transfert Hl précitée, en vue du contrôle feedforward. Comme illustré sur la figure 9, une guitare acoustique équipée d'un dispositif au sens de l'invention est munie :
- d'un capteur piézoélectrique CAP sous le sillet (partie sous le chevalet portant les cordes),
- d'un ou plusieurs (par exemple deux) actionneurs ACT électrodynamiques montés ici en parallèle sur chaque côté du chevalet, et
- d'un dispositif DIS (connecté par son entrée E au capteur, et sa sortie S aux actionneurs).
En référence à la figure 8 montrant en détail le dispositif DIS dans un exemple de réalisation, le dispositif comprend :
- un préamplificateur PRA pour le capteur (via l'entrée E du dispositif),
- un convertisseur analogique-numérique rapide CAN,
- un microcontrôleur CTL,
- un convertisseur numérique-analogique rapide CNA et un amplificateur de puissance AP excitant les actionneurs ACT (via la sortie S du dispositif).
La latence physique des traitements n'excède pas quelques microsecondes.
Ainsi, le dispositif DIS opère pratiquement en temps-réel (à latence très faible comme par exemple quelques microsecondes entre l'entrée E et la sortie S). Le dispositif DIS comporte un microcontrôleur ou plus généralement un circuit de traitement CTL incluant typiquement :
- une mémoire MEM stockant des données d'instructions d'un programme informatique au sens de l'invention (et éventuellement d'autres données non permanentes, de calcul), et
- un processeur PROC lisant le contenu de la mémoire MEM pour exécuter le programme informatique, en mettant ainsi en œuvre des algorithmes de traitements audionumériques effectués par échantillon, ces algorithmes étant informés par une estimation des propriétés de la structure rayonnante, obtenues comme détaillé ci-après.
La présente invention propose un traitement de type feedback/feedforward (FB/FF), dans lequel :
- une fonction de transfert Hl entre le capteur CAP et les actionneurs ACT est estimée initialement en boucle ouverte comme illustré sur la figure 4,
- un traitement acoustique (par exemple un effet ou une combinaison d'effets) est présélectionné par un utilisateur via une interface homme/machine (IHM) que comporte le dispositif DIS,
- le contrôleur CTL ajuste éventuellement la fonction de transfert estimée, en fonction de l'effet programmé,
- lorsque l'utilisateur joue de l'instrument, l'effet programmé est appliqué pour mettre en œuvre les actionneurs, en mode feedforward (flèche Fl de la figure 3), - ensuite, la vibration que fait opérer les actionneurs sur l'instrument et notamment sur les cordes est prise en compte (flèche F2 de la figure 3) en tenant compte de la fonction de transfert ajustée, et en contrôlant en particulier le signal que capte le capteur CAP (par exemple en prévoyant un contrôle au niveau de la pré-amplification PRA par le processeur PROC comme illustré sur la figure 8),
- le son ou la vibration capté par le capteur CAP est ainsi ajusté et analysé en mode feedback pour appliquer l'effet désiré (CTL FF) avec la prise en compte de l'activation des actionneurs sur la vibration des cordes et plus généralement de la structure rayonnante, cette vibration venant s'ajouter au jeu naturel du musicien et à l'effet acoustique désiré.
Il est possible en outre d'estimer en temps réel la fonction de transfert vibroacoustique H2 entre les actionneurs et un ou plusieurs microphones acoustiques positionnés en des points quelconques de l'espace pour mesurer la pression p (proche des oreilles du musicien, de l'auditeur, ou encore d'une prise de son par exemple d'un smartphone intégrant les moyens informatiques d'un dispositif au sens de l'invention). Ainsi par exemple, la présélection précitée d'un traitement particulier pour un effet sonore choisi par l'utilisateur peut s'effectuer statiquement par une application sur smartphone, typiquement via une connexion sans fil (bluetooth par exemple), ou dynamiquement directement sur l'instrument (par exemple avec des potentiomètres comme sur des guitares électriques mais pour régler directement des effets et non pas des volumes).
Ainsi, la pression acoustique p présentée sur les figures 3 à 6 peut être mesurée par un microphone (celui du smartphone utilisé comme interface utilisateur par exemple). Cette mesure peut alors être utilisée (outre la fonction de transfert Hl) dans la détermination des gains du feedforward, ou encore pour la détermination des gains couplés en feedback/feedforward, pour un enrichissement du rendu final, à l'oreille du musicien.
Il convient de noter que le mode de contrôle en feedback n'est pas représenté sur la figure 3 illustrant simplement des « chemins acoustiques », mais plutôt sur la figure 6 illustrant une mise en œuvre de l'invention.
Dans une réalisation particulière illustrée sur la figure 4, la fonction de transfert Hl entre le capteur et les actionneurs est mesurée initialement cordes étouffées (sans que le musicien ne joue sur les cordes). Cette fonction de transfert présente une série de pics dans l'espace fréquentiel, ainsi qu'une amplitude moyenne par bande fréquentielle (neuf bandes par exemple). Il s'agit ainsi d'une mesure de la fonction de transfert entre actionneurs et capteurs, en boucle ouverte, les propriétés vibratoires de la structure rayonnante étant alors estimées (fréquences, facteurs de qualité des résonances, amplitudes aux capteurs et aux actionneurs, et/ou autres propriétés). Ensuite, à partir de ces mesures, il est déduit des caractéristiques de vibration au capteur CAP qui permettent d'affiner le contrôle du feedback à appliquer (grâce à des méthodes d'estimation automatique de paramètres décrits plus loin). Le contrôleur par feedback est alors programmé à partir de ces mesures et estimations. Comme on le verra plus loin, il est reprogrammé en outre automatiquement pour chaque nouveau traitement feedforward.
Par ailleurs, en référence maintenant à la figure 5, lorsque l'utilisateur commence à choisir les modifications du son acoustique qu'il souhaite (effets précités), les gains de type feedforward sont ajustés. Les valeurs de ces gains mettent à jour la fonction de transfert comme expliqué ci-dessus (puisque les caractéristiques du son au capteur seront influencées par le type d'effet choisi, comme par exemple un écho faisant vibrer la structure après l'attaque du musicien), ce qui réactualise aussi les gains du contrôleur par feedback. On obtient ainsi une parfaite prise en compte des modifications choisies par le musicien pour une restitution optimale de l'instrument (en prenant en compte l'influence de ces modifications sur la rétroaction qui est intrinsèque à l'instrument).
Si le guitariste choisit par exemple d'augmenter le niveau sonore de 6dB (niveau sonore doublé), le dispositif mesure les modifications de la fonction de transfert Hl en boucle ouverte feedforward avec le signal au capteur augmenté de 6dB. Il estime ainsi les nouvelles valeurs d'amplitudes en fréquence, ainsi que leur écart aux valeurs initiales. On comprendra ainsi que la fonction de transfert est estimée préférentiellement:
- pour plusieurs bandes de fréquences (une dizaine typiquement), et
- en fonction de plusieurs niveaux d'amplitude sonore (caractérisant par exemple le niveau d'excitation à l'attaque du musicien).
Le contrôleur ajuste les gains de type feedback (liés à l'augmentation de 6dB de chaque gain de contrôle par exemple) pour obtenir un contrôle stable. En effet, si la prise en compte de cette rétroaction n'était pas effectuée, le contrôle serait généralement instable. Si le musicien change encore son niveau sonore en transformant le gain feedforward, le gain du feedback est recalculé et appliqué au système (dispositif et actionneurs/capteur).
On comprendra ainsi que la fonction de transfert est estimée dynamiquement, notamment en fonction de l'effet ou de la combinaison d'effets choisie par l'utilisateur. Si le musicien souhaite que son instrument ait le même timbre qu'un autre instrument, comme par exemple une guitare de meilleure qualité qui a été préalablement analysée, les amplitudes par bandes de cette meilleure guitare sont ciblées par les gains feedfoward, ces gains réactualisant par ailleurs les caractéristiques au capteur. Les fréquences et amortissements de la meilleure guitare sont alors ciblés par le contrôleur type feedback sur le dispositif intégrant ces gains, par placement de pôle du système en boucle fermée par exemple. Sans la combinaison feedback/feedforward, les fréquences et amortissements sont accessibles mais pas les amplitudes par bande et des instabilités peuvent être générées.
Dans ce cas notamment, il peut être utile d'estimer la seconde fonction de transfert précitée H2 afin d'affiner les paramètres de calcul de la rétroaction (vibratoires mais aussi sonores), en utilisant alors au moins un microphone pour capter la pression acoustique p dans l'air à proximité de la structure rayonnante de l'instrument (par exemple, simplement par le microphone d'un smartphone à proximité opérant le traitement de l'invention). Ainsi, l'instrument peut « sonner à l'oreille » de l'utilisateur comme un instrument cible choisi. A titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, le système instrument/cap teur/actionneurs incluant le contrôle peut être formalisé, dans une première approche classique, comme suit :
dx/dt = Ax(t) + Bu(t) + Gw(t) ( 1 )
y(t) = Cx(t) (2)
u(t) = - Kx(t) (3)
où x(t) est le vecteur d'état du système (ensemble des déplacements et vitesses modales par exemple), u(t), y(t) et w(t) étant respectivement la commande, la mesure et la perturbation, A est la matrice caractérisant la structure rayonnante, B celle des actionneurs, C celle du capteur, G celle de la perturbation et K le vecteur gain du contrôleur.
Ce système dépend de chaque structure rayonnante, de la position et la quantité de capteurs et d' actionneurs, et de la perturbation.
Dans un mode de réalisation particulier, la captation s'effectue à l'aide d'un seul capteur piézoélectrique (céramique PZT ou PVDF ou encore MFC par exemple) sous le sillet du chevalet d'une guitare ou à l'interface entre les cordes et le chevalet d'un violon. Une autre réalisation peut prévoir des capteurs multiples séparés sur le chevalet, un à l'interface avec chaque corde.
L'actionnement est tel qu'il produit un son rayonné de la qualité d'une bonne enceinte acoustique tout en permettant de mesurer les caractéristiques vibratoires de la caisse. Pour cela, la position et la quantité d' actionneurs peut être déterminée par optimisation sur une simulation numérique par éléments finis multi-physiques par exemple. Dans un mode de réalisation particulier illustré sur la figure 9, l'actionnement se fait au chevalet, à l'aide de deux actionneurs électrodynamiques inertiels ACT montés en parallèle de chaque côté du chevalet avec un déphasage contrôlable ou montés pour accueillir un signal stéréo.
Dans les expressions ci-dessus, les paramètres A, B, C et G sont estimés par exemple à partir de calcul numérique sur la simulation du système électromécanique complet avec la méthode des éléments finis. Une autre approche consiste à les estimer expérimentalement, à partir de la fonction de transfert en boucle ouverte entre capteur(s) et actionneur(s) pour A, B et C et une mesure d'admittance au chevalet avec marteau d'impact ou « pot vibrant » et accéléromètre pour G. L'estimation se fait alors par exemple avec la méthode Rational Fractional Polynomial (RFP). D'autre part, x(t) n'étant pas directement accessible (puisque la mesure donne seulement y(t)), il est estimé à tout instant, par exemple à l'aide d'observateurs d'état, comme l'observateur de Luenberger.
Une fonction de transfert y/w du système peut s'écrire alors :
y/w = C(sld - A)G_1 pour le système seul (4)
y/w = C(sld - (A - BK))G_1 pour le système contrôlé (5)
La vibration contrôlée de la structure rayonnante a ainsi la dynamique de (A - BK) et plus celle de A seul. Le vecteur K est calculé pour atteindre une certaine cible vibratoire, comme les fréquences et amortissements des résonances. On pourra par exemple utiliser des algorithmes de placement de pôles de (A - BK).
Dans une deuxième approche présentée plus haut en référence aux figures 3 à 5, le contrôleur proposé introduit, en plus dans la commande, les caractéristiques de la vibration prises en compte au capteur (permettant d'injecter un gain en feedforward transformant la pression acoustique rayonnée p mais générant du feedback). Dans ce cas, en plus de l'estimation de A, B, C et G, une moyenne par bande fréquentielle de la fonction de transfert Hl (et potentiellement de la fonction de transfert H2 illustrée sur les dessins) est effectuée. On peut choisir par exemple neuf bandes (Hz):
[20, 100] ; [100, 200] ; [200, 400] ; [400, 800] ; [800, 1600] ; [1600, 3200] ; [3200, 6400] ; [6400, 12800] ; [12800, 20000]. La modification de chacune de ces bandes constitue ainsi la cible de la commande en feedforward. Une fois cette commande déterminée, le vecteur C est calculé.
On a illustré sur les figures 10A, 10B et 10C un exemple d'obtention des paramètres A, B, C, K intervenant dans les équations ci-avant. En référence à la figure 10A, le spectre (amplitudes/fréquences) de la fonction de transfert Hl entre le ou les capteur(s) et le ou les actionneur(s) est mesuré. En référence à la figure 10B, la détection fréquentielle des pics isolés d'amplitude de la fonction de transfert Hl permet d'obtenir les paramètres A, B et C. En référence à la figure 10C, le calcul de l'amplitude moyenne par bande fréquentielle de la fonction de transfert Hl est aussi effectué afin d'obtenir le paramètre K, en fonction en outre des paramètres estimés précédemment A, B et C. On peut alors obtenir en effet les gains K du contrôleur feedback, et aussi par bande fréquentielle ceux du contrôleur feedforward. Globalement, on obtient ainsi toutes les fréquences, amortissements et gains modaux, avec les amplitudes par bande.
Dans ce qui suit, la commande en feedback est calculée différemment par rapport à la première approche précitée, dite « classique » (dans le sens où elle pourrait apparaître immédiatement). Dans cette deuxième approche, les équations (1) et (2) restent inchangées mais l'équation (3) devient :
u(t) = - Kx(t) + Cx(t) (6)
La fonction de transfert y/w du système s'écrit pour le système contrôlé :
y/w = C(sld - (A + BC - BK))G (7)
La caisse contrôlée a ainsi la dynamique de (A + BC - BK) et plus celle de (A - BK) avec le contrôleur selon la première approche classique. Le vecteur K est calculé pour :
- assurer la stabilité pour toutes les modifications apportées au vecteur C,
- atteindre une cible vibratoire donnée en plaçant par exemple les pôles de (A + BC - BK), les fréquences et amortissements des résonances étant contrôlées par le vecteur K et les amplitudes par bande étant contrôlées par la matrice C.
Bien entendu, il s'agit d'un exemple de réalisation pour illustrer les caractéristiques prises en compte au capteur CAP, comme illustré sur la figure 6, directement pour le contrôle feedforward CTL FF, mais indirectement aussi pour le contrôle feedback CTL FB et vice-versa. En effet, le contrôle feedforward est considéré ici comme appliquant une modification des caractéristiques vibratoires au capteur.
En référence maintenant à la figure 7 résumant un exemple de succession d'étapes d'un procédé au sens de l'invention, à l'issue d'une étape de début SI visant par exemple la connexion du dispositif DIS au système instrument/capteur/actionneurs, il est mesuré, en pratique, la fonction de transfert Hl en boucle ouverte feedforward à l'étape S2, ce qui permet de déduire à l'étape S3 les paramètres vibratoires de la structure rayonnante et notamment la forme de fonction de transfert Hl et, de là, à l'étape S4 les paramètres du contrôle de feedback. Ensuite, à l'étape S5, le musicien peut programmer un réglage sonore et/ou d'effet particulier, auquel cas les paramètres du contrôle feedforward sont mis à jour à l'étape S6, ainsi que les autres paramètres estimés aux étapes S3 et S4. En complément ou en variante, le réglage sonore peut être effectué automatiquement, par exemple en fonction de l'attaque particulière du musicien, ou autre. D'ailleurs, dans une réalisation possible, l'effet peut ne pas être choisi directement et restrictivement par le musicien, mais peut se programmer dynamiquement selon le jeu du musicien. Sinon (flèche « non » en sortie du test S5), le dispositif DIS peut opérer un traitement en temps réel à l'étape S7 pour appliquer le réglage de son et/ou d'effet programmés par l'utilisateur, pour une restitution à l'étape S8 par l'instrument lui-même.
Ainsi, le procédé ci-avant prend en compte particulièrement les paramètres de contrôle feedforward dans l'estimation des paramètres vibratoires et du calcul des gains de contrôle en feedback.
La présente invention permet alors de réduire drastiquement les instabilités et d'obtenir le niveau sonore et plus généralement les qualités acoustiques ciblées, grâce à un contrôleur hybride feedback/feedforward, c'est-à-dire que les effets audionumériques classiques et le traitement de la rétroaction intrinsèque à l'instrument sont calculés ensemble pour réinjecter le signal de vibration à un ou plusieurs actionneurs ACT de la structure rayonnante de l'instrument.
Parmi les avantages de la technique mise en œuvre dans le cadre de la présente invention, on peut citer:
- une augmentation du niveau sonore et un enrichissement du timbre de l'instrument acoustique, l'injection des traitements audionumériques dans un instrument acoustique en évitant les instabilités de type effet Larsen,
l'atteinte des propriétés vibratoires de la structure rayonnante cibles que sont les fréquences, amortissements des résonances et amplitudes par bande fréquentielle, pour ainsi améliorer significativement les qualités acoustiques de l'instrument,
un seul capteur et un seul actionneur pouvant être prévus pour effectuer la totalité des transformations.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas la forme de réalisation décrite ci-avant à titre d'exemple ; elle s'étend à d'autres variantes.
Ainsi, on a décrit ci-avant une structure rayonnante, de type caisse de résonance d'un instrument à cordes (type guitare, ou encore violon ou piano). Toutefois, l'invention peut s'appliquer aussi à d'autres instruments de musique tels que par exemple des peaux et fûts de batteries, ou encore des instruments à vent. Plus généralement encore, l'invention peut s'appliquer à toute structure rayonnante (disposant d'une plaque ou table rayonnante couplée possiblement mais non nécessairement à une caisse de résonance), ou plus généralement à tout système électroacoustique. Il peut s'agir par exemple d'une enceinte acoustique, d'un boîtier d'ordinateur (ou même d'un appareil mobile (smartphone ou enceinte portative) diffusant des sons et de la musique) disposant classiquement d'un capteur et d'un actionneur piloté au sens de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé mis en œuvre par des moyens informatiques, de traitement de données sonores issues d'au moins un capteur et d'activation d'au moins un actionneur d'une structure acoustiquement rayonnante,
le capteur (CAP) captant un signal acoustique issu de la vibration de la structure rayonnante, ladite structure rayonnante portant au moins un actionneur piloté par lesdits moyens informatiques et participant à la vibration de la structure rayonnante,
le procédé comportant :
a) mesurer une fonction de transfert de l'ensemble actionneur, structure rayonnante, capteur, b) piloter une activation de l'actionneur (ACT) pour faire vibrer la structure rayonnante, selon une consigne choisie :
- en tenant compte de la fonction de transfert mesurée, et
- en tenant compte du signal acoustique capté par le capteur en mode de rétroaction.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'activation de l'actionneur est pilotée en mode hybride rétroaction/injection, de type « feedback/feedforward ».
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, à l'étape a) :
- ladite fonction de transfert (Hl) est mesurée en boucle ouverte (S2), et
- de là, des paramètres vibratoires de la structure sont estimés (S3) pour calculer des gains de contrôle de rétroaction (S4).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la consigne choisie comporte une commande d'au moins un effet sonore parmi un changement d'amplitude sonore, une égalisation, un écho, une réverbération, une distorsion, un changement de phase, un changement de fréquence, une modulation d'amplitude, et une combinaison de ces effets sonores.
5. Procédé selon la revendication 4, prise en combinaison avec l'une des revendications 2 et 3, dans lequel des gains de type feedforward sont ajustés en fonction de la consigne d'effet sonore, par mise à jour la fonction de transfert mesurée à l'étape a).
6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel des gains d'un contrôle par rétroaction sont mis à jour en fonction de la consigne d'effet sonore.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le traitement des données sonores s'effectue par échantillon, à une latence inférieure à cent microsecondes.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, la structure rayonnante comportant une caisse de résonance d'un instrument de musique à cordes, ladite fonction de transfert est mesurée cordes étouffées.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, la structure rayonnante comportant une caisse de résonance d'un instrument de musique à cordes, on prévoit deux actionneurs disposés de part et d'autre du chevalet portant les cordes.
10. Procédé selon la revendication 3, dans lequel un microphone est prévu en outre pour capter une pression acoustique (p) dans l'air à proximité de la structure rayonnante, le procédé comportant en outre la mesure d'une deuxième fonction de transfert (H2) de l'ensemble actionneur, structure rayonnante, microphone,
Et dans lequel l'activation de l'actionneur est pilotée en mode feedback/feedforward, avec une estimation affinée des gains de contrôle de rétroaction en fonction en outre de ladite deuxième fonction de transfert (H2).
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, la structure rayonnante comportant une caisse de résonance d'un instrument de musique réel, lesdits moyens informatiques sont configurés pour donner les caractéristiques vibratoires et sonores d'un instrument de musique choisi audit instrument de musique réel.
12. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes lorsque ce programme est exécuté par un processeur (PROC).
13. Dispositif (DIS) comportant un circuit de traitement configuré pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 10.
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