Soutenance de thèse de Nicolas Lopes : Approche passive pour la modélisation, la simulation et l'étude d'un banc de test robotisé pour les instruments de type cuivre
La soutenance de thèse de Nicolas Lopes se fait devant un jury composé de :
Brigitte d’Andréa-Novel - Rapporteure - Professeur MINES ParisTech Mines-ParisTech Christophe Vergez - Rapporteur - Directeur de Recherche, CNRS LMA Benoît Fabre - Examinateur - Professeur, LAM, Institut d’Alembert, UPMC Isabelle Terrasse - Examinatrice - Directrice de Recherche, Airbus Group Innovations Bernhard Maschke - Examinateur - Professeur Université Claude Bernard, Lyon 1 Thomas Hélie - Directeur de thèse - Chargé de Recherche, Laboratoire STMS, CNRS René Caussé - Co-directeur de thèse - Directeur de Recherche, Laboratoire STMS, Ircam
Résumé: Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la robotique, de l’automatique et de l’acoustique musicale. Elle propose une étude d’un banc de test robotisé pour le jeu des instruments à vent de type cuivre. Cette étude se décompose selon trois volets: la modélisation passive du système, sa simulation, et son développement. La modélisation est faite en suivant le formalisme passif des systèmes hamiltoniens à ports. Les éléments principaux composant le système sont: l’alimentation en air pour le souffle, l’excitateur composé de deux lèvres et d’un jet d’air, et un résonateur acoustique. Le résonateur acoustique utilisé dans ce travail est un trombone à pistons. Un nouveau modèle de jet d’air généré entre les lèvres est proposé. Ce modèle a pour but de restituer un bilan de puissance plus proche de la réalité physique que les modèles couramment utilisés. Des raffinements sont ensuite construits autour de ce jet afin d’obtenir un modèle complet auto-oscillant. Pour la simulation, la méthode du gradient discret est présentée. Cette méthode permet d’obtenir une description en temps discret qui vérifie les bilans de puissance, et donc la passivité lors de la simulation. Elle ne permet pas, en général, de garantir l’existence et l’unicité d’une solution. De plus, elle est limitée au second ordre de consistance numérique, et son exécution nécessite des algorithmes d’optimisations non linéaires gourmand en temps de calcul. Pour pallier ces limitations, une méthode à plusieurs étapes de type Runge-Kutta double et basée sur un changement de variable est proposée. Des résultats de simulations sont interprétés et comparés à ceux issus d’un modèle contenant un jet construit autour d’une équation de Bernoulli stationnaire. Enfin, la machine ainsi que les développements techniques effectués au cours de la thèse sont présentés. Ces développements sont à la fois de types informatiques et mécaniques. Ils permettent la mise au point d’expériences de cartographies répétables et peuvent être utilisés pour caractériser différents instruments de musique. Des résultats expérimentaux et de simulation sont comparés. Les comparaisons permettent de mettre en avant les défauts et les qualités du modèle proposé et orientent vers des choix futurs pour la modélisation et le développement de la machine.
Passive approach for the modelling, the simulation and the study of a robotised test bench for brass instruments.
Abstract: This thesis is to be seen against the robotic, the automatic, and the musical acoustics backgrounds. It provides a study of a robotised test bench for brass instruments. This study is divided into three parts: the passive modelling of the system, its simulation and its development. The modelling is done using a passive formalism, namely, the ports-Hamiltonian systems. The main parts of the complete system are: an air supply for the breath, an acoustic exciter itself composed of a couple of artificial lip and an air jet, and an acoustic resonator. In this work, the acoustic resonator is a valve trombone. A new model for the air jet generated between the lips is proposed. This model aims at providing a power balance, which is closer to the real system than other commonly used models. Refinements are added to the jet model to obtain a self-oscillating complete model. The discrete gradient method is presented to perform simulations. This method offers a discrete time description that verifies the power balance, and then the passivity during simulations. However, it does not generally guaranty the existence and uniqueness of a solution. Moreover, it is limited to the second order of numerical consistency, and its execution needs nonlinear optimisation algorithms, that are time-consuming processes. To compensate for these limitations, a multi-stage method of double Runge-Kutta type and based on a change of variable is proposed. Results from simulations are interpreted and compared to those coming from a Bernoulli type model. Finally, the test bench and the technical developments carried out in this thesis are presented. These developments are both about programming and mechanic. They enable the performance of repeatable cartographies experiments which can be used to characterise music instruments. Experimental and numerical results are compared. Comparisons enable the highlighting of the defaults and the qualities of the proposed model and lead to future choices for the modelling and the development of the test bench.
Soutenance de thèse de Nicolas Lopes
Nicolas LOPES soutient sa thèse de doctorat de l'UPMC, réalisée à l'Ircam au sein de l'équipe-projet Systèmes et Signaux Sonores et des équipes Analyse et synthèse du son et Acoustique instrumentale (STMS - CNRS/IRCAM/UPMC), intitulée :
"Approche passive pour la modélisation, la simulation et l'étude d'un banc de test robotisé pour les instruments de type cuivre"
Elle s’intègre dans deux projets de l’Agence nationale de la recherche : ANR-HAMECMOPSYS (https://hamecmopsys.ens2m.fr) et ANR-CAGIMA (http://cagima.ircam.fr).
La soutenance de thèse se fait devant un jury composé de :
Brigitte d'Andréa-Novel - Rapporteure
Professeur MINES ParisTech Mines-ParisTech
Christophe Vergez - Rapporteur
Directeur de Recherche, CNRS LMA
Benoît Fabre - Examinateur
Professeur, LAM, Institut d'Alembert, UPMC
Isabelle Terrasse - Examinatrice
Directrice de Recherche, Airbus Group Innovations
Bernhard Maschke - Examinateur
Professeur Université Claude Bernard, Lyon 1
Thomas Hélie - Directeur de thèse
Chargé de Recherche, Laboratoire STMS, CNRS
René Caussé - Co-directeur de thèse
Directeur de Recherche, Laboratoire STMS, Ircam
Résumé:
Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la robotique, de l'automatique et de l'acoustique musicale. Elle propose une étude d'un banc de test robotisé pour le jeu des instruments à vent de type cuivre. Cette étude se décompose selon trois volets: la modélisation passive du système, sa simulation, et son développement. La modélisation est faite en suivant le formalisme passif des systèmes hamiltoniens à ports. Les éléments principaux composant le système sont: l'alimentation en air pour le souffle, l'excitateur composé de deux lèvres et d'un jet d'air, et un résonateur acoustique. Le résonateur acoustique utilisé dans ce travail est un trombone à pistons. Un nouveau modèle de jet d'air généré entre les lèvres est proposé. Ce modèle a pour but de restituer un bilan de puissance plus proche de la réalité physique que les modèles couramment utilisés. Des raffinements sont ensuite construits autour de ce jet afin d'obtenir un modèle complet auto-oscillant. Pour la simulation, la méthode du gradient discret est présentée. Cette méthode permet d'obtenir une description en temps discret qui vérifie les bilans de puissance, et donc la passivité lors de la simulation. Elle ne permet pas, en général, de garantir l'existence et l'unicité d'une solution. De plus, elle est limitée au second ordre de consistance numérique, et son exécution nécessite des algorithmes d'optimisations non linéaires gourmand en temps de calcul. Pour pallier ces limitations, une méthode à plusieurs étapes de type Runge-Kutta double et basée sur un changement de variable est proposée. Des résultats de simulations sont interprétés et comparés à ceux issus d'un modèle contenant un jet construit autour d'une équation de Bernoulli stationnaire. Enfin, la machine ainsi que les développements techniques effectués au cours de la thèse sont présentés. Ces développements sont à la fois de types informatiques et mécaniques. Ils permettent la mise au point d'expériences de cartographies répétables et peuvent être utilisés pour caractériser différents instruments de musique. Des résultats expérimentaux et de simulation sont comparés. Les comparaisons permettent de mettre en avant les défauts et les qualités du modèle proposé et orientent vers des choix futurs pour la modélisation et le développement de la machine.
Abstract:
This thesis is to be seen against the robotic, the automatic, and the musical acoustics backgrounds.
It provides a study of a robotised test bench for brass instruments. This study is divided into three parts: the passive modelling of the system, its simulation and its development. The modelling is done using a passive formalism, namely, the ports-Hamiltonian systems. The main parts of the complete system are: an air supply for the breath, an acoustic exciter itself composed of a couple of artificial lip and an air jet, and an acoustic resonator. In this work, the acoustic resonator is a valve trombone. A new model for the air jet generated between the lips is proposed. This model aims at providing a power balance, which is closer to the real system than other commonly used models. Refinements are added to the jet model to obtain a self-oscillating complete model. The discrete gradient method is presented to perform simulations. This method offers a discrete time description that verifies the power balance, and then the passivity during simulations. However, it does not generally guaranty the existence and uniqueness of a solution. Moreover, it is limited to the second order of numerical consistency, and its execution needs nonlinear optimisation algorithms, that are time-consuming processes. To compensate for these limitations, a multi-stage method of double Runge-Kutta type and based on a change of variable is proposed. Results from simulations are interpreted and compared to those coming from a Bernoulli type model. Finally, the test bench and the technical developments carried out in this thesis are presented. These developments are both about programming and mechanic. They enable the performance of repeatable cartographies experiments which can be used to characterise music instruments. Experimental and numerical results are compared. Comparisons enable the highlighting of the defaults and the qualities of the proposed model and lead to future choices for the modelling and the development of the test bench.