Contrôle actif des cuivres : le cas du trombone

Le contrôle actif est une technique historiquement utilisée afin de réduire les nuisances sonores en appliquant des sources secondaires. Son application aux instruments de musique apporte de nombreux avantages aux musiciens et compositeurs en créant des instruments augmentés. Cela permet d'étendre la gamme de sons proposée naturellement par l'instrument en modifiant simultanément le son rayonné et les retours auditif/haptique ressentis par l'interprète. Cette technique diffère d'un simple effet audio ajouté sur une prise de son. Dans le cas des instruments à vent, le contrôle actif vise à modifier la vibration de la colonne d'air dans le résonateur, dont les dimensions sont typiquement réduites et où la pression peut atteindre plusieurs kilopascals. Ces contraintes imposent des exigences fortes aux actionneurs. Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le trombone, dont nous souhaitons moduler en temps réel le spectre du son naturellement émis par les résonances d'un conduit vocal humain, appelées formants. Un tel contrôle a pour objectif d'appliquer un timbre de voyelle au son du trombone. Pour cela, nous contrôlons l'impédance de rayonnement en sortie de pavillon dans un formalisme linéaire de fonction de transfert. Le contrôleur, placé dans une boucle de rétroaction, impose la loi aux actionneurs en temps réel à partir de la pression mesurée par des capteurs en sortie de pavillon. Dans cette méthode, la loi du contrôleur dépend uniquement des modèles d'impédance de rayonnement et des haut-parleurs et est indépendante du choix de l'instrument. Une étude de sensibilité est réalisée et des simulations numériques sont menées dans des conditions de jeu réelles. Toutefois, l'inconvénient reste sa dépendance en l'impédance de rayonnement, impliquant un calcul du contrôleur dans chaque situation de jeu. Ainsi, nous appliquons le contrôle actif à une chambre acoustique connectée en sortie de la partie cylindrique d'un résonateur de trombone. Cette chambre parallélépipédique est équipée de transducteurs co-localisés à chaque extrémité de manière à réaliser un contrôle simultané aux frontières du système. Le contrôle vise à attribuer à la chambre acoustique le comportement d'un conduit vocal humain entre les pressions et débits acoustiques aux extrémités. Une telle architecture de contrôle ne requiert aucune modélisation du trombone, ni d'impédance de rayonnement, ni de la longueur du résonateur. Cela se traduit par le fait que la loi de contrôle est indépendante de l'instrument de musique utilisée, et notamment de sa position sur scène et de la taille de la coulisse. Ce choix est donc directement adapté à la pratique instrumentale. Le contrôleur, placé dans une boucle de rétroaction, prend comme entrées les pressions acoustiques aux extrémités de la chambre acoustique et calcule en temps réel la contribution à ajouter au débit naturel du trombone pour obtenir le comportement cible. Le contrôle actif est appliqué expérimentalement à un instrument composé d'une embouchure et de la partie cylindrique d'un résonateur de trombone incluant la coulisse. Il est directement connecté en amont à la bouche artificielle d'un banc de test robotisé, qui délivre un débit d'air constant et contrôlable afin de simuler les lèvres et le flux d'air d'un instrumentiste. En aval, il est connecté à la chambre acoustique précédemment décrite, obtenue par impression 3D. Le calibrage et le conditionnement des transducteurs permettent d'estimer la pression et le débit acoustiques aux extrémités de la chambre nécessaires au calcul en temps réel du contrôleur. Les mesures de pressions et débits acoustiques dans la chambre sont comparées aux signaux simulés. Enfin, plusieurs tests de contrôle sont appliqués à l'instrument. Le débit entrant dans le résonateur est contrôlé par une bouche artificielle et le son rayonné, est comparé à celui de l'instrument en l'absence de contrôle.