Aide à la conception et qualités des instruments de musique et de la voix chantée

L’objet de recherche est l’instrument de musique (et le musicien) ou l’appareil vocal (et le chanteur).

Des méthodes numériques et expérimentales innovantes sont proposées pour ces systèmes dynamiques non linéaires. L’enjeu est de traiter un problème non linéaire où le couplage avec l’humain est central (tant pour la production du son que pour l’appréciation des qualités du rendu sonore), et donc de définir des outils d’analyse théoriques, numériques et expérimentaux adéquats. Les domaines d’application sont la facture instrumentale (conception de nouveaux instruments) et la pédagogie de la voix chantée.

Participants actuels: B. Cochelin (Pr ECM émérite), T. Colinot (Chercheur Buffet Crampon), P. Guillemain (DR CNRS), É. Gourc (Chercheur CDD), J. Kergomard (DR CNRS émérite), M. Pachebat (IR CNRS), V. Fréour (Chercheur Yamaha), P. Sanchez (IR CNRS), F. Silva (CR CNRS),F. Soares (Chercheur CDD CNRS). C. Vergez (DR CNRS).

Définir les qualités d’un bon instrument de musique

Nous parlons beaucoup plus volontiers DES qualités d’un bon instrument de musique plutôt que de LA qualité, qui est sans doute une vision naïve et en tout cas hors d’atteinte étant donné l’état de nos connaissances. Dit autrement, rien ne permet de mesurer ou de calculer un indicateur unique à partir des caractéristiques géométriques et physiques d’un instrument, qui serait fortement corrélé avec le jugement porté sur cet instrument par un musicien (sachant en plus qu’il n’y a pas consensus parmi les musiciens). Cela n’empêche pas pour autant le développement d’outils numériques et expérimentaux pour approfondir notre compréhension du fonctionnement des instruments de musique et proposer une aide à la facture instrumentale. Un modèle numérique associé à une méthode expérimentale ont par exemple été développés pour étudier finement le comportement des trous latéraux, élément primordial de la justesse et du rayonnement des instruments à anche [Szwarcberg et al. JASA2024].

Impact de la position, du diamètre et de la hauteur du trou latéral - dit « trou de registre » - de la clarinette sur la justesse des notes du second registres et du « si♭4 de gorge », la note la plus aigüe du premier registre. Les zones orange et bleues indiquent que le deuxième registre est produit de manière fiable après l'ouverture du trou de registre. L'orange correspond aux notes les plus aiguës du second registre (de fa4 à do6), et le bleu aux plus graves (de mi3 à si4). Les hachures indiquent les configurations dans lesquelles le deuxième registre est juste. Les zones vertes représentent les paramètres des trous de registre qui permettent de jouer un si♭4 par ouverture du trou de registre à partir du doigté de la 4. Les hachures vertes indiquent où le si♭4 est juste (source : N. Szwarcberg, soutenance de thèse, 2025).

L’optimisation de la géométrie des instruments à vent fait aussi partie de nos recherches ([Colinot et al. AAuA2019], [Ernoult et al. JASA2020]), ainsi que l’établissement de cartographies numériques de la jouabilité des instruments issus de l’optimisation, leur synthèse sonore (instrument virtuel, [Colinot et al. AA2021]) ou les évaluations des prototypes réalisés en impression 3D. Deux dépôts logiciels ont été effectués auprès de l’Agence de Protection des Programmes. Les fabricants d’instruments sont aussi intéressés par des outils prédictifs permettant de catégoriser des instruments de musique de conception très proche, sans passer par des longues phases de tests avec des musiciens. Nous utilisons pour cela des modèles physiques non linéaires musicien-instrument pour extraire des indicateurs pertinents [Fréour et al. JASA2020]. Ces modèles servent également à entrainer des algorithmes de machine learning qui peuvent ensuite être utilisés par les facteurs d’instruments [Mimoun et al. Acta Acustica 2024]. Ces algorithmes, associés à des procédures d’optimisation, peuvent permettre de déduire des perces d’instruments (géométrie interne) optimales au regard de critères de jouabilité, de justesse, ou encore de timbre [Petiot, Fréour et coll., POMA,2025].

Effet des branches d’embouchure optimisées sur la justesse et la jouabilité de trompettes. En abscisse, l’Equivalent Fundamental Pitch, une mesure globale de justesse relative, et en ordonnée, une mesure de la pression minimale pour laquelle un son apparaît. [Source : Petiot, Fréour et coll., POMA,2025].

L’analyse des modèles physiques sous forme de diagrammes de bifurcation peut servir de base à l’apprentissage automatique. Les algorithmes résultants proposent des résultats automatiques, rapides et interprétables. [Mimoun et al. Acta Acustica 2024]

Des outils expérimentaux assez uniques tels que des musiciens artificiels, permettent de vérifier la pertinence des modèles et des analyses numériques mises en œuvre. Ces systèmes présentent plusieurs intérêts : une grande répétabilité dans le contrôle (bénéfique aux comparaison d’instruments par exemple), un contrôle précis des paramètres de jeu, une accessibilité facilitée à certaines variables de jeu tel que le mouvement des lèvres par camera rapide.

Système de bouche artificielle équipée de lèvres en silicone et permettant de jouer l’instrument de manière contrôlée. Ce dispositif permet de mesurer un ensemble de variables de jeu difficilement accessibles sur un vrai musicien (pression dans la bouche, mouvement des lèvres, …).

Captation in vivo

Le contrôle réalisé par l’humain pour le jeu instrumental ou le chant n’est connu que très imparfaitement aujourd’hui, or il est essentiel. Aussi toute information nouvelle dans ce domaine est précieuse et passe par des progrès au niveau expérimental. Nous travaillons donc à l’optimisation des traitements du signal, à la miniaturisation de capteurs et de l’électronique embarquée pour la mesure in situ et en quasi temps réel du geste vocal et instrumental, en jouant sur l’éternel compromis précision/invasivité/rapidité. Nous visons des outils pédagogiques pour l'apprentissage par biofeedback, comme cela est pratiqué déjà dans certains sports. Il s’agit de pratiquer son instrument ou son chant en étant informé de la justesse et des caractéristiques du son produit ainsi que des efforts consentis pour l’obtenir.

Gouttière dentaire munie de microphone MEMS pour la mesure des résonances du conduit vocal en cours de phonation (thèse d’Alice Launet).