EP2047455B1 - Dispositif de production de signaux representatifs de sons d'un instrument à clavier et à cordes - Google Patents

Dispositif de production de signaux representatifs de sons d'un instrument à clavier et à cordes Download PDF

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EP2047455B1
EP2047455B1 EP07823284A EP07823284A EP2047455B1 EP 2047455 B1 EP2047455 B1 EP 2047455B1 EP 07823284 A EP07823284 A EP 07823284A EP 07823284 A EP07823284 A EP 07823284A EP 2047455 B1 EP2047455 B1 EP 2047455B1
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note
representative
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sounds
module
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Modartt
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Publication date
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    • G10H7/08—Instruments in which the tones are synthesised from a data store, e.g. computer organs by calculating functions or polynomial approximations to evaluate amplitudes at successive sample points of a tone waveform
    • G10H7/10—Instruments in which the tones are synthesised from a data store, e.g. computer organs by calculating functions or polynomial approximations to evaluate amplitudes at successive sample points of a tone waveform using coefficients or parameters stored in a memory, e.g. Fourier coefficients
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10H—ELECTROPHONIC MUSICAL INSTRUMENTS; INSTRUMENTS IN WHICH THE TONES ARE GENERATED BY ELECTROMECHANICAL MEANS OR ELECTRONIC GENERATORS, OR IN WHICH THE TONES ARE SYNTHESISED FROM A DATA STORE
    • G10H1/00—Details of electrophonic musical instruments
    • G10H1/02—Means for controlling the tone frequencies, e.g. attack or decay; Means for producing special musical effects, e.g. vibratos or glissandos
    • G10H1/06—Circuits for establishing the harmonic content of tones, or other arrangements for changing the tone colour
    • G10H1/16—Circuits for establishing the harmonic content of tones, or other arrangements for changing the tone colour by non-linear elements
    • G—PHYSICS
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    • G10H5/00—Instruments in which the tones are generated by means of electronic generators
    • G10H5/007—Real-time simulation of G10B, G10C, G10D-type instruments using recursive or non-linear techniques, e.g. waveguide networks, recursive algorithms
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
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    • G10H2250/00—Aspects of algorithms or signal processing methods without intrinsic musical character, yet specifically adapted for or used in electrophonic musical processing
    • G10H2250/315—Sound category-dependent sound synthesis processes [Gensound] for musical use; Sound category-specific synthesis-controlling parameters or control means therefor
    • G10H2250/441—Gensound string, i.e. generating the sound of a string instrument, controlling specific features of said sound
    • G10H2250/451—Plucked or struck string instrument sound synthesis, controlling specific features of said sound

Definitions

  • the invention relates to a device for digitally producing signals representative of sounds having a sound simulating that of a keyboard and string instrument connected to a soundboard of the instrument, these sounds each corresponding to a note of the instrument.
  • waveguide synthesis methods known as waveguide synthesis methods, according to which a resonator of the musical instrument (a piano string for example) is represented by means of a delay loop comprising linear signal processing members (in particular filters) whose transfer function is determined according to the properties (resonance and attenuation) of the resonator.
  • a waveform is introduced as an excitation in the delay loop.
  • the shape of the excitation waves and the design parameters of the delay loop filters are obtained either by manual adjustment, by trial and error, of each filter for each instrument configuration to be simulated (which is long complex, provides unreliable results, and does not allow quick and easy configuration changes), either from a recorded signal recorded on a traditional acoustic piano (the simulation is then very imperfect, a real piano n 'not being a network of waveguides). Therefore, the scope of these waveguide methods is strictly limited to the imperfect, unrealistic imitation of the sound of a single instrument corresponding to the manual adjustments of the filters, or from which the recording is taken. of the recorded signal.
  • the invention aims to propose a device for real-time digital simulation of sounds of a keyboard and string instrument connected to a soundboard such as a piano, with which the user (c. that is, the player) can easily and quickly choose and change the sound of the sounds produced.
  • the invention aims at enabling the user to define, according to intuitive criteria, any instrument sound, the device producing, for each of the sounds thus defined, sounds whose timbre bears the distinctive character of this sound. .
  • the invention aims at providing such a device enabling a user to quickly and easily define any sound corresponding to any instrument that can be both a real instrument known traditional invoice, an instrument whose physical characteristics are determined directly by the user, or even a totally virtual instrument unrealizable in reality, and able to reproduce such a sound.
  • the invention also aims to enable the user to define, particularly intuitively, new instrument timbres, including timbres corresponding to instruments whose invoice would be impracticable in practice because of mechanical constraints in this area, including constraints related to the physical properties of materials, constraints related to known invoice techniques, economic constraints ...
  • the invention aims to provide a device for simulating a wide range of instruments, allowing a user to act directly, simply and quickly on the physical parameters of the instrument to simulate likely in fact to influence the timbre.
  • the invention also aims to provide the player with a playing comfort equivalent to that of traditional acoustic pianos, or at least approximating such comfort of play.
  • the invention aims to provide a solution providing a delay of little or no noticeable response between each action of the instrumentalist and the corresponding sound effect.
  • the invention aims to provide a solution compatible with the computing power and memory space presented by known computers currently marketed at a price accessible to the general public.
  • the invention aims to produce sounds in real time on a personal computer available commercially at a low price respecting the rhythm of a fast musical score.
  • the invention aims to provide a solution providing high quality and high acoustic performance while presenting an economic cost.
  • a device further comprises means for input by a user of at least one physical parameter, said presynthesis module being adapted to produce the coefficients stamp from the physical parameters entered.
  • said presynthesis module being adapted to produce the coefficients stamp from the physical parameters entered.
  • the said measurable physical properties correspond to measurable properties that do not make it possible to evaluate the acoustic behavior or the sound provided without solving equations; in particular, it is not a question of the characteristics of a sound provided by a real keyboard and string instrument to be simulated, nor of the acoustic behavior of a real keyboard and string instrument to be simulated. On the contrary, they are measurable physical properties on which the instrument factor and / or the instrument tuner could physically intervene in the case of a real keyboard and string instrument.
  • the physical parameters of soundboard and string (s) condition the physical characteristics of the keyboard and string instrument to be simulated, and are independent of the simulation device (the values of these physical parameters being predetermined, or determined or modified by an input by the user, constituting input values of the presynthesis module, and not modified by a subsequent digital processing), each of these physical parameters can be modified independently of the others to obtain a corresponding modification sounds produced.
  • the invention thus makes it possible to define, particularly intuitively, different sounds of keyboard and string instruments and to produce realistic sounds corresponding to these different sounds.
  • the inventor has been able to implement devices according to the invention adapted to be able to reproduce with a high degree of fidelity the characteristic sound of any real mechanical instrument with keyboard and strings. of traditional invoice.
  • no prior known device for producing sounds in real time can obtain such a result by proceeding from physical parameters of soundboard and string parameters (s).
  • the invention allows the user to enter values of said physical parameters which do not necessarily correspond to those of a real instrument, and which can extend to extreme values not actually encountered (for example, dimensions that are excessively important, or otherwise weak, of the soundboard), or even fanciful values not technically feasible in practice (quadratic term equal to zero, several strings for low frequencies, dimensions of the soundboard normally incompatible with the tensile strength of the ropes ).
  • the invention thus makes it possible to explore sounds of virtual instruments at infinity.
  • the inventor has determined that it is practically possible, for the operation of the presynthesis module, to use a mechanical modeling of the keyboard and string instrument to be simulated describing each string, the soundboard and the coupling of all strings and the soundboard of the keyboard and string instrument.
  • a device according to the invention may comprise a modest memory capacity compared to known devices using prerecorded sounds of keyboard and string instruments, including piano .
  • the above-mentioned mechanical modeling used for the presynthesis module of a device according to the invention can be used for any keyboard and string instrument, such as the piano, the pantaleon, the harpsichord, the clavichord, the pianoforte, etc.
  • the above-mentioned prejudice is particularly aimed at mechanical piano models. Indeed, the sound of the piano is particularly rich and difficult to reproduce accurately.
  • This mechanical modeling makes it possible, in a device according to the invention, to calculate sets of values of distinct stamp coefficients, notably in the form of a table, in association with sets of corresponding values for the different physical parameters that the user can edit.
  • An initial configuration of the presynthesis module is thus carried out, so that the determination of the timbre coefficients at each modification of a physical parameter by the user can be carried out by the presynthesis module directly by interpolation from pre-recorded values for these timbre coefficients.
  • the (the) parameter (s) of chord (s) is (are) distinct (s) parameter (s) soundboard.
  • the device comprises means for inputting at least one soundboard parameter.
  • the device comprises means for capturing at least one string parameter (s).
  • At least one string parameter is representative of a tuning difference between at least two coupled strings corresponding to the note.
  • the inventor was able to obtain realistic piano sounds by taking into account the mutual influence of the strings of a set of coupled strings corresponding to the piano note.
  • At least one soundboard parameter is representative of at least one property of the material of the soundboard.
  • a soundboard parameter can be a weighting factor of the Hooke tensor values of the soundboard or a dimension of the soundboard.
  • the physical parameters comprise, for a plurality of frequencies, at least one soundboard parameter representative of the impedance of the soundboard of the keyboard and string instrument for each of these frequencies.
  • the physical parameters may comprise a soundboard parameter representative of the impedance of the soundboard for each frequency of a plurality of frequencies each of which corresponds to at least a partial portion of the note.
  • the device comprises manual input means.
  • the presynthesis module is adapted to determine from values entered of said physical parameters, the values of a plurality of modal elements comprising, in addition to said timbre coefficients, modal shift parameters representative of the modes. own the coupled system of the soundboard and strings.
  • the presynthesis module is adapted to determine the values of the modal elements from a constellation of previously memorized points each associating a set of values of the physical parameters that can be entered by a user with a game. of modal elements.
  • the values of the modal elements of each point are determined beforehand according to a mechanical model of the instrument which takes into account the coupling of the strings and the soundboard.
  • said mechanical modeling takes into account tuning differences between the unison strings of the notes.
  • the presynthesis module is adapted to determine excitation parameters representative of the initial amplitude a n ( p ) and of the phase shift ⁇ n ( p ) of each partial n of the notes p.
  • the presynthesis module is adapted to perform at least one presynthesis process in the background, that is to say, not in real time.
  • the timbre coefficients are determined by the presynthesis module by a process that is not a real-time process and therefore does not affect the efficiency and performance of the real-time sound generation module.
  • each trigger signal is formed of a message relating to the actions of an instrumentalist on the keys of a keyboard-in particular a MIDI- message.
  • These Trigger messages can be any other format than the standard MIDI.
  • the production module realizes in real time the synthesis of a signal representative of a piano sound as a function of the values of the timbre coefficients and the excitation parameters corresponding to a note p to produce and a striking intensity of this note p, as determined by a received trigger signal.
  • a device comprises a computer system incorporating a software for synthesizing sounds simulating the sound of a keyboard instrument, strings and soundboard, this sound synthesis software forming each presynthesis module and each module of real-time production of sounds, and having a human-machine interface adapted to allow a user to form trigger signals and to present said means for capturing at least one physical parameter.
  • the instrument to be simulated being a piano
  • a device according to the invention comprises at least one electronic keyboard with mechanical piano keys.
  • this keypad can be simulated by the virtual human-machine interface of the computer system.
  • said input means comprise means adapted to allow the user to modify, before use by the production module in real time, at least one timbre coefficient f n , d n and / or at least one excitation parameter a n , ⁇ n determined by the presynthesis module.
  • the user can modify one and / or the other of these coefficients or parameters according to simple laws.
  • the invention extends to a recording medium - in particular of the removable type (CD-ROM, DVD, USB key, external electronic hard disk, etc.) - adapted to be read in a reader of a computing device, and comprising a registered computer program adapted to be loaded into RAM memory of said computing device when said recording medium is loaded into said reader, characterized in what this computer program is adapted so that, when loaded in RAM of this computing device, the latter constitutes a device for producing digitally representative signals of sounds according to the invention.
  • a recording medium in particular of the removable type (CD-ROM, DVD, USB key, external electronic hard disk, etc.) - adapted to be read in a reader of a computing device, and comprising a registered computer program adapted to be loaded into RAM memory of said computing device when said recording medium is loaded into said reader, characterized in what this computer program is adapted so that, when loaded in RAM of this computing device, the latter constitutes a device for producing digitally representative signals of sounds according to the invention.
  • the invention also relates to a device and a recording medium characterized in combination by all or some of the features mentioned above or below.
  • a software for synthesizing piano sounds is recorded in the form of one or more files in a mass memory 1 of a computer system such as a microcomputer 2. type personal computer, says PC.
  • the mass memory is adapted to be able to transmit, through a bus 3 of data, the executable data corresponding to these backup files to a processing unit 4 comprising at least one processor 5 and an associated RAM 6.
  • Such transmission of data to the processing unit 4 can be carried out in a traditional manner by calling on system functions of an operating system 7 loaded into RAM and executing by means of the processing unit 4. of the microcomputer 2.
  • the operating system 7 includes software drivers adapted to allow the use of peripherals which is equipped with the microcomputer 2. These devices include a graphic card 8 and its monitor 9 associated, an alphanumeric keyboard, a mouse 11, a MIDI interface 12, the mass memory 1 and a 13 audio card.
  • This microcomputer 2 further comprises ports and data input / output controllers, buses and interfaces for communication between the aforementioned peripherals and the processing unit 4.
  • the device further comprises an audio amplifier 14 to which is connected the audio card 13 of the microcomputer 2 via a cable 15 for transmitting an audio signal.
  • This amplifier is itself connected to at least one speaker 16 to which it transmits an amplified audio signal to translate this signal in the form of audible sounds.
  • the device further comprises a keyboard, said MIDI keyboard 17, having a port, said MIDI OUT interface, for connection to the transmission of messages, so-called MIDI messages, compliant the so-called Digital Musical Instrument Interface (MIDI).
  • MIDI messages are representative of events, detected by the keyboard 17, produced as a result of the user's actions on keys 23 or by means of buttons 33 of the MIDI keyboard 17.
  • MIDI messages called MIDI musical performance messages, related to the playing of the instrumentalist (triggering of a note, speed of depression of the corresponding key, release of a note, actuation of a pedal etc.). ) are detected in particular actions of the instrumentalist on keys 23 of the keyboard.
  • the MIDI OUT interface is connected by means of a suitable cable, called MIDI cable, to an input port, called MIDI IN, of the MIDI interface of the microcomputer.
  • MIDI cable a suitable cable
  • MIDI IN an input port
  • the piano sound synthesis software is adapted to interpret any received musical performance MIDI message and produce audio signals in a digital format.
  • the generated signals are transmitted to the audio card, the amplifier and at least one associated speaker (or headset) for real-time production of audible piano sounds.
  • the MIDI musical performance messages generated and transmitted by the MIDI keyboard to the processing unit form trigger signals relating to the playing of an instrumentalist and which make it possible, thanks to the device according to the invention, to produce audio signals representative of sounds corresponding to this game.
  • these musical performance messages representative of a game of an instrumentalist can be in any other format than the MIDI standard.
  • the trigger signals must be representative of at least the main frequency of a note and its duration and, preferably, also its intensity (or velocity).
  • the audio signals are each obtained by performing the sum of so-called partial, sinusoidal exponentially damped signals and a percussion signal.
  • Each of the partials (identified by the index n ) is defined by two coefficients: the frequency, called frequency f n , and the damping coefficient, said coefficient d n which form the timbre coefficients according to the invention.
  • each note p of the piano to be simulated is associated, in the software for synthesizing piano sounds, with a set of timbre coefficients defining a plurality of partials.
  • Each note p can correspond to a string or several strings, called strings of unison. It should be noted that for a note p with K unison strings (K being an integer greater than or equal to 1), there exist K partial n for each harmonic of the note p. As an example, for a note whose fundamental is 440 Hz and which has 3 strings, there are 3 modes corresponding to 3 partials whose frequencies are close to 440 Hz, 3 modes corresponding to 3 partials whose frequencies are close to 880 Hz, etc.
  • the harmonic term must be interpreted as designating the mode of vibration of the system formed by the coupling of the soundboard and strings of the corresponding note p.
  • this term designates modes of vibration whose frequency is not necessarily an integral multiple of that of the fundamental mode.
  • the magnitude s may be a vector quantity, each component corresponding to an audio output channel.
  • the quantities a n , ⁇ n and b n are also vectorial.
  • Each component of s is associated with the corresponding component of a n , ⁇ n and b n .
  • the resonator corresponds to the coefficients d n ( p ) and f n (p) and the exciter corresponds to the coefficients a n ( p ) and ⁇ n ( p ).
  • the resonator is the operator associated with the model, its eigenvalues determining d n ( p ) and f n ( p ).
  • the exciter is the second member of the system associated mechanics, the coefficients of the solution of this system in the base of eigen modes determining a n (p) and ⁇ n (p).
  • the piano sound synthesis software is adapted to determine the values of the timbre coefficients for all the notes of the piano according to physical parameters representative of measurable physical measurable properties of the instrument, having an influence on the timbre of the sounds produced. by a corresponding real instrument, but not allowing to evaluate the acoustic behavior or the sound provided without resolution of equations.
  • the physical parameters advantageously comprise parameters of the soundboard, and in particular parameters, called impedance parameters, each representative of the impedance Z np that the piano soundboard presents for a partial n of a piano note p.
  • the physical parameters advantageously comprise string parameters (s), and in particular parameters, called tuning parameters, each representative of a tuning gap ⁇ p between a plurality of coupled piano strings corresponding to the note p.
  • the device according to the invention is adapted to allow input, by the user (that is to say by the instrumentist) of the physical parameters, so that it results in a modification of the values d n ( p ) and f n (p) (denoted d np and f np in the figures 7 and 8 ) timbre coefficients and, consequently, a change in the timbre of the sounds produced.
  • the modification of the timbre of the sounds produced must correspond to the modification of the physical parameters entered by the user.
  • the software for synthesizing piano sounds comprises a module, said presynthesis module 19, capable of determining the values to be assigned to the timbre coefficients as a function of the physical parameters according to a function, called the interpolation function.
  • the interpolation function makes it possible to determine the values of a plurality of modal elements, from values entered of the physical parameters.
  • the modal elements comprise the timbre coefficients and modal displacements, representative of the eigen modes, called u np modes, of the coupled system of the soundboard and strings. Each of these modes u np corresponding to a partial n of the note p.
  • This interpolation function is built prior to the realization of the device according to the invention of this example by means of a computer from a constellation of points each associating a set of values Z np , ⁇ p , physical parameters with a set of values, f np , d np , u np modal elements. To do this, said computer generates numerical coefficients defining this interpolation function.
  • the interpolation function it is possible to use multi-variable polynomial functions, radial basic functions, etc.
  • the construction of the constellation of points is based on techniques known in themselves such as hypercubes. space filling (space filling) or the sparse grid technique.
  • a linear regression function can also be considered.
  • the successive derivatives of the modal elements with respect to said physical parameters are calculated for the construction of a Taylor polynomial or a multivariate Padé approximant.
  • the constellation of points is then replaced by a constellation of derivation directions.
  • the values of the modal elements of each point are determined, prior to the execution of the approximation method, according to a mechanical model of the piano, based on the physical parameters of the latter, and in particular the values entered by the user.
  • This mechanical modeling is implemented according to a numerical analysis method.
  • the numerical analysis method may be executed by a computer (not shown in the figures).
  • a finite element method can be used to model the soundboard and the strings of a piano in order to determine the dynamic behavior of the system formed by the soundboard and strings of the piano. in order to determine its complex resonant frequencies ( f np + id np / 2 ⁇ ) as well as the so-called eigen modes u np of the coupled system of the soundboard and strings.
  • the publication PH. GUILLAUME Nonlinear eigenproblems, SIAM J. Matrix Anal. Appl. Vol 20 No 3 (1999), 575-595 , describes a method for calculating complex eigenvalues of a nonlinear eigenvalue system, which can be used in the present invention.
  • Matrixes of mass, rigidity and damping necessary for the implementation of the finite element method are established according to a piano model to simulate.
  • these matrices are determined as a function of parameter values, called piano modeling parameters, of this piano model to be simulated.
  • each note p corresponds to one or more unison strings on which a hammer corresponding to this note is struck.
  • some bass notes of the piano to simulate may include one or two strings of unison while the other notes may include three strings of unison.
  • the piano modeling parameters of the first exemplary implementation of the invention comprise at least one soundboard modeling parameter.
  • a weighting factor of the values of the Hooke tensor of the soundboard can constitute a modeling parameter of the soundboard.
  • the matrices of mass, stiffness and damping are established according to the dimensions and the structure of the strings and the soundboard, as well as the Hooke tensor of these elements of the piano as determined by the model of the piano to simulate and the values of the piano modeling parameters.
  • the finite element method is implemented to determine, for each note p of the piano to simulate, an impedance value Z np of the soundboard for each partial n of the note p. These Z np soundboard impedance values are representative of the physical properties of the soundboard.
  • the piano model of the first embodiment of the invention is a model close to reality.
  • each string of the piano can be modeled as an elastic beam.
  • the inventor has found that the use of such a model makes it possible to translate the effect of inharmonicity occurring due to the considerable rigidity of the string in bending, as well as the quadratic effect due to the interaction with the easel. This last sound effect is all the more noticeable as the vibration amplitude of the string is important, so that the notes are played strongly.
  • each rope is considered to be embedded at the attachment point and the nut.
  • This attachment point and the nut can be considered as totally immobile so that the position of the rope at the nut and the position of the rope at the point of attachment form, in the model of the first example, boundary conditions of the rope.
  • each string is considered to be rigidly connected with the bridge of the soundboard through trestle points in accordance with the rules of the art in the matter of piano bill.
  • this modeling takes into account the coupling of the strings of the piano and the soundboard.
  • This coupling is provided in the traditional pianos at the level of the bridge because of forcing the position of each string in this place.
  • the model makes it possible to take into account the mutual influence of the piano strings, in particular the sympathetic resonance phenomenon between the notes and the mutual influence of the unison strings of the same note.
  • the inventor has found that taking into account, in the modeling, this coupling of the strings and the soundboard as well as tuning differences between the unison strings of the notes makes it possible to obtain a device producing realistic piano sounds.
  • a hull model can be used to represent by finite elements the soundboard, including the saddle and the bridge of this soundboard.
  • a tier 1 laminar model may further be used to account for the orientation of the soundboard fiber with reinforcements in the orthogonal direction.
  • the soundboard can also be modeled by an isotropic material with an addition of reinforcements in the direction of the fiber and in the orthogonal direction. Finally, one can use a three-dimensional model, called 3D model, isotropic or not.
  • the finite element method is implemented several times by varying, after each analysis step (iteration), the value of at least one piano modeling parameter so as to modify the physical properties of the piano.
  • the matrices of the finite element method are redefined accordingly after each of the analysis steps.
  • a plurality of representative points of different mechanical piano configurations as defined by Z np , ⁇ p , physical parameters
  • corresponding acoustic behavior as defined by f np , d np , timbre coefficients obtained from the values Z np , ⁇ p , physical parameters
  • the finite element method is repeated a large number of times. It is a question of providing a number of distinct points making it possible to define the interpolation function with sufficient precision so that it makes it possible to obtain, from a set of values Z np , ⁇ p , physical parameters. , which correspond to the values that can be entered by the user, values f np , d np , u np modal elements representative of the mechanical configuration corresponding to these values of the physical parameters.
  • the set of these associated values is determined by prior calculations and its values and their correspondences are used by an interpolation process of the presynthesis module.
  • the process defined by the figure 7 is executed on a high power computer that is not represented. These calculations are carried out beforehand and not in real time, their results are recorded in a mass memory accessible to the sound production module, so that this sound production module can generate sounds of stringed instruments and sound. keyboard in real time.
  • the interpolation function can be determined using a kriegage technique, neural networks, a vector support machine, called SVM, a radial mass function, called RBF, or any interpolation adapted.
  • GUILLAUME Optimal Shape Design
  • the multivariate Padé method can be used as an approximation method (cf. PH. GUILLAUME, Nested Multivariate Padé Approximants, Journal of Computational and Applied Mathematics, 82 (1997), 149-158 - PH. GUILLAUME, A. HUARD, V. ROBIN, Generalized Multivariate Padé Approximants, J. Approx. Theory, Vol. 95, No. 2 (1998), 203-214 - PH. GUILLAUME, Convergence of the Nested Multivariate Padé Approximants, J. Approx. Theory, Vol. 94, No. 3 (1998), 455-466 - PH. GUILLAUME, A. HUARD, Multivariate Padé approximation, Journal of Computational and Applied Mathematics 121 (2000), 197-219 ).
  • the points from which the approximation method is implemented can be determined by any method other than the finite element method.
  • any method for determining the dynamic behavior, the u np modes and the complex resonant frequencies can be used.
  • the points can be determined using spectral methods or using the finite difference principle.
  • equivalent circuits, trellises of beams or equivalent bars, an analytical or spectral calculation can be used.
  • an input of physical parameters can be carried out by the user by any means.
  • such a capture can be carried out directly by the user from human machine interface devices which is equipped with the microcomputer, in particular the screen 9 and the mouse.
  • the software for synthesizing piano sounds of the first example of implementation of the invention can define a graphical interface displayed on the monitor 9 during the execution of the software for synthesizing piano sounds.
  • This interface comprises a plurality of graphic elements representing buttons 30, 31, 32, 34, mounted on slides, identified for the attention of the user by textual elements.
  • the software for synthesizing piano sounds includes backup files defining, for each note p of the piano, default values for tuning parameters.
  • the position of a button 34 of the graphical interface of the first exemplary implementation of the invention makes it possible to determine the value of a weighting factor.
  • the software for synthesizing piano sounds is adapted to multiply this weighting factor with each of the default values of the tuning parameters.
  • the values resulting from this multiplication correspond to values ⁇ p entering the tuning parameters in order to determine the values u np , dnp , fnp , of the modal elements by means of the interpolation function.
  • the input of the impedance values Z np of the mechanical parameters is carried out for each note p according to a function, called the weighting function.
  • This weighting function defines a weighting factor for each impedance value of a plurality of default impedance values each corresponding to a partial n of this note p.
  • the position of the buttons 30, 31, 32 of the graphical interface of the first exemplary implementation of the invention allows the user to modify the weighting functions so that the impedance values obtained by weighting, according to these functions, default impedance values correspond to values Z np seizures impedance parameters.
  • These entered Z np values are used to determine the u np , d np , f np values of the modal elements by means of the interpolation function.
  • the default impedance values can be read by the piano sound synthesis software in backup files. These default impedance values can be the values Z npj determined during an analysis number j by the finite element method.
  • the piano sound synthesis software of the first example may include backup files defining, for each note p of the piano, default values of parameters of the corresponding weighting function. Each weighting function defines a value of the weighting factor ⁇ p ( h ) for each harmonic of the note p as a function of the rank h harmonic. The weighting factor ⁇ p ( h ) thus defined for each harmonic is used to weight the modules of the default impedance values of the K partials of the note p corresponding to this harmonic.
  • Each weighting function can be a continuous affine function composed of two parts.
  • the figure 3 illustrates such a function having the weighting factor ⁇ p (h) on the ordinate and the rank h of harmonics on the abscissa.
  • a first constant portion 42 defines a constant weighting factor for low order harmonics.
  • a second part 43 defines a decreasing weighting factor with the rank h of high order harmonics.
  • Each weighting function can be defined using three weighting function parameters.
  • a first parameter said weighting constant 40, determines the value of the weighting factor for the low order harmonics.
  • a second parameter called clipping index 41, determines the rank from which the weighting function becomes decreasing. This index corresponds to the maximum rank of low order harmonics.
  • a third parameter called quality factor, determines the slope of the second part 43 of the affine function.
  • buttons 30, 31, 32 of the graphical interface form means for entering the parameters of the weighting functions of all the notes.
  • the position of each button relative to its slideway may be representative of a weighting factor to be applied to the default values of the weighting function parameters.
  • each of the three buttons 30, 31, 32 makes it possible to modify, in a uniform manner or not, the parameters of the weighting functions of all the notes of the piano: the first button 30 makes it possible to modify the constants 40 of weighting of these functions the second button 31 makes it possible to modify the clipping indices 41 of these functions and the third button 32 makes it possible to modify the quality factors of these functions.
  • buttons 30, 31, 32 and 34 of the graphical interface as well as the peripherals allowing their manipulation form means for entering physical parameters according to the invention.
  • the software for synthesizing piano sounds thus enables the user to make changes to the physical properties of the piano that affect, in a uniform manner or not, a plurality of piano notes by acting on a reduced number of input means, such as the buttons 30, 31, 32 and 34 of the graphical interface.
  • each weighting function is defined by a larger number of weighting function parameters in order to allow the user to more precisely define the physical properties of the soundboard according to the ranks of the harmonics of each note.
  • the weighting functions of the notes of the piano can be determined by any other means of control than the buttons 30, 31, 32.
  • the graphical interface may comprise a graphical representation of each weighting function under the shape of a continuous curve extending in a plane having an abscissa corresponding to the rank h of harmonics and an ordinate corresponding to the weighting factor ⁇ p ( h ).
  • this curve may be of cubic spline type and the graphic interface may comprise graphic elements, called handles, each corresponding to a control point of the cubic spline.
  • MIDI keyboard control means may be employed to generate MIDI messages corresponding to changes to the physical parameters, the piano sound synthesis software then being adapted to interpret such MIDI messages and perform a corresponding input of the physical parameters.
  • nothing prevents automatically performing a sequence of modifications of the physical properties by means for example of a MIDI sequencer software (not shown), running within the microcomputer 2 and adapted to transmit to the software of synthesis of piano sounds from corresponding MIDI messages previously saved in a backup file. It should be noted that nothing also prevents the transmission, by means of such a MIDI sequencer software, of a sequence of musical performance MIDI messages previously recorded in a backup file.
  • the MIDI musical performance messages thus transmitted form trigger signals according to the invention.
  • the software for synthesizing piano sounds can be programmed to create, following its loading in memory, processes executing within the processing unit 4 with other processes, notably system processes, according to a scheduling of which the management is provided by the operating system 7.
  • the presynthesis module 19 executes a first process, referred to as the presynthesis process, which is adapted to supply the values f np , d np , timbre coefficients corresponding to values ⁇ p , Z np , of seized physical parameters.
  • This presynthesis process does not run in real time, but rather as a background task.
  • the figure 5 represents an algorithmic scheme according to which the presynthesis process executes. Following its creation by the module 19 of presynthesis of the software of synthesis of piano sounds, the process of presynthesis is programmed to perform an initialization step 101 in which this process reads the backup files the default values of the tuning parameters, the default impedance values and the default values of the parameters of the weighting functions.
  • a step 103 subsequent to step 101 the presynthesis process determines, as previously described, the values f np , d np , u np , of the modal elements from the values ⁇ p , Z np , seizures of the physical parameters. , then record these values f np , d np , u np , for the attention of the real-time sound production process.
  • this data can be recorded in a data transfer file accessible to the real-time production process of the sounds so as to allow a recovery of these data by the latter process.
  • the interpolation function makes it possible to determine, with a low computation load, the values f np , d np , u np , modal elements corresponding to the set of values of the physical parameters.
  • step 103 the presynthesis process processes, for each note p of the piano, a plurality of signals, called excitatory signals E pl ( t ), each representative of the excitation of the strings of the note p according to a I strike intensity of this note.
  • excitatory signals E pl ( t ) each representative of the excitation of the strings of the note p according to a I strike intensity of this note.
  • these excitatory signals can be measured directly on a traditional piano by using an automatic mechanical device and adjustable depression of the notes of the piano, these excitatory signals being recorded in backup files. It should be noted in this regard that these excitatory signals are never used in a device according to the invention as an audio signal.
  • the presynthesis process determines the parameter values, called excitation parameters, representative of the initial amplitude a n ( p ) and of the phase shift ⁇ n ( p ) of each partial n notes p.
  • excitation parameters representative of the initial amplitude a n ( p ) and of the phase shift ⁇ n ( p ) of each partial n notes p.
  • the process of presynthesis deals with each exciter signal E p1 (t) according to the eigen modes u np of the corresponding note p, in accordance with the modal method.
  • u x t Re ⁇ ⁇ not ⁇ not exp 2 ⁇ i ⁇ ⁇ f not + i ⁇ d not ⁇ t
  • ⁇ n are provided by formulas (1), (2) and (3) of the modal analysis mentioned above.
  • the excitation parameters can be obtained in any other way, for example from a physical model representative of the rope-hammer interaction.
  • step 104 subsequent to step 103, the presynthesis process is held pending receipt of a signal according to which at least one physical parameter has been inputted.
  • a signal can be transmitted to the presynthesis module following any movement of one of the buttons 30, 31, 32, 34 of the graphic interface.
  • the presynthesis process executes step 103 and the subsequent steps again.
  • the presynthesis module determines new values of timbre coefficients and excitation parameters at each modification of a physical parameter, as determined by a user input using the means of input (mouse, keyboard, graphical interface ...) or by a software program transmitting corresponding signals (MIDI sequencer for example) to a software module (not shown) for producing piano sounds, adapted to interpret the signals and perform an input corresponding physical parameters.
  • a software program transmitting corresponding signals (MIDI sequencer for example) to a software module (not shown) for producing piano sounds, adapted to interpret the signals and perform an input corresponding physical parameters.
  • the presynthesis module is adapted to transmit an interruption to the production module of sounds to indicate that new values of timbre coefficients and excitation parameters are available.
  • the presynthesis process preferably runs continuously until the piano tone synthesis software signals it to finish.
  • the piano sound synthesis software further comprises a module 20 for real-time digital production of audio signals representative of the sounds.
  • This real-time sound production module 20 creates, in RAM, at least one real-time sound production process as mentioned above, adapted to be able to read the values of the timbre coefficients and the excitation parameters produced by the process of presynthesis and produce digital audio signals based on the trigger signals (representative of the game of an instrumentalist) received.
  • This process of producing sounds in real time generates the audio signals, by additive synthesis according to formulas (1), (2) and (3) mentioned above, that is to say by cumulating the partials from timbre coefficients and trigger signals.
  • This real-time calculation is very simple and only requires very little computing power.
  • the figure 6 represents an algorithmic scheme according to which the real time process of sound production is executed.
  • the real-time sound production process retrieves the values of timbre coefficients and excitation parameters. recorded to his attention by the process of presynthesis.
  • the real-time sound production process can be adapted to wait to receive a signal transmitted by the presynthesis process indicating that such data are actually available.
  • step 202 subsequent to step 201, the real-time sound production process is placed in the waiting state of receipt of a trigger signal.
  • step 203 the real-time sound production process performs, in accordance with the above-described formula, the synthesis of a signal s (p, t) representative of a piano sound in function. values of the timbre coefficients and excitation parameters corresponding to a score p to be produced and a striking intensity of this note p as determined by a received trigger signal.
  • the real-time sound production process is adapted to select the values of the excitation parameters corresponding to a striking intensity I closest to that determined by the received trigger signal.
  • a percussive sound b (p, t) is added to the sum of the partials.
  • the same pre-recorded sound can be combined with each of the summed signals corresponding to the produced notes.
  • a plurality of percussion noises b (p, t) are recorded for different notes p.
  • step 203 the real-time sound production process executes step 202 again.
  • the real-time sound production process preferably runs continuously until the piano sound synthesis software signals it to end.
  • ⁇ real-time sound production processes can be created for concurrent execution of these processes on the same processor or parallel execution of these processes on multiple processors.
  • a real time sound production process can be created for each piano note so as to allow the simultaneous production of several audio signals each corresponding to a piano note p. These audio signals may be summed, for example by means of a hardware mixing module of the sound card, to produce the audio signal transmitted to the amplifier.
  • the computer system can be implemented in the form of a dedicated system, specially configured to run a software for synthesizing piano sounds such as that of the first example implementation of the invention.
  • a system can be realized by means of a microcomputer equipped with a flanged operating system so as to be able to execute only the software for synthesizing piano sounds.
  • a system can be configured to allow possible updates and the transfer of backup files.
  • the device according to the invention can be realized in the form of an electronic keyboard ( figure 4 ) mechanical piano keys comprising a module (not shown) for digital processing, similar to the central unit of the first example of implementation.
  • This module can be adapted to execute an embedded software similar to the software of the first example of implementation of the invention.
  • this keyboard may include buttons 130, 131, 132 for controlling weighting function parameters similar to those of the software of the first exemplary implementation.
  • this keyboard may include a knob 134 for controlling the tuning gap between the unison strings of the piano notes.
  • the device according to the invention can be implemented in a so-called silent system for playing on the keyboard of an acoustic piano without disturbing those around.
  • a system may include a mechanism for stopping acoustic piano hammers before any impact on the strings and sensors arranged at the keyboard.
  • a housing forming a device according to the invention is adapted to produce piano sounds according to trigger signals generated by the sensors. These piano sounds can be amplified and transmitted to a headphone plugged into the case.
  • Input means of such a device may be provided in a form similar to those of the second example of implementation of the invention.
  • the devices given by way of example make it possible to perform manual input of the physical parameters by means of the keyboard, the mouse, etc. None prevents the use of a device according to the invention adapted to enable a user to perform such an operation. entered by any other suitable means, for example by means of a voice recognition system.
  • the physical parameters according to the invention may correspond to any other measurable physical property of the soundboard or piano strings having an influence on the timbre of the sounds produced by a piano.
  • the soundboard parameters can be representative of physical properties of the soundboard corresponding to instrument bill choices. These physical parameters include, in particular, parameters representative of the structure, the behavior under constraints, the vibratory behavior, the dimension, the materials, the arrangement of the soundboard as well as the parts that constitute it.
  • the size of the soundboard in the sense of thickness, length or width may be a soundboard parameter according to the invention.
  • a multiplicative factor of a dimension of the soundboard can constitute such a physical parameter.
  • parameters representative of the shape of certain parts of the soundboard can constitute soundboard parameters according to the invention.
  • a multiplicative factor of the radii of curvature of the outline of the soundboard seen from the front can constitute such a physical parameter.
  • a weighting factor of the values of the Hooke tensor matrix may constitute a soundboard parameter according to the invention.
  • soundboard parameters can be representative of physical properties of the soundboard that are not related to billing choices.
  • a soundboard parameter may be representative of a soundboard moisture level.
  • a parameter representative of the tension of a piano string can be used for each string of the piano. It should be noted that such parameters constitute, in the case of notes to which are associated several strings of the piano, strings parameters representative of tuning gaps between these strings of unisons notes of a piano.
  • string parameters (s) representative of the temperament of the piano may constitute string parameters according to the invention.
  • the string parameters can be representative of the choice of invoice of the instrument.
  • parameters representative of the number of strings for each note, parameters representative of the position of each string relative to the soundboard, etc. may constitute string parameters according to the invention.
  • a device according to the invention can be used by piano factors as a simulation tool of acoustic pianos for their design, to have a representation of the sound likely to be produced before the construction of the instrument.
  • the gripping means of the device according to the invention may be specially adapted for such use.
  • the device may include a large amount of input means for accurately determining a large amount of physical properties of the piano entering the piano factor design choices.
  • the device may comprise several input means for accurately determining the dimensions of the ropes and the various parts of the soundboard.
  • the device may include a plurality of input means for accurately determining the properties of the material composing each piece of the soundboard and the strings.
  • the device may further comprise input means corresponding to other parameters, such as the voltage of each string ...
  • the input means comprise means adapted to allow the user to modify, before use by the production module in real time, the minus a timbre coefficient f n , d n and / or at least one excitation parameter a n , ⁇ n determined by the presynthesis module.
  • a modification cursor for each timbre coefficient and for each excitation parameter.
  • it can be provided a cursor for modifying each harmonic (for all notes), or a graphical representation of the harmonic curve of each note that can be adjusted by the user ...
  • the input means of a device according to the invention can be specifically adapted for use of the device as a teaching tool in the context of courses taught to train piano tuners as well as in music schools.
  • the aforementioned examples of implementation of the invention can be transposed to keyboard and string instruments other than the piano, for example the pantaleon, the harpsichord, the clavichord, the pianoforte ....
  • the finite element modeling of the above-mentioned first example can be modified accordingly.
  • the exciter signals of this example can be further measured on the corresponding keyboard instrument.
  • the invention extends to a recording medium - in particular of the removable type (CD-ROM, DVD, USB key, external electronic hard disk, etc.) - adapted to be read in a reader of a computing device, and comprising a registered computer program adapted to be loaded into the RAM of said computing device when said recording medium is loaded into said reader, which computer program is adapted so that when loaded into RAM of that device computer, the latter is a device for producing digitally representative signals of sounds according to the invention.
  • the recording medium contains the software for synthesizing piano sounds as described above.
  • Said computer device may be a computer associated or not with an electronic keyboard as mentioned above.

Description

  • L'invention concerne un dispositif de production par voie numérique de signaux représentatifs de sons ayant une sonorité simulant celle d'un instrument à clavier et à cordes reliées à une table d'harmonie de l'instrument, ces sons correspondant chacun à une note de l'instrument.
  • On connaît des méthodes de production de sons de piano par voie numérique en temps réel à partir de sons préalablement enregistrés de piano. Dans de telles méthodes, le timbre des sons produits dépend de la sonorité du piano, dit piano d'origine, ayant produit les sons enregistrés. On connaît ainsi des procédés selon lesquels les sons préenregistrés sont modifiés en cours de chaîne de traitement en vue de moduler le timbre des sons de piano obtenus en fin de chaîne. Ces modifications sont obtenues par application de techniques de traitement du signal. Or, le timbre des sons de piano ainsi produits reste, malgré ces modifications, étroitement lié au caractère de la sonorité du piano d'origine. En outre, la mise en oeuvre de ces méthodes nécessite un espace mémoire important pour stocker en grand nombre des sons de piano préenregistrés en vue de produire des sons de piano de haute qualité.
  • On connaît en outre (cf notamment les publications « Modeling piano sound using waveguide digital filtering techniques » Guy E. Garnett, 1987 ICMC Proceedings, et « physically infonned signal processng methods for piano sound synthesis : a research overview » EURASIP Journal on Applied Signal Processing 2003 :10, 941-952 XP-002419785) des méthodes, dites méthodes de synthèse par guides d'ondes, selon lesquelles un résonateur de l'instrument de musique (une corde de piano par exemple) est représenté au moyen d'une boucle de retard comportant des organes de traitement linéaire du signal (en particulier des filtres) dont la fonction de transfert est déterminée en fonction des propriétés (résonance et atténuation) du résonateur. En vue de la synthèse de chaque note, une forme d'onde est introduite à titre d'excitation dans la boucle de délai.
  • Dans ces méthodes, la forme des ondes d'excitation et les paramètres de conception des filtres de la boucle de retard sont obtenus soit par un ajustement manuel, par tâtonnement, de chaque filtre pour chaque configuration d'instrument à simuler (ce qui est long, complexe, fournit des résultats peu fidèles, et ne permet pas des changements de configuration rapides et faciles), soit à partir d'un signal enregistré relevé sur un piano acoustique de facture traditionnelle (la simulation étant alors très imparfaite, un piano réel n'étant pas constitué d'un réseau de guides d'ondes). Dès lors, le champ d'application de ces méthodes par guides d'ondes est strictement limité à l'imitation imparfaite, peu réaliste, de la sonorité d'un seul instrument correspondant aux ajustements manuels des filtres, ou duquel est tiré l'enregistrement du signal enregistré.
  • Par ailleurs, si on a bien sûr pu penser à utiliser une modélisation physique complète (par exemple avec un maillage et une analyse numérique du type par éléments finis ou équivalente) de l'instrument, il est clair qu'une telle méthode nécessitant une quantité énorme de calculs pour chaque son à produire reste complètement incompatible avec une simulation en temps réel sur les dispositifs informatiques actuellement disponibles.
  • Le document BENSA J. : « Analyse et synthèse de sons de piano par modèles physiques et de signaux » thèse de doctorat, université de la Méditerranée, 23 mai 2003, XP 007903720 décrit un modèle de synthèse de sons de piano fondé sur des guides d'ondes numériques couplés pour modéliser les transferts d'énergie entre les cordes, la source du modèle ayant été simulée par un modèle de signal par synthèse soustractive, ce qui permet d'obtenir un piano numérique dont on peut modifier certaines caractéristiques de timbre. Ce document prévoit d'utiliser un module hybride comprenant un modèle qualifié de « physique » pour simuler le comportement de l'instrument, et un modèle de signal pour simuler l'effet de perception produit par instrument. Le résonateur est modélisé en utilisant des guides d'ondes numériques dont la source est elle-même modélisée en utilisant un modèle non linéaire de signal correspondant à l'interaction marteau/corde selon une synthèse soustractive. Dans ce document, seules les caractéristiques physiques les plus pertinentes des cordes du piano et de la vitesse du marteau sont prises en compte dans le modèle hybride. En particulier, la table d'harmonie n'est pas modélisée. Ce document prévoit à ce titre qu'elle pourrait être prise en compte par un jeu de filtres linéaires identifiés pour chaque note à partir de mesures sur un piano réel, chaque filtre étant sujet à une convolution avec le signal d'excitation pour créer une table d'excitation agrégée. Avec un tel modèle, l'ajustement des différents paramètres par l'utilisateur dans une première étape est très difficile et, en tout état de cause, ne prend jamais en considération des paramètres physiques réels de la table d'harmonie, de sorte que, comme le document l'indique lui-même, des résultats parfaitement fantaisistes peuvent être obtenus.
  • Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un dispositif de simulation numérique en temps réel de sons d'un instrument à clavier et à cordes reliées à une table d'harmonie tel qu'un piano, avec lequel l'utilisateur (c'est-à-dire l'instrumentiste) peut choisir et modifier facilement et rapidement la sonorité des sons produits. En particulier, l'invention vise à permettre à l'utilisateur de définir, selon des critères intuitifs, toute sonorité d'instrument, le dispositif produisant, pour chacune des sonorités ainsi définies, des sons dont le timbre porte le caractère distinctif de cette sonorité.
  • En particulier, l'invention vise à proposer un tel dispositif permettant à un utilisateur de définir rapidement et facilement toute sonorité correspondant à un quelconque instrument pouvant être aussi bien un instrument réel connu de facture traditionnelle, qu'un instrument dont les caractéristiques physiques sont déterminées directement par l'utilisateur, voire même un instrument totalement virtuel irréalisable en réalité, et apte à reproduire une telle sonorité.
  • En particulier, l'invention vise aussi à permettre à l'utilisateur de définir, notamment de manière intuitive, des timbres d'instrument nouveaux, notamment des timbres correspondant à des instruments dont la facture serait irréalisable en pratique en raison des contraintes mécaniques dans ce domaine, notamment des contraintes liées aux propriétés physiques des matériaux, des contraintes liées aux techniques de facture connues, des contraintes de nature économique...
  • Aussi, l'invention vise à fournir un dispositif permettant la simulation d'une gamme étendue d'instruments, en permettant à un utilisateur d'agir directement, simplement et rapidement sur les paramètres physiques de l'instrument à simuler susceptibles en réalité d'influencer le timbre.
  • L'invention vise aussi à procurer à l'instrumentiste, un confort de jeu équivalent à celui des pianos acoustiques traditionnels, ou du moins se rapprochant d'un tel confort de jeu. Notamment, l'invention vise à fournir une solution procurant un délai de réponse peu ou pas perceptible entre chaque action de l'instrumentiste et l'effet sonore correspondant.
  • A ce titre, l'invention vise à fournir une solution compatible avec la puissance de calcul et l'espace mémoire que présentent les calculateurs connus actuellement commercialisés à un prix accessible au grand public. En particulier, l'invention vise à produire des sons en temps réel sur un ordinateur personnel disponible dans le commerce à bon marché en respectant le rythme d'une partition musicale rapide.
  • Aussi, l'invention vise à fournir une solution procurant une qualité et des performances acoustiques élevées tout en présentant un prix de revient économique.
  • En outre, il existe un besoin de résoudre les problèmes précités pour des instruments à claviers autres que le piano, dotés de cordes reliées à une table d'harmonie.
    • Pour ce faire, l'invention concerne un dispositif selon la revendication 1.
  • Avantageusement un dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens de saisie, par un utilisateur, d'au moins un paramètre physique, ledit module de présynthèse étant adapté pour produire les coefficients de timbre à partir des paramètres physiques saisis. Pour faciliter cette saisie, rien n'empêche de déterminer et d'enregistrer des jeux de paramètres physiques lors de la fabrication d'un dispositif selon l'invention, ces jeux prédéterminés préalablement enregistrés pouvant être utilisés par l'utilisateur pour la saisie des paramètres physiques en vue de la détermination des coefficients de timbre par un module de présynthèse.
  • Lesdites propriétés physiques mesurables (de la table d'harmonie et/ou de corde(s)) correspondent à des propriétés mesurables ne permettant pas d'évaluer le comportement acoustique ou le son fourni sans résolution d'équations ; en particulier il ne s'agit pas de caractéristiques d'un son fourni par un instrument réel à clavier et à cordes à simuler, ni du comportement acoustique d'un instrument réel à clavier et à cordes à simuler. Il s'agit au contraire de propriétés physiques mesurables sur lesquelles le facteur de l'instrument et/ou l'accordeur de l'instrument pourrait intervenir physiquement dans le cas d'un instrument réel à clavier et à cordes.
  • Les paramètres physiques de table d'harmonie et de corde(s) conditionnent les caractéristiques physiques de l'instrument à clavier et à cordes à simuler, et sont indépendants du dispositif de simulation (les valeurs de ces paramètres physiques étant prédéterminées, ou déterminées ou modifiées par une saisie effectuée par l'utilisateur, constituant des valeurs d'entrée du module de présynthèse, et n'étant pas modifiées par un traitement numérique ultérieur), chacun de ces paramètres physiques pouvant être modifié indépendamment des autres pour obtenir une modification correspondante des sons produits.
  • L'invention permet ainsi de définir, notamment de manière intuitive, différentes sonorités d'instruments à clavier et à cordes et de produire des sons réalistes Correspondant à ces différentes sonorités.
  • L'inventeur a pu mettre en oeuvre des dispositifs selon l'invention adaptés pour pouvoir reproduire avec un haut degré de fidélité la sonorité caractéristique de tout instrument réel mécanique à clavier et à cordes de facture traditionnelle. Or, aucun dispositif antérieur connu de production de sons en temps réel ne permet d'obtenir un tel résultat en procédant à partir de paramètres physiques de table d'harmonie et de paramètres de corde(s).
  • De plus l'invention permet à l'utilisateur de saisir des valeurs desdits paramètres physiques qui ne correspondent pas nécessairement à celles d'un instrument réel, et qui peuvent s'étendre à des valeurs extrêmes non rencontrées en réalité (par exemple des dimensions exagérément importantes, ou au contraire faibles, de la table d'harmonie), ou même à des valeurs fantaisistes non réalisables techniquement en pratique (terme quadratique égal à zéro, plusieurs cordes pour les basses fréquences, dimensions de la table d'harmonie normalement incompatibles avec la résistance à la traction des cordes...). L'invention permet ainsi d'explorer des sonorités d'instruments virtuels à l'infini.
  • En particulier, l'inventeur a déterminé qu'il est en pratique possible, pour le fonctionnement du module de présynthèse, d'utiliser une modélisation mécanique de l'instrument à clavier et à cordes à simuler décrivant chaque corde, la table d'harmonie et le couplage de l'ensemble des cordes et de la table d'harmonie de l'instrument à clavier et à cordes.
  • A cet égard, il est à noter que l'invention va à l'encontre du préjugé antérieur selon lequel les modélisations mécaniques qui sont compatibles avec un traitement en temps réel devraient être nécessairement simplifiées, et seraient alors trop approximatives pour permettre de produire, en temps réel, des sons d'instruments à clavier et à cordes présentant un haut degré de réalisme ou reproduisant avec un haut degré de fidélité la sonorité d'un instrument à clavier et à cordes connu de facture traditionnelle.
  • En outre, selon ce même préjugé, on sait que les modélisations les moins approximatives ne permettent pas de mettre en oeuvre un dispositif de production de sons d'instrument à clavier et à cordes en temps réel et nécessitent une puissance de calcul largement supérieure à celle des calculateurs actuels. En outre, selon ce même préjugé, on estime que la qualité des sons produits selon de tels modèles dépend dans une très large mesure de la précision de la modélisation mécanique, de sorte qu'il était présumé que toute imprécision à cet égard déboucherait sur une perte rédhibitoire en terme de qualité des sons produits.
  • A l'inverse, l'inventeur a déterminé qu'en réalité un dispositif selon l'invention peut comporter une capacité de mémoire modeste en comparaison des dispositifs connus procédant à partir de sons préenregistrés d'instruments à clavier et à cordes, notamment de piano.
  • La modélisation mécanique précitée utilisée pour le module de présynthèse d'un dispositif selon l'invention peut être utilisée pour tout instrument à clavier et à cordes, tel que le piano, le pantaléon, le clavecin, le clavicorde, le pianoforte... Le préjugé précité vise particulièrement les modèles mécaniques de pianos. En effet, la sonorité du piano est particulièrement riche et difficile à reproduire avec précision. Cette modélisation mécanique permet, dans un dispositif selon l'invention, de calculer des jeux de valeurs de coefficients de timbres distincts mémorisés, notamment sous forme d'une table, en association avec des jeux de valeurs correspondantes pour les différents paramètres physiques que l'utilisateur peut modifier. On réalise ainsi une configuration initiale du module de présynthèse, de telle sorte que la détermination des coefficients de timbre à chaque modification d'un paramètre physique par l'utilisateur puisse être réalisée par le module de présynthèse directement par interpolation à partir de valeurs préenregistrées pour ces coefficients de timbre.
  • Avantageusement et selon l'invention, le(les) paramètre(s) de corde(s) est(sont) distinct(s) du(des) paramètre(s) de table d'harmonie.
  • Avantageusement et selon l'invention, le dispositif comprend des moyens de saisie d'au moins un paramètre de table d'harmonie.
  • Avantageusement et selon l'invention, le dispositif comprend des moyens de saisie d'au moins un paramètre de corde(s).
  • Avantageusement et selon l'invention, au moins un paramètre de cordes est représentatif d'un écart d'accordage entre au moins deux cordes couplées correspondant à la note.
  • L'inventeur a pu obtenir des sons de piano réaliste en tenant compte de l'influence mutuelle des cordes d'un jeu de cordes couplées correspondant à la note de piano.
  • Avantageusement et selon l'invention, au moins un paramètre de table d'harmonie est représentatif d'au moins une propriété du matériau de la table d'harmonie.
  • En particulier, un paramètre de table d'harmonie peut être un facteur de pondération des valeurs du tenseur de Hooke de la table d'harmonie ou bien une dimension de la table d'harmonie.
  • Avantageusement et selon l'invention, les paramètres physiques comprennent, pour une pluralité de fréquences, au moins un paramètre de table d'harmonie représentatif de l'impédance de la table d'harmonie de l'instrument à clavier et à cordes pour chacune de ces fréquences.
  • Avantageusement et selon l'invention :
    • le dispositif est adapté pour produire des sons correspondant à une pluralité de notes d'instrument à clavier et à cordes,
    • les paramètres physiques peuvent comprendre, pour chaque note d'instrument à clavier et à cordes, au moins un paramètre de table d'harmonie représentatif de l'impédance de la table d'harmonie de l'instrument à clavier et à cordes pour chaque fréquence d'une pluralité de fréquences associées à ladite note d'instrument à clavier et à cordes.
  • En particulier, les paramètres physiques peuvent comprendre un paramètre de table d'harmonie représentatif de l'impédance de la table d'harmonie pour chaque fréquence d'une pluralité de fréquences à chacune desquelles correspond au moins un partiel de la note.
  • Avantageusement et selon l'invention, le dispositif comprend des moyens manuels de saisie.
  • Avantageusement et selon l'invention, le module de présynthèse est adapté pour déterminer à partir de valeurs saisies desdits paramètres physiques, les valeurs d'une pluralité d'éléments modaux comprenant, outre lesdits coefficients de timbre, des paramètres de déplacements modaux représentatifs des modes propres du système couplé de la table d'harmonie et des cordes.
  • Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention le module de présynthèse est adapté pour déterminer les valeurs des éléments modaux à partir d'une constellation de points préalablement mémorisés chacun associant un jeu de valeurs des paramètres physiques pouvant être saisies par un utilisateur avec un jeu d'éléments modaux.
  • En outre, avantageusement et selon l'invention, les valeurs des éléments modaux de chaque point sont déterminées préalablement selon une modélisation mécanique de l'instrument qui tient compte du couplage des cordes et de la table d'harmonie. Avantageusement et selon l'invention, ladite modélisation mécanique prend en compte des écarts d'accordage entre les cordes d'unisson des notes.
  • Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention, le module de présynthèse est adapté pour déterminer des paramètres d'excitation représentatifs de l'amplitude initiale an (p) et du déphasage θ n (p) de chaque partiel n des notes p.
  • Avantageusement et selon l'invention, le module de présynthèse est adapté pour exécuter au moins un processus de présynthèse en tâche de fond, c'est-à-dire non en temps réel. Ainsi, les coefficients de timbre sont déterminés par le module de présynthèse par un processus qui n'est pas un processus temps réel et qui n'affecte donc pas l'efficacité et la performance du module temps réel de production de sons.
  • Avantageusement et selon l'invention, chaque signal déclencheur est formé d'un message se rapportant à des actions d'un instrumentiste sur des touches d'un clavier -notamment un message MIDI-. Ces messages de déclenchement peuvent se présenter sous tout autre format que le standard MIDI.
  • Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention, le module de production réalise en temps réel la synthèse d'un signal représentatif d'un son de piano en fonction des valeurs des coefficients de timbre et des paramètres d'excitation correspondant à une note p à produire et à une intensité de frappe de cette note p, tels que déterminés par un signal déclencheur reçu.
  • Avantageusement un dispositif selon l'invention comprend un système informatique incorporant un logiciel de synthèse de sons simulant la sonorité d'un instrument à clavier, cordes et table d'harmonie, ce logiciel de synthèse de sons formant chaque module de présynthèse et chaque module de production en temps réel de sons, et présentant une interface homme-machine adaptée pour permettre à un utilisateur de former des signaux déclencheur et pour présenter lesdits moyens de saisie d'au moins un paramètre physique. Dans un mode de réalisation, l'instrument à simuler étant un piano, un dispositif selon l'invention comprend au moins un clavier électronique à touches mécaniques de piano. En variante, ce clavier numérique peut être simulé par l'interface homme-machine virtuelle du système informatique.
  • Avantageusement, dans une variante de l'invention, lesdits moyens de saisie comprennent des moyens adaptés pour permettre à l'utilisateur de modifier, avant son utilisation par le module de production en temps réel, au moins un coefficient de timbre fn, dn et/ou au moins un paramètre d'excitation an, θ n déterminé par le module de présynthèse. Ainsi, l'utilisateur peut modifier l'un et/ou l'autre de ces coefficients ou paramètres selon des lois simples.
  • L'invention s'étend à un support d'enregistrement - notamment du type amovible (CD-ROM, DVD, clé USB, disque dur électronique externe...)- adapté pour pouvoir être lu dans un lecteur d'un dispositif informatique, et comprenant un programme d'ordinateur enregistré adapté pour pouvoir être chargé en mémoire vive dudit dispositif informatique lorsque ce support d'enregistrement est chargé dans ledit lecteur, caractérisé en ce que ce programme ordinateur est adapté pour que, lorsqu'il est chargé en mémoire vive de ce dispositif informatique, ce dernier constitue un dispositif de production par voie numérique de signaux représentatifs de sons confonne à l'invention.
  • L'invention concerne également un dispositif et un support d'enregistrement caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
  • D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
    • la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif selon un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention,
    • la figure 2 représente une interface graphique d'un logiciel, dit logiciel de synthèse de sons de piano, s'exécutant au sein d'un microordinateur du dispositif de la figure 1,
    • la figure 3 est un graphique illustrant une fonction de pondération,
    • la figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif selon un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention,
    • la figure 5 représente un schéma algorithmique selon lequel un module de présynthèse, s'exécute au sein du microordinateur de la figure 1,
    • la figure 6 représente un schéma algorithmique selon lequel un module de production en temps réel de sons, s'exécute au sein du microordinateur de la figure 1,
    • la figure 7 illustre une mise en oeuvre de la méthode des éléments finis pouvant être utilisée dans un module de présynthèse selon l'invention,
    • la figure 8 illustre une mise en oeuvre d'une méthode d'approximation pouvant être utilisée dans un module de présynthèse selon l'invention.
  • Dans un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, un logiciel de synthèse de sons de piano est enregistré sous la forme d'un ou plusieurs fichiers dans une mémoire 1 de masse d'un système informatique tel qu'un microordinateur 2 de type ordinateur personnel, dit PC. La mémoire de masse est adaptée pour pouvoir transmettre, à travers un bus 3 de données, les données exécutables correspondant à ces fichiers de sauvegarde vers une unité 4 de traitement comprenant au moins un processeur 5 et une mémoire 6 vive associée. Une telle transmission des données vers l'unité 4 de traitement peut être effectuée de manière traditionnelle en faisant appel à des fonctions systèmes d'un système d'exploitation 7 chargé en mémoire vive et s'exécutant au moyen de l'unité 4 de traitement du microordinateur 2.
  • Selon le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, le système 7 d'exploitation comporte des pilotes logiciels adaptés pour permettre l'utilisation de périphériques dont est équipé le microordinateur 2. Ces périphériques comprennent notamment une carte 8 graphique et son moniteur 9 associé, un clavier 10 alphanumérique, une souris 11, une interface 12 MIDI, la mémoire 1 de masse et une carte 13 audio. Ce microordinateur 2 comporte en outre des ports et contrôleurs d'entrée/sortie de données, bus et interfaces permettant la communication entre les périphériques précités et l'unité 4 de traitement.
  • Selon le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif comporte en outre un amplificateur 14 audio auquel est raccordé la carte 13 audio du microordinateur 2 par l'intermédiaire d'un câble 15 de transmission d'un signal audio. Cet amplificateur est lui-même raccordé à au moins un haut-parleur 16 auquel il transmet un signal audio amplifié en vue de traduire ce signal sous la forme de sons audibles.
  • Selon le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif comporte en outre un clavier, dit clavier 17 MIDI, comportant un port, dit interface MIDI OUT, de branchement en vue de la transmission de messages, dits messages MIDI, conformes au standard dénommé Interface Numérique d'Instrument de Musique (MIDI). Ces messages MIDI sont représentatifs d'événements, détectés par le clavier 17, produits suite à des actions de l'utilisateur sur des touches 23 ou au moyen de boutons 33 de commandes du clavier 17 MIDI. En particulier des messages MIDI, dits messages MIDI de performance musicale, se rapportant au jeu de l'instrumentiste (déclenchement d'une note, vitesse d'enfoncement de la touche correspondante, relâchement d'une note, actionnement d'une pédale etc.) sont notamment détectées lors d'actions de l'instrumentiste sur des touches 23 du clavier.
  • L'interface MIDI OUT est raccordée au moyen d'un câble adapté, dit câble MIDI, à un port d'entrée, dit MIDI IN, de l'interface 12 MIDI du microordinateur. Ainsi, les messages MIDI produits par le clavier peuvent être transmis jusqu'à l'unité 4 de traitement.
  • Le logiciel de synthèse de sons de piano est adapté pour interpréter tout message MIDI de performance musicale reçu et produire des signaux audio sous un format numérique. Les signaux produits sont transmis en direction de la carte audio, de l'amplificateur et d'au moins un haut-parleur (ou casque d'écoute) associé en vue d'une production en temps réel de sons de piano audibles.
  • Dans cet exemple de mise en oeuvre de l'invention, les messages MIDI de performance musicale générés et transmis par le clavier MIDI vers l'unité de traitement forment des signaux déclencheurs se rapportant au jeu d'un instrumentiste et qui permettent, grâce au dispositif selon l'invention, de produire des signaux audio représentatifs de sons correspondants à ce jeu. Bien entendu, ces messages de performance musicale représentatifs d'un jeu d'un instrumentiste peuvent se présenter sous tout autre format que le standard MIDI. En pratique, les signaux déclencheurs doivent être représentatifs au moins de la fréquence principale d'une note et de sa durée et, de préférence, également de son intensité (ou vélocité).
  • Les signaux audio sont chacun obtenus en effectuant la somme de signaux, dits partiels, sinusoïdaux exponentiellement amortis et d'un signal de percussion. Chacun des partiels (identifié par l'indice n) est défini par deux coefficients : la fréquence, dite fréquence fn , et le coefficient d'amortissement, dit coefficient dn qui forment les coefficients de timbre selon l'invention. En pratique, chaque note p du piano à simuler est associée, dans le logiciel de synthèse de sons de piano, à un jeu de coefficients de timbre définissant une pluralité de partiels.
  • Chaque note p peut correspondre à une corde ou à plusieurs cordes, dites cordes d'unisson. Il est à noter que pour une note p comportant K cordes d'unisson (K étant un nombre entier supérieur ou égal à 1), il existe K partiels n pour chaque harmonique de la note p. A titre d'exemple, pour une note La dont le fondamental est à 440 Hz et qui est dotée de 3 cordes, il existe 3 modes correspondant à 3 partiels dont les fréquences sont voisines de 440 Hz, 3 modes correspondant à 3 partiels dont les fréquences sont voisines de 880 Hz, etc.
  • Il est à noter que, le terme harmonique doit s'interpréter comme désignant le mode de vibration du système formé par le couplage de la table d'harmonie et des cordes de la note p correspondante. A cet égard, compte tenu de l'inharmonicité, ce terme désigne des modes de vibration dont la fréquence n'est pas nécessairement un multiple entier de celle du mode fondamental.
  • Dans le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, le signal audio correspondant à une note p de piano jouée est produit en fonction des coefficients de timbre et selon des paramètres de déclenchement de la note p (intensité de frappe de la corde notamment) tels que déterminés selon un message MIDI de performance musicale. Le signal audio produit peut être représenté selon la formule (1) suivante valable pour un ou plusieurs canaux audio : s p t = ∑ n a n p exp - d n p ⁢ t ⁢ sin 2 ⁢ π ⁢ f n p ⁢ t + θ n p + b p t
    Figure imgb0001
    où :
    • t représente le temps,
    • p est un signal déclencheur identifiant la note p, et comprenant au moins la hauteur de cette note p, et éventuellement la vélocité et/ou la durée de la note p,
    • s(p,t) représente le signal audio produit,
    • dn(p) représente le coefficient d'amortissement d'un partiel n correspondant à la note p,
    • fn(p) représente la fréquence de chaque partiel n correspondant à la note p,
    • an(p) représente l'amplitude initiale du partiel n de la note p directement après l'impact du marteau sur les cordes de la note p,
    • θn(p) représente le déphasage du partiel n de la note p,
    • b(p,t) représente la partie percussive du son (impact du marteau sur les cordes, la structure) et tout autre composante du son de piano non (ou mal) modélisable par une décomposition en somme de sinus.
  • La grandeur s peut être une grandeur vectorielle, chaque composante correspondant à un canal de sortie audio. De ce fait, les grandeurs an , θ n et bn sont également vectorielles. A chaque composante de s, on lui associe la composante correspondante de an, θ n et bn.
  • Dans une telle représentation, le résonateur correspond aux coefficients dn (p) et fn(p) et l'excitateur correspond aux coefficients an (p) et θ n (p), Le résonateur est l'opérateur associé au modèle, ses valeurs propres déterminant dn (p) et fn (p) . L'excitateur est le second membre du système mécanique associé, les coefficients de la solution de ce système dans la base de modes propres déterminant an(p) et θ n(p) .
  • La formule (1) précitée peut être traduite sous la forme équivalente suivante : s p t = reel ⁢ ∑ n a n p exp 2 ⁢ πif n p ⁢ t - d n p ⁢ t + b p t
    Figure imgb0002
    où α n p = - i ⁢ a n p ⁢ exp i ⁢ θ n p
    Figure imgb0003
  • Le logiciel de synthèse de sons de piano est adapté pour déterminer les valeurs des coefficients de timbre pour l'ensemble des notes du piano selon des paramètres physiques représentatifs de propriétés physiques quantifiables mesurables de l'instrument, ayant une influence sur le timbre des sons produits par un instrument réel correspondant, mais ne permettant pas d'évaluer le comportement acoustique ou le son fourni sans résolution d'équations.
  • Les paramètres physiques comprennent avantageusement des paramètres de la table d'harmonie, et en particulier des paramètres, dits paramètres d'impédance, chacun représentatif de l'impédance Znp que présente la table d'harmonie de piano pour un partiel n d'une note p de piano.
  • En outre, les paramètres physiques comprennent avantageusement des paramètres de corde(s), et en particulier des paramètres, dits paramètres d'accordage, chacun représentatif d'un écart d'accordage ε p entre une pluralité de cordes de piano couplées correspondant à la note p.
  • Le dispositif selon l'invention est adapté pour permettre une saisie, par l'utilisateur (c'est-à-dire par l'instrumentiste) des paramètres physiques, de sorte qu'il en résulte une modification des valeurs dn (p) et fn(p) (notés dnp et fnp dans les figures 7 et 8) des coefficients de timbre et, par voie de conséquence, une modification du timbre des sons produits. Bien sûr, la modification du timbre des sons produits doit correspondre à la modification des paramètres physiques saisis par l'utilisateur.
  • En pratique, le logiciel de synthèse de sons de piano comprend un module, dit module 19 de présynthèse, apte à déterminer les valeurs à affecter aux coefficients de timbre en fonction des paramètres physiques selon une fonction, dite fonction d'interpolation. Dans le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, la fonction d'interpolation permet de déterminer les valeurs d'une pluralité d'éléments modaux, à partir de valeurs saisies des paramètres physiques. Dans cet exemple, les éléments modaux comprennent les coefficients de timbre et des déplacements modaux, représentatifs des modes propres, dits modes u np , du système couplé de la table d'harmonie et des cordes. Chacun de ces modes unp correspondant à un partiel n de la note p. Cette fonction d'interpolation est construite préalablement à la réalisation du dispositif selon l'invention de cet exemple au moyen d'un calculateur à partir d'une constellation de points chacun associant un jeu de valeurs Z np , εp, des paramètres physiques avec un jeu de valeurs, fnp, dnp, unp des éléments modaux. Pour ce faire, ledit calculateur génère des coefficients numériques définissant cette fonction d'interpolation.
  • Pour la construction de la fonction d'interpolation, on peut utiliser des fonctions polynomiales à plusieurs variables, des fonctions de base radiales,... La construction de la constellation de points est basée sur des techniques connues en elles-mêmes telles que les hypercubes latins, le remplissage de l'espace (de l'anglais « space filling ») ou la technique de grilles éparses (de l'anglais « sparse grid »). Une fonction de régression linéaire peut aussi être considérée. Dans une variante préférentielle, les dérivées successives des éléments modaux par rapport auxdits paramètres physiques sont calculées pour la construction d'un polynôme de Taylor ou d'un approximant de Padé à plusieurs variables. La constellation de points est alors remplacée par une constellation de directions de dérivation.
  • Dans le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, les valeurs des éléments modaux de chaque point sont déterminées, préalablement à l'exécution de la méthode d'approximation, selon une modélisation mécanique du piano, à partir des paramètres physiques de ce dernier, et notamment des valeurs saisies par l'utilisateur. Cette modélisation mécanique est mise en oeuvre selon une méthode d'analyse numérique. La méthode d'analyse numérique peut être exécutée par un calculateur (non représenté sur les figures).
  • A titre d'exemple, une méthode des éléments finis peut être mise en oeuvre pour modéliser la table d'harmonie et les cordes d'un piano en vue de déterminer le comportement dynamique du système formé par la table d'harmonie et les cordes de façon à déterminer ses fréquences de résonance complexes (fnp +idnp /2π) ainsi que les dits modes propres unp du système couplé de la table d'harmonie et des cordes. A cet égard, la publication PH. GUILLAUME, Nonlinear eigenproblems, SIAM J. Matrix Anal. Appl. Vol 20 No 3 (1999), 575-595, décrit un procédé de calcul des valeurs propres complexes d'un système aux valeurs propres non linéaire, qui peut être utilisé dans la présente invention.
  • Des matrices de masse, de rigidité et d'amortissement nécessaires à la mise en oeuvre de la méthode des éléments finis sont établies selon un modèle de piano à simuler.
  • En particulier ces matrices sont déterminées en fonction de valeurs de paramètres, dits paramètres de modélisation de piano, de ce modèle de piano à simuler.
  • Selon le modèle de piano du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, chaque note p correspond à une ou plusieurs cordes d'unisson sur lesquelles percute un marteau correspondant à cette note. Conformément aux règles de l'art en matière de facture de pianos modernes, quelques notes graves du piano à simuler peuvent comprendre une ou deux cordes d'unisson tandis que les autres notes peuvent comprendre trois cordes d'unisson.
  • Dans le premier exemple, les paramètres de modélisation de piano comprennent le paramètre d'écart d'accordage ε p entre les cordes d'unisson de la note p. En pratique ce paramètre peut correspondre à un facteur de pondération, dit facteur d'accordage, représentatif d'un écart d'accordage entre plusieurs cordes de la note. A titre d'exemple illustratif, dans le cas où trois cordes sont associées à la note, les tensions de ces cordes peuvent être déterminées selon les formules (3) et (4) suivantes : T 2 = ε p ⁢ T 1
    Figure imgb0004
     T 3 = 2 - ε p ⁢ T 1
    Figure imgb0005
    où :
    • ε p représente la valeur du facteur d'accordage, cette valeur étant un nombre réel positif inférieur à l'unité,
    • T 1 est représentatif de la tension d'une première corde dont l'accordage est tel que le mode de vibration fondamental de cette corde correspond à la fréquence fondamentale de la note p correspondante, tel que déterminé selon un tempérament prédéterminé du piano à simuler,
    • T 2 est représentatif de la tension d'une deuxième corde dont l'accordage est tel que le mode de vibration fondamental de cette corde est de fréquence supérieure à la fréquence fondamentale de la note p correspondante,
    • T 3 est représentatif de la tension d'une troisième corde dont l'accordage est tel que le mode de vibration fondamental de cette corde est de fréquence inférieure à la fréquence fondamentale de la note p correspondante.
  • En outre, les paramètres de modélisation de piano du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention comprennent au moins un paramètre de modélisation de la table d'harmonie. En particulier, un facteur de pondération des valeurs du tenseur de Hooke de la table d'harmonie peut constituer un paramètre de modélisation de la table d'harmonie.
  • Dans le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, les matrices de masse, de rigidité et d'amortissement sont établies selon les dimensions et la structure des cordes et de la table d'harmonie, ainsi que du tenseur de Hooke de ces éléments du piano tel que déterminé selon le modèle du piano à simuler et les valeurs des paramètres de modélisation de piano.
  • La méthode des éléments finis est mise en oeuvre pour déterminer, pour chaque note p du piano à simuler, une valeur d'impédance Znp de la table d'harmonie pour chaque partiel n de la note p. Ces valeurs Znp d'impédance de table d'harmonie sont représentatives de propriétés physiques de la table d'harmonie.
  • Le modèle de piano du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention est un modèle proche de la réalité.
  • En particulier, chaque corde du piano peut être modélisée en tant que poutre élastique. L'inventeur a pu constater que l'utilisation d'un tel modèle permet de traduire l'effet d'inharmonicité se produisant en raison de la rigidité non négligeable de la corde en flexion, ainsi que l'effet quadratique dû à l'interaction avec le chevalet. Ce dernier effet sonore est d'autant plus perceptible que l'amplitude de vibration de la corde est importante, donc que les notes sont jouées fortement.
  • En outre, dans la modélisation utilisée dans le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, chaque corde est considérée comme étant encastrée au niveau de la pointe d'accroche et du sillet. Cette pointe d'accroche et le sillet peuvent être considérées comme totalement immobiles de sorte que la position de la corde au niveau du sillet et la position de la corde au niveau de la pointe d'accroche forment, dans le modèle du premier exemple, des conditions aux limites de la corde. Par ailleurs, chaque corde est considérée comme étant rigidement reliée avec le chevalet de la table d'harmonie par l'intermédiaire des pointes de chevalet conformes aux règles de l'art en matière de facture de piano.
  • Ainsi, cette modélisation tient compte du couplage des cordes du piano et de la table d'harmonie. Ce couplage est procuré dans les pianos de facture traditionnelle au niveau du chevalet en raison d'un forçage de la position de chaque corde en cet endroit. Le modèle permet de tenir compte de l'influence mutuelle des cordes du piano, notamment le phénomène de résonance par sympathie entre les notes et l'influence mutuelle des cordes d'unisson d'une même note. L'inventeur a pu constater que la prise en compte, dans la modélisation, de ce couplage des cordes et de la table d'harmonie ainsi que des écarts d'accordage entre les cordes d'unisson des notes permet d'obtenir un dispositif produisant des sons de piano réalistes.
  • Un modèle de coque peut être employé pour représenter par éléments finis la table d'harmonie, y compris le sillet et le chevalet de cette table d'harmonie. Un modèle laminaire de rang 1 peut en outre être utilisé pour tenir compte de l'orientation de la fibre de la table d'harmonie avec des renforts dans la direction orthogonale.
  • La table d'harmonie peut également être modélisée par un matériau isotrope avec un ajout de renforts dans la direction de la fibre et dans la direction orthogonale. Enfin, on peut utiliser un modèle en trois dimensions, dit modèle 3D, isotrope ou non.
  • La méthode des éléments finis est mise en oeuvre à plusieurs reprises en faisant varier, après chaque étape d'analyse (itération), la valeur d'au moins un paramètre de modélisation de piano de façon à modifier les propriétés physiques du piano. Les matrices de la méthode des éléments finis sont redéfinies en conséquence après chacune des étapes d'analyse. Une pluralité de points représentatifs de différentes configurations mécaniques de piano (telles que définies par les valeurs Znp , ε p , des paramètres physiques) et du comportement acoustique correspondant (tel que défini par les valeurs fnp, dnp, des coefficients de timbre obtenues à partir des valeurs Znp, εp, des paramètres physiques) sont ainsi déterminés.
  • La méthode des éléments finis est répétée un grand nombre de fois. Il s'agit de fournir un nombre de points distincts permettant de définir la fonction d'interpolation avec suffisamment de précision de sorte qu'elle permette d'obtenir, à partir d'un jeu de valeurs Z np , ε p , des paramètres physiques, qui correspondent aux valeurs pouvant être saisies par l'utilisateur, des valeurs fnp, dnp, unp des éléments modaux représentatifs de la configuration mécanique correspondant à ces valeurs des paramètres physiques. L'ensemble de ces valeurs associées est déterminé par calculs préalables et ses valeurs et leurs correspondances sont utilisées par un processus d'interpolation du module de présynthèse.
  • La figure 7 illustre une mise en oeuvre de la méthode des éléments finis pouvant être utilisée pour réaliser un module de présynthèse selon l'invention. Dans cette figure un procédé mettant en oeuvre la méthode est représentée par un bloc schématique 300 recevant en entrée les valeurs ρ1,···,ρ a ,···,ρ A ,ε1,···,ε p ,···,ε P des paramètres de modélisation de piano et produisant, pour chaque partiel n de chaque note p, les valeurs unp, fnp, dnp, correspondantes des éléments modaux ainsi que les valeurs Z np correspondantes des paramètres d'impédance. Dans la figure 7 :
    • ρ a représente un paramètre de modélisation de la table d'harmonie identifié par l'indice a, par exemple le facteur de pondération des valeurs du tenseur de Hooke de la table d'harmonie,
    • A représente le nombre de paramètres de modélisation de la table d'harmonie,
    • ε p représente l'écart d'accordage d'une note p de la table d'harmonie,
    • P représente le nombre de notes du piano à simuler,
    • N représente le nombre de partiels par note,
    • Znp représente le paramètre d'impédance correspondant au partiel n de la note p,
    • u np représente le mode propre du partiel n de la note p.
  • Le processus défini par la figure 7 est exécuté sur un calculateur de grande puissance qui n'est pas représenté. Ces calculs sont effectués au préalable et non en temps réel, leurs résultats sont enregistrés dans une mémoire de masse accessible au module de production des sons, de telle sorte que ce module de production des sons peut générer des sons d'instruments à cordes et à clavier en temps réel.
  • La figure 8 illustre la mise en oeuvre d'une méthode d'approximation pouvant être utilisée pour réaliser un module de présynthèse selon l'invention. Dans cette figure un procédé mettant en oeuvre la méthode d'approximation est représenté par un bloc schématique 400 recevant en entrée les valeurs Z 111,···,Znpj ,···,ZNPJ, ε11, ···,ε pj ,···,ε PJ des paramètres physiques et produisant une fonction permettant de déterminer les valeurs correspondantes unp, fnp, dnp, des éléments modaux correspondant à chaque partiel n de chaque note p. Dans la figure 8 :
    • j est un indice identifiant un point obtenu lors d'une étape d'analyse correspondante de la méthode des éléments finis,
    • J représente le nombre de points obtenus au moyen de la méthode des éléments finis,
    • P représente le nombre de notes du piano à simuler.
  • En pratique, la fonction d'interpolation peut être déterminée au moyen d'une technique de kriegage, de réseaux neuronaux, d'une machine à support vectoriel, dite SVM, d'une fonction de masse radiale, dite RBF, ou de toute interpolation adaptée.
  • En alternative, la technique des dérivées successives peut être mise en oeuvre (cf. PH. GUILLAUME, M. MASMOUDI, Solution to the time-harmonic Maxwell's equations in a waveguide, use of higher order derivatives for solving the discrete problem, SIAM Journal on Numerical Analysis, 34-4 (1997), 1306-1330 - PH. GUILLAUME, Nonlinear eigenproblems, SIAM J. Matrix Anal. Appl. Vol 20 No 3 (1999), 575-595 - J. D. BELEY, C. BROUDISCOU, PH. GUILLAUME, M. MASMOUDI, F. THEVENON, Application de la Méthode des Dérivées d'Ordre Elevé à l'Optimisation des Structures, REVUE EUROPEENNE DES ELEMENTS FINIS, 5 (1996), 537-567 - M. MASMOUDI and PH. GUILLAUME, Sensitivity Computation and Automatic Differentiation, Control and Cybernetics, 25 (1996) No 5, 831-866 - M. MASMOUDI, PH. GUILLAUME and C. BROUDISCOU, Automatic differentiation and shape optimization, J. Herskovitz(ed.), Advances in Structural Optimization, 413-446, Kluwer Academic Publishers, Printed in the Netherlands, 1995 - PH. GUILLAUME, M. MASMOUDI, Computation of high order derivatives in optimal shape design, Numerishe Mathematik, Vol. 67 No 2 (1994), 231-250, 1994 - PH. GUILLAUME, M. MASMOUDI, Calcul numérique des dérivées d'ordre supérieur en conception optimale de formes, C.R. Acad. Sci. Paris, t.316 Série I (1993), 1091-1096 - PH. GUILLAUME, M. MASMOUDI, Dérivées d'ordre supérieur en optimisation de domaines, C.R. Acad. Sci. Paris, t.315, Série I (1992), 859-862 - C. BROUDISCOU, M. MASMOUDI and PH. GUILLAUME, Application of automatic differentiation to Optimal Shape Design, J. Herskovitz(ed.), Advances in Structural Optimization, 413-446, Kluwer Academic Publishers, Printed in the Netherlands, 1995). Conformément à cette méthode, un calcul des dérivées successives des coefficients de timbre par rapport aux paramètres physiques peut être réalisé pour une modélisation du piano selon les éléments finis en vue de construire un polynôme de Taylor ou un approximant de Padé. Un tel polynôme ou un tel approximant forme une fonction d'interpolation selon l'invention.
  • En alternative, la méthode de Padé généralisée à plusieurs variables peut être utilisée en tant que méthode d'approximation (cf. PH. GUILLAUME, Nested Multivariate Padé Approximants, Journal of Computational and Applied Mathematics, 82 (1997), 149-158 - PH. GUILLAUME, A. HUARD, V. ROBIN, Generalized Multivariate Padé Approximants, J. Approx. Theory, Vol. 95, No. 2 (1998), 203-214 - PH. GUILLAUME, Convergence of the Nested Multivariate Padé Approximants, J. Approx. Theory, Vol. 94, No. 3 (1998), 455-466 - PH. GUILLAUME, A. HUARD, Multivariate Padé approximation, Journal of Computational and Applied Mathematics 121 (2000), 197-219).
  • En outre, les points à partir desquels est mise en oeuvre la méthode d'approximation peuvent être déterminés par toute autre méthode que la méthode des éléments finis. En particulier, toute méthode permettant de déterminer le comportement dynamique, les modes unp et les fréquences de résonance complexes, peut être utilisée. A titre d'exemple, les points peuvent être déterminées en procédant selon des méthodes spectrales ou utilisant le principe des différences finies. En outre, des circuits équivalents, des treillis de poutre ou de barres équivalents, un calcul analytique ou spectral, peuvent être employés.
  • Dans un dispositif selon l'invention, une saisie de paramètres physiques peut être réalisée par l'utilisateur par tout moyen.
  • Dans le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, une telle saisie peut être réalisée directement par l'utilisateur à partir de dispositifs d'interface homme machine dont est équipé le microordinateur, notamment l'écran 9 et la souris 11. En pratique, le logiciel de synthèse de sons de piano du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention peut définir une interface graphique s'affichant sur le moniteur 9 lors de l'exécution du logiciel de synthèse de sons de piano. Cette interface comporte une pluralité d'éléments graphiques représentant des boutons 30, 31, 32, 34, montés sur glissières, identifiés à l'attention de l'utilisateur par des éléments 25 textuels.
  • Dans le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, le logiciel de synthèse de sons de piano comprend des fichiers de sauvegarde définissant, pour chaque note p du piano, des valeurs par défaut pour les paramètres d'accordage. La position d'un bouton 34 de l'interface graphique du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention permet de déterminer la valeur d'un facteur de pondération. Le logiciel de synthèse de sons de piano est adapté pour multiplier ce facteur de pondération avec chacune des valeurs par défaut des paramètres d'accordage. Les valeurs issues de cette multiplication correspondent à des valeurs ε p saisies des paramètres d'accordage en vue de la détermination des valeurs unp, dnp, fnp, des éléments modaux au moyen de la fonction d'interpolation.
  • Dans le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, la saisie des valeurs d'impédance Z np des paramètres mécaniques est réalisée pour chaque note p selon une fonction, dite fonction de pondération. Cette fonction de pondération définit un facteur de pondération pour chaque valeur d'impédance d'une pluralité de valeurs d'impédances par défaut correspondant chacune à un partiel n de cette note p. La position de boutons 30, 31, 32 de l'interface graphique du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention permet à l'utilisateur de modifier les fonctions de pondération de sorte que les valeurs d'impédances obtenues par pondération, selon ces fonctions, des valeurs d'impédance par défaut correspondent à des valeurs Z np saisies des paramètres d'impédance. Ces valeurs Znp saisies sont employées pour déterminer les valeurs unp, dnp, fnp, des éléments modaux au moyen de la fonction d'interpolation.
  • En pratique, les valeurs d'impédances par défaut peuvent être lues par le logiciel de synthèse de sons de piano dans des fichiers de sauvegarde. Ces valeurs d'impédance par défaut peuvent être les valeurs Znpj déterminées lors d'une analyse numéro j par la méthode des éléments finis. En outre, le logiciel de synthèse de sons de piano du premier exemple peut comprendre des fichiers de sauvegarde définissant, pour chaque note p du piano, des valeurs par défaut de paramètres de la fonction de pondération correspondante. Chaque fonction de pondération définit une valeur du facteur de pondération σ p (h) pour chaque harmonique de la note p en fonction du rang h de l'harmonique. Le facteur de pondération σ p (h) ainsi défini pour chaque harmonique est employé pour pondérer les modules des valeurs d'impédances par défaut des K partiels de la note p correspondant à cet harmonique.
  • Chaque fonction de pondération peut être une fonction affine continue composée de deux parties. La figure 3 illustre une telle fonction ayant le facteur de pondération σp(h) en ordonnée et le rang h des harmoniques en abscisse. Une première partie 42 constante définit, un facteur de pondération constant pour les harmoniques de rang faible. Une deuxième partie 43 définit un facteur de pondération décroissant avec le rang h des harmoniques de rang élevé.
  • Chaque fonction de pondération peut être définie au moyen de trois paramètres de fonction de pondération. Un premier paramètre, dit constante 40 de pondération, détermine la valeur du facteur de pondération pour les harmoniques de rang faible. Un deuxième paramètre, dit indice 41 de coupure, détermine le rang à partir duquel la fonction de pondération devient décroissante. Cet indice correspond au rang maximum des harmoniques de rang faible. Un troisième paramètres, dit facteur de qualité, détermine la pente de la deuxième partie 43 de la fonction affine.
  • Trois boutons 30, 31, 32 de l'interface graphique forment des moyens de saisie des paramètres des fonctions de pondération de toutes les notes. En pratique, la position de chaque bouton par rapport à sa glissière peut être représentative d'un facteur de pondération à appliquer aux valeurs par défaut de paramètres des fonctions de pondération. Ainsi chacun des trois boutons 30, 31, 32 permet de modifier, de manière uniforme ou non, les paramètres des fonctions de pondération de l'ensemble des notes du piano : le premier bouton 30 permet de modifier les constantes 40 de pondération de ces fonctions, le deuxième bouton 31 permet de modifier les indices 41 de coupure de ces fonctions et le troisième bouton 32 permet de modifier les facteurs de qualité de ces fonctions.
  • Les boutons 30, 31, 32 et 34 de l'interface graphique ainsi que les périphériques permettant leur manipulation (notamment la souris 11, le clavier 10 et l'écran 9) forment des moyens de saisie de paramètres physiques selon l'invention.
  • Le logiciel de synthèse de sons de piano permet ainsi à l'utilisateur d'effectuer des modifications des propriétés physiques du piano affectant de manière uniforme ou non une pluralité des notes du piano en agissant sur un nombre réduit de moyens de saisie, tels que les boutons 30, 31, 32 et 34 de l'interface graphique.
  • Rien n'empêche de doter le logiciel de synthèse de sons de piano de moyens de saisie (tels que les boutons 30, 31, 32 et 34 précités) des paramètres de table d'harmonie et des paramètres de cordes pour chaque note p du piano en vue de permettre à l'utilisateur de définir avec plus de précision les propriétés physiques du piano.
  • En outre, rien n'empêche de définir chaque fonction de pondération selon un plus grand nombre de paramètres de fonction de pondération en vue de permettre à l'utilisateur de définir avec plus de précision les propriétés physiques de la table d'harmonie en fonction des rangs des harmoniques de chaque note.
  • En outre, les fonctions de pondération des notes du piano peuvent être déterminées par tout autre moyen de contrôle que les boutons 30, 31, 32. A titre d'exemple, l'interface graphique peut comporter une représentation graphique de chaque fonction de pondération sous la forme d'une courbe continue s'étendant dans un plan doté d'une abscisse correspondant au rang h des harmoniques et d'une ordonnée correspondant au facteur σ p (h) de pondération. En pratique, cette courbe peut être de type spline cubique et l'interface graphique peut comporter des éléments graphiques, dits poignées, correspondant chacun à un point de contrôle de la spline cubique.
  • En alternative ou en combinaison, des moyens 33 manuels de commande du clavier MIDI peuvent être employés pour générer des messages MIDI correspondant à des modifications à apporter aux paramètres physiques, le logiciel de synthèse de sons de piano étant alors adapté pour interpréter de tels messages MIDI et réaliser une saisie correspondante des paramètres physiques. Dans ce cas, les boutons 33 de commande du clavier 17, l'interface 12 MIDI et un module logiciel (non représenté) d'interprétation des messages MIDI correspondant à des commandes de saisie des paramètres physiques, forment des moyens de saisie du dispositif selon l'invention.
  • En outre, en variante rien n'empêche d'effectuer automatiquement une séquence de modifications des propriétés physiques au moyen par exemple d'un logiciel séquenceur MIDI (non représenté), s'exécutant au sein du microordinateur 2 et adapté pour transmettre au logiciel de synthèse de sons de piano des messages MIDI correspondants préalablement enregistrés dans un fichier de sauvegarde. Il est à noter que rien n'empêche par ailleurs de transmettre, au moyen d'un tel logiciel séquenceur MIDI, une séquence de messages MIDI de performance musicale préalablement enregistrés dans un fichier de sauvegarde. Les messages MIDI de performance musicale ainsi transmis forment des signaux déclencheurs selon l'invention.
  • Le logiciel de synthèse de sons de piano peut être programmé pour créer, suite à son chargement en mémoire, des processus s'exécutant au sein de l'unité 4 de traitement avec d'autres processus, notamment des processus systèmes, selon un ordonnancement dont la gestion est assurée par le système 7 d'exploitation.
  • Le module 19 de présynthèse exécute un premier processus, dit processus de présynthèse, qui est adapté pour fournir les valeurs fnp, dnp, des coefficients de timbre correspondant à des valeurs ε p , Z np , de paramètres physiques saisis. Ce processus de présynthèse ne s'exécute pas en temps réel, mais au contraire comme une tâche de fond.
  • La figure 5 représente un schéma algorithmique selon lequel le processus de présynthèse s'exécute. Suite à sa création par le module 19 de présynthèse du logiciel de synthèse de sons de piano, le processus de présynthèse est programmé pour effectuer une étape d'initialisation 101 dans laquelle ce processus lit les fichiers de sauvegarde les valeurs par défaut des paramètres d'accordage, les valeurs d'impédances par défaut et les valeurs par défaut des paramètres des fonctions de pondération.
  • Dans une étape 103 subséquente à l'étape 101, le processus de présynthèse détermine, tel que précédemment décrit, les valeurs fnp, dnp, unp, des éléments modaux à partir des valeurs ε p , Znp , saisies des paramètres physiques, puis enregistre ces valeurs fnp , dnp, unp, à l'attention du processus temps réel de production des sons. En pratique, ces données peuvent être enregistrées dans un fichier de transfert de données accessible au processus temps réel de production des sons de façon à permettre une récupération de ces données par ce dernier processus.
  • Il est à noter que la fonction d'interpolation permet de déterminer, avec une faible charge de calcul, les valeurs fnp, dnp, unp, des éléments modaux correspondant au jeu de valeurs des paramètres physiques.
  • En outre, dans l'étape 103, le processus de présynthèse traite, pour chaque note p du piano, une pluralité de signaux, dits signaux excitateurs Epl (t), chacun représentatif de l'excitation des cordes de la note p selon une intensité de frappe I de cette note. En pratique, ces signaux excitateurs peuvent être mesurés directement sur un piano de facture traditionnelle en utilisant un dispositif mécanique automatique et réglable d'enfoncement des notes du piano, ces signaux excitateurs étant enregistrés dans des fichiers de sauvegardes. Il est à noter à cet égard que ces signaux excitateurs ne sont jamais utilisés dans un dispositif selon l'invention en tant que signal audio.
  • A partir de chacun de ces signaux excitateurs Ep1 (t), le processus de présynthèse détermine les valeurs de paramètres, dits paramètres d'excitation, représentatifs de l'amplitude initiale an (p) et du déphasage θ n (p) de chaque partiel n des notes p. En pratique, le processus de présynthèse traite chaque signal excitateur Epl (t) selon les modes propres unp de la note p correspondante, conformément à la méthode modale. En un point x donné de la table d'harmonie, le déplacement u(x,t) se décompose sous la forme suivante : u x t = Re ⁢ ∑ n α n exp 2 ⁢ iπ ⁢ f n + i ⁢ d n ⁢ t
    Figure imgb0006
    où les α n sont fournis par les formules (1), (2) et (3) de l'analyse modale mentionnées ci-dessus.
  • Chaque j eu de valeurs des paramètres d'excitation αn(p) et θ n (p) ainsi obtenu pour chaque note p est enregistré à l'attention du processus de production dans un tableau selon lequel les jeux de valeurs sont classés en fonction de l'intensité de frappe I du signal excitateur Epl(t).
  • En variante, les paramètres d'excitation peuvent être obtenus de toute autre façon, par exemple à partir d'un modèle physique représentatif de l'interaction corde-marteau.
  • Dans une étape 104, subséquente à l'étape 103, le processus de présynthèse se place en attente de la réception d'un signal selon lequel au moins un paramètre physique a été saisi. Un tel signal peut être transmis au module de présynthèse suite à tout déplacement d'un des boutons 30, 31, 32, 34, de l'interface graphique. Suite à la réception d'un tel signal de commande, le processus de présynthèse exécute de nouveau l'étape 103 et les étapes subséquentes.
  • Dans l'exemple, le module de présynthèse détermine ainsi de nouvelles valeurs de coefficients de timbre et de paramètres d'excitation à chaque modification d'un paramètre physique, telle que déterminée par une saisie de l'utilisateur à l'aide des moyens de saisie (souris, clavier, interface graphique...) ou par un logiciel transmettant des signaux correspondants (séquenceur MIDI par exemple) à un module logiciel (non représenté) de production de sons de piano, adapté pour interpréter les signaux et effectuer une saisie correspondante des paramètres physiques.
  • De préférence, suite à chaque enregistrement des valeurs des coefficients de timbre effectué à l'étape 103, et avant de se placer en position d'attente selon l'étape 104, le module de présynthèse est adapté pour transmettre une interruption au module de production de sons pour lui signifier que des nouvelles valeurs de coefficients de timbre et de paramètres d'excitation sont disponibles.
  • Le processus de présynthèse s'exécute de préférence continuellement jusqu'à ce que le logiciel de synthèse de sons de piano lui signale de se terminer.
  • Le logiciel de synthèse de sons de piano comprend en outre un module 20 de production en temps réel par voie numérique de signaux audio représentatifs des sons. Ce module 20 temps réel de production de sons crée, en mémoire vive, au moins un processus temps réel de production des sons tel que mentionné ci-dessus, adapté pour pouvoir lire les valeurs des coefficients de timbre et des paramètres d'excitation produits par le processus de présynthèse et produire des signaux audio numériques en fonction des signaux déclencheurs (représentatifs du jeu d'un instrumentiste) reçus. Ce processus 20 de production de sons en temps réel génère les signaux audio, par synthèse additive selon les formules (1), (2) et (3) mentionnées ci-dessus, c'est-à-dire en cumulant les partiels à partir des coefficients de timbre et des signaux déclencheurs. Ce calcul temps réel est très simple et ne requiert qu'une très faible puissance de calcul.
  • La figure 6 représente un schéma algorithmique selon lequel le processus temps réel de production des sons s'exécute. Lors d'une étape d'initialisation 201 ayant lieu suite à la création du processus de production par le logiciel de synthèse de sons de piano, le processus temps réel de production des sons récupère les valeurs de coefficients de timbre et des paramètres d'excitation enregistrées à son attention par le processus de présynthèse. A cet égard, il est à noter que le processus temps réel de production des sons peut être adapté pour attendre de recevoir un signal transmis par le processus de présynthèse lui indiquant que de telles données sont effectivement disponibles.
  • Dans l'étape 202 subséquente à l'étape 201, le processus temps réel de production des sons se place en état d'attente de la réception d'un signal déclencheur.
  • Dans l'étape 203 subséquente à l'étape 202, le processus temps réel de production des sons réalise, conformément à la formule précédemment décrite, la synthèse d'un signal s(p,t) représentatif d'un son de piano en fonction des valeurs des coefficients de timbre et des paramètres d'excitation correspondant à une note p à produire et à une intensité de frappe de cette note p telles que déterminées par un signal déclencheur reçu. De préférence, le processus temps réel de production des sons est adapté pour sélectionner les valeurs des paramètres d'excitation correspondant à une intensité I de frappe la plus proche de celle déterminée par le signal déclencheur reçu.
  • Un son percussif b(p,t) est ajouté à la somme des partiels. Un même son préenregistré peut être combiné à chacun des signaux sommés correspondant aux notes produites. De préférence, une pluralité de bruits b(p,t) de percussion sont enregistrés pour différentes notes p. Rien n'empêche en outre d'enregistrer différents bruits de percussion correspondant chacun à différentes forces d'impact du marteau sur les cordes en vue de produire un son percussif pour chaque note p jouée par l'instrumentiste en traduisant de manière plus réaliste les nuances de son jeu.
  • Suite à l'exécution de l'étape 203, le processus temps réel de production des sons exécute à nouveau l'étape 202.
  • Le processus temps réel de production des sons s'exécute de préférence continuellement jusqu'à ce que le logiciel de synthèse de sons de piano lui signale de se terminer.
  • De préférence, plusieurs processus temps réel de production des sons peuvent être créés en vue d'une exécution concurrente de ces processus sur un même processeur ou d'une exécution parallèle de ces processus sur plusieurs processeurs. En particulier, un processus temps réel de production des sons peut être créé pour chaque note p de piano de façon à permettre la production simultanée de plusieurs signaux audio correspondant chacun à une note p de piano. Ces signaux audio peuvent être sommés, par exemple au moyen d'un module matériel de mixage de la carte son, en vue de produire le signal audio transmis vers l'amplificateur.
  • Les ordinateurs personnels exécutent généralement de nombreux processus qui peuvent gêner le déroulement d'un logiciel de synthèse de sons de piano tel que celui du premier exemple de l'invention. Pour pallier à cet inconvénient, le système informatique peut être réalisé sous la forme d'un système dédié, spécialement configuré pour exécuter un logiciel de synthèse de sons de piano tel que celui du premier exemple mise en oeuvre de l'invention. En particulier, un tel système peut être réalisé au moyen d'un microordinateur équipé d'un système d'exploitation bridé de façon à pouvoir exécuter uniquement le logiciel de synthèse de sons de piano. De préférence un tel système peut être configuré pour permettre d'éventuelles mises à jour et le transfert de fichiers de sauvegarde.
  • Selon un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif selon l'invention peut être réalisé sous la forme d'un clavier électronique (figure 4) de touches mécaniques de piano comportant un module (non représenté) de traitement numérique, similaire à l'unité centrale du premier exemple de mise en oeuvre. Ce module peut être adapté pour exécuter un logiciel embarqué similaire au logiciel du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention. En outre, ce clavier peut comporter des boutons 130, 131, 132 de contrôle de paramètres de fonctions de pondération similaires à celles du logiciel du premier exemple de mise en oeuvre. En outre, ce clavier peut comporter un bouton 134 de contrôle de l'écart d'accordage entre les cordes d'unisson des notes de piano.
  • Le dispositif selon l'invention peut être mis en oeuvre au sein d'un système dit silencieux permettant de jouer sur le clavier d'un piano acoustique sans importuner son entourage. Un tel système peut comprendre un mécanisme d'arrêt des marteaux du piano acoustique avant tout impact sur les cordes et des capteurs disposés au niveau du clavier. Dans cet exemple, un boîtier formant un dispositif selon l'invention est adapté pour produire des sons de piano selon des signaux déclencheurs générés par les capteurs. Ces sons de piano peuvent être amplifiés et transmis à un casque d'écoute branché sur le boîtier. Des moyens de saisie d'un tel dispositif peuvent être fournis sous une forme similaire à ceux du deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention.
  • Les dispositifs donnés en exemple permettent de réaliser une saisie manuelle des paramètres physiques au moyen du clavier, de la souris... Rien n'empêche de mettre en oeuvre un dispositif selon l'invention adapté pour permettre à un utilisateur d'effectuer une telle saisie par tout autre moyen adapté, par exemple au moyen d'un système de reconnaissance vocale.
  • Aussi, en alternative, rien n'empêche d'utiliser tout autre moyen qu'une fonction d'interpolation pour calculer les coefficients de timbre directement à partir des paramètres physiques. On peut par exemple utiliser un modèle réduit du système dynamique couplant les cordes et la table d'harmonie de l'instrument à cordes et à clavier.
  • Aussi, en alternative, rien n'empêche d'utiliser toute autre méthode permettant de déterminer les valeurs des paramètres d'excitation an (p) et θ n (p) sans nécessiter le traitement par analyse modale de signaux excitateurs mesurés. On peut par exemple utiliser un modèle réduit non linéaire de l'interaction entre le marteau et les cordes permettant de calculer directement les amplitudes et les phases relatives à chaque partiel pour différentes forces de frappe du marteau. Dans une telle mise en oeuvre, un filtre équaliseur peut simuler l'effet de la table d'harmonie selon les fréquences d'excitation, et la décomposition modale de l'excitation devient alors inutile.
  • Par ailleurs, rien n'empêche d'employer des paramètres physiques autres que ceux du premier exemple de l'invention. Les paramètres physiques selon l'invention peuvent correspondre à toute autre propriété physique mesurable de la table d'harmonie ou des cordes de piano ayant une influence sur le timbre des sons produits par un piano.
  • En particulier les paramètres de table d'harmonie peuvent être représentatifs de propriétés physiques de la table d'harmonie correspondant à des choix de facture d'instrument. Ces paramètres physiques comprennent notamment des paramètres représentatifs de la structure, du comportement sous contraintes, du comportement vibratoire, de la dimension, des matériaux, de l'agencement de la table d'harmonie ainsi que des pièces qui la constituent. A titre d'exemple, la dimension de la table d'harmonie dans le sens de l'épaisseur, de la longueur ou de la largeur peut constituer un paramètre de table d'harmonie selon l'invention. En pratique, un facteur multiplicatif d'une dimension de la table d'harmonie peut constituer un tel paramètre physique. Par ailleurs, des paramètres représentatifs de la forme de certaines parties de la table d'harmonie peuvent constituer des paramètres de table d'harmonie selon l'invention. En pratique, un facteur multiplicatif des rayons de courbures du contour de la table d'harmonie vue de face peut constituer un tel paramètre physique. Aussi, un facteur de pondération des valeurs de la matrice du tenseur de Hooke peut constituer un paramètre de table d'harmonie selon l'invention.
  • En outre, les paramètres de table d'harmonie peuvent être représentatifs de propriétés physiques de la table d'harmonie non liées à des choix de facture. A titre d'exemple, un paramètre de table d'harmonie peut être représentatif d'un taux d'humidité de la table d'harmonie.
  • Rien n'empêche d'employer des paramètres de corde(s) autre(s) que les paramètres d'accordage du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention. En particulier, un paramètre représentatif de la tension d'une corde de piano peut être employé pour chaque corde du piano. Il est à noter que de tels paramètres constitue, dans le cas de notes à laquelle sont associées plusieurs cordes du piano, des paramètres de cordes représentatifs d'écarts d'accordage entre ces cordes d'unissons des notes d'un piano.
  • En outre, des paramètres de corde(s) représentatifs du tempérament du piano peuvent constituer des paramètres de cordes selon l'invention.
  • Outre des paramètres physiques représentatifs du réglage (tensions, accordage, tempérament...) des cordes de l'instrument, les paramètres de cordes peuvent être représentatifs de choix de facture de l'instrument. A titre d'exemple, des paramètres représentatifs du nombre de cordes pour chaque note, des paramètres représentatifs de la position de chaque corde par rapport à la table d'harmonie etc., peuvent constituer des paramètres de cordes selon l'invention.
  • Il est à noter qu'un dispositif selon l'invention peut être utilisé par des facteurs de piano en tant qu'outil de simulation des pianos acoustiques en vue de leur conception, pour avoir une représentation de la sonorité susceptible d'être produite avant la construction de l'instrument. Les moyens de saisie du dispositif selon l'invention peuvent être spécialement adaptés pour une telle utilisation. A cet égard, le dispositif peut comporter une grande quantité de moyens de saisie permettant de déterminer avec précision une grande quantité de propriétés physiques du piano entrant dans les choix de conception du facteur de piano. A titre d'exemple, le dispositif peut comporter plusieurs moyens de saisie pour déterminer avec précision les dimensions des cordes et des diverses pièces de la table d'harmonie. En outre, le dispositif peut comporter plusieurs moyens de saisie pour déterminer avec précision les propriétés du matériau composant chaque pièce de la table d'harmonie et les cordes. Le dispositif peut en outre comporter des moyens de saisie correspondant à d'autres paramètres, tels que la tension de chaque corde...
  • Par ailleurs, dans une variante de l'invention, les moyens de saisie comprennent des moyens adaptés pour permettre à l'utilisateur de modifier, avant son utilisation par le module de production en temps réel, au moins un coefficient de timbre fn , dn et/ou au moins un paramètre d'excitation an , θ n déterminé par le module de présynthèse. Par exemple, il peut être prévu, dans l'interface représentée figure 2, un curseur de modification pour chaque coefficient de timbre et pour chaque paramètre d'excitation. À titre d'exemple de réalisation, il peut être prévu un curseur permettant de modifier chaque harmonique (pour toutes les notes), ou une représentation graphique de la courbe des harmoniques de chaque note pouvant être ajustée par l'utilisateur...
  • Il est à noter que les moyens de saisie d'un dispositif selon l'invention peuvent être spécifiquement adaptés en vue d'une utilisation du dispositif en tant qu'outil pédagogique dans le cadre de cours dispensés pour former des accordeurs de pianos ainsi que dans des écoles de musique.
  • Les exemples précités de mise en oeuvre de l'invention peuvent être transposés à des instruments à clavier et à cordes autres que le piano, par exemple le pantaléon, le clavecin, le clavicorde, le pianoforte.... A titre d'exemple non limitatif, la modélisation par éléments finis du premier exemple susmentionné peut être modifiée en conséquence. Les signaux excitateurs de cet exemple peuvent être en outre mesurés sur l'instrument à clavier correspondant.
  • L'invention s'étend à un support d'enregistrement - notamment du type amovible (CD-ROM, DVD, clé USB, disque dur électronique externe...)- adapté pour pouvoir être lu dans un lecteur d'un dispositif informatique, et comprenant un programme d'ordinateur enregistré adapté pour pouvoir être chargé en mémoire vive dudit dispositif informatique lorsque ce support d'enregistrement est chargé dans ledit lecteur, ce programme ordinateur étant adapté pour que, lorsqu'il est chargé en mémoire vive de ce dispositif informatique, ce dernier constitue un dispositif de production par voie numérique de signaux représentatifs de sons conforme à l'invention. Autrement dit, le support d'enregistrement contient le logiciel de synthèse de sons de piano tel que décrit ci-dessus. Ledit dispositif informatique peut être un ordinateur associé ou non à un clavier électronique comme mentionné ci-dessus.

Claims (24)

  1. Dispositif de production par voie numérique de signaux représentatifs de sons ayant une sonorité simulant celle d'un instrument à clavier et à cordes reliées à une table d'harmonie de l'instrument, ces sons correspondant chacun à une note de l'instrument, comprenant :
    - au moins un module de production en temps réel de sons par voie numérique adapté pour produire au moins un signal représentatif d'un son à partir d'au moins un signal déclencheur se rapportant au jeu d'un instrumentiste, et par utilisation de coefficients représentatifs d'au moins un paramètre physique, dit paramètre de corde(s), caractéristique d'au moins une corde de l'instrument à simuler, représentatif d'une propriété physique mesurable de corde(s) ayant une influence sur le timbre des sons produits par l'instrument,
    caractérisé en ce que :
    - il comprend au moins un module de présynthèse adapté pour produire des coefficients de timbre représentatifs de l'amortissement de chaque partiel sinusoïdal exponentiellement amorti composant un son et des coefficients de timbre représentatifs de la fréquence de chaque partiel, à partir de paramètres physiques comprenant :
    . au moins un paramètre physique, dit paramètre de table d'harmonie, caractéristique d'une table d'harmonie de l'instrument à simuler, représentatif d'une propriété physique mesurable de cette table d'harmonie ayant une influence sur le timbre des sons produits par l'instrument,
    . au moins ledit paramètre de corde(s),
    - au moins ledit module de production en temps réel de sons par voie numérique est adapté pour produire au moins le signal représentatif du son composé au moins de ladite pluralité de partiels, selon les coefficients de timbre produits par le(s) module(s) de présynthèse, et à partir d'au moins un signal déclencheur se rapportant au jeu d'un instrumentiste.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (30, 31, 32, 34, 9, 10, 11, 33, 134, 131, 130, 132) de saisie, par un utilisateur, d'au moins un paramètre physique, ledit module de présynthèse étant adapté pour produire les coefficients de timbre à partir des paramètres physiques saisis.
  3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le(les) paramètre(s) de corde(s) est(sont) distinct(s) du(des) paramètre(s) de table d'harmonie.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens (30, 31, 32, 9, 10, 11, 33, 130, 131, 132) de saisie d'au moins un paramètre de table d'harmonie.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens (34, 9, 10, 11, 33, 134) de saisie d'au moins un paramètre de corde(s).
  6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins un paramètre de cordes est représentatif d'un écart d'accordage entre au moins deux cordes couplées correspondant à la note.
  7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins un paramètre de table d'harmonie est représentatif d'au moins une propriété du matériau de la table d'harmonie.
  8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les paramètres physiques comprennent, pour une pluralité de fréquences, au moins un paramètre de table d'harmonie représentatif de l'impédance de la table d'harmonie de l'instrument à clavier et à cordes pour chacune de ces fréquences.
  9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les paramètres physiques comprennent, pour chaque note, au moins un paramètre de table d'harmonie représentatif de l'impédance de la table d'harmonie pour chaque fréquence d'une pluralité de fréquences associées à ladite note.
  10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les coefficients de timbre sont au moins représentatifs de l'amortissement et de la fréquence de chaque partiel.
  11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (10, 11, 30 à 32, 130, 131, 132, 134) manuels de saisie.
  12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le module de présynthèse est adapté pour déterminer à partir de valeurs saisies desdits paramètres physiques, les valeurs d'une pluralité d'éléments modaux comprenant, outre lesdits coefficients de timbre, des paramètres de déplacements modaux représentatifs des modes propres du système couplé de la table d'harmonie et des cordes.
  13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le module de présynthèse est adapté pour déterminer les valeurs des éléments modaux à partir d'une constellation de points préalablement mémorisés chacun associant un jeu de valeurs des paramètres physiques pouvant être saisies par un utilisateur avec un jeu de valeurs d'éléments modaux.
  14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les valeurs des éléments modaux de chaque point sont déterminées préalablement selon une modélisation mécanique de l'instrument qui tient compte du couplage des cordes et de la table d'harmonie.
  15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite modélisation mécanique prend en compte des écarts d'accordage entre les cordes d'unisson des notes.
  16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le module de présynthèse est adapté pour déterminer des paramètres d'excitation représentatifs de l'amplitude initiale an(p) et du déphasage θn(p) de chaque partiel n des notes.
  17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le module de présynthèse est adapté pour exécuter au moins un processus de présynthèse en tâche de fond.
  18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que chaque signal déclencheur est formé d'un message se rapportant à des actions d'un instrumentiste sur des touches d'un clavier - notamment un message MIDI-.
  19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que le module de production réalise en temps réel la synthèse d'un signal représentatif d'un son de piano en fonction des valeurs des coefficients de timbre et des paramètres d'excitation correspondant à une note p à produire et à une intensité de frappe de cette note p tels que déterminés par un signal déclencheur reçu.
  20. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que le module de production est adapté pour produire un signal audio selon la formule (1) : s p t = ∑ n a n p ⁢ exp - d n p ⁢ t ⁢ sin 2 ⁢ π ⁢ f n p ⁢ t + θ n p + b p t
    Figure imgb0007
    où :
    - t représente le temps,
    - p est un signal déclencheur identifiant la note p, et comprenant au moins la hauteur de cette note p, et éventuellement la vélocité et/ou la durée de la note p,
    - s(p,t) représente le signal audio produit,
    - dn (p) représente le coefficient d'amortissement d'un partiel n correspondant à la note p,
    - fn (p) représente la fréquence de chaque partiel n correspondant à la note p,
    - an (p) représente l'amplitude initiale du partiel n de la note p directement après l'impact du marteau sur les cordes de la note,
    - θ n (p) représente le déphasage du partiel n de la note p,
    b(p,t) représente la partie percussive du son et toute autre composante du son non (ou mal) modélisable par une décomposition en somme de sinus.
  21. Dispositif selon la revendication 2 et l'une des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend un système informatique incorporant un logiciel de synthèse de sons simulant la sonorité d'un instrument à clavier, cordes et table d'harmonie, ce logiciel de synthèse de sons formant chaque module de présynthèse et chaque module de production en temps réel de sons, et présentant une interface homme-machine adaptée pour permettre à un utilisateur de former des signaux déclencheurs et pour présenter lesdits moyens de saisie d'au moins un paramètre physique.
  22. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce que l'instrument à clavier et à cordes à simuler est un piano, et en ce qu'il comprend au moins un clavier électronique à touches mécaniques de piano.
  23. Dispositif selon l'une des revendications un à 22, caractérisé en ce que lesdits moyens de saisies comprennent des moyens adaptés pour permettre à l'utilisateur de modifier, avant son utilisation par le module de production en temps réel, au moins un coefficient de timbre fn, dn et/ou au moins un paramètres d'excitation an , θ n déterminé par le module de présynthèse.
  24. Support d'enregistrement -notamment du type amovible (CD-ROM, DVD, clé USB, disque dur électronique externe...)- adapté pour pouvoir être lu dans un lecteur d'un dispositif informatique, et comprenant un programme d'ordinateur enregistré adapté pour pouvoir être chargé en mémoire vive dudit dispositif informatique lorsque ce support d'enregistrement est chargé dans ledit lecteur, caractérisé en ce que ce programme d'ordinateur est adapté pour que, lorsqu'il est chargé en mémoire vive de ce dispositif informatique, ce dernier constitue un dispositif de production par voie numérique de signaux représentatifs de sons conforme à l'une des revendications 1 à 23.
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