Synthèse modale

Salut à tous,

J'ai fait le grand plongeon il y a un mois avec un système basé autour du MI elements. Je suis tombé totalement amoureux de la synthèse modale (merci pichenettes : ) ), mais je vois que le sujet est assez peu traité par ici… D'autres modules intéressants, des techniques ? Est-ce que ce genre de simulation peut aussi se faire avec un oscillateur harmonique + quelques filtres où il faut avoir une batterie complète de 30-60 filtres résonnants ? (assez utopique à part dans des modules dédiés).

Merci à vous
À bientôt !

Sujet très intéressant !

Sachant que la synthèse modale utilise visiblement des combinaisons de modèles simples, il suffirait en théorie de dérouler chacune des structures de chaque modèle afin d'en percevoir le routing (patch) nécessaire à sa ré-exécution. Le problème est qu'il sera "statique" ou tout du moins qu'il n’interagira pas avec d'autres modèles, ce qui à mon avis risque d'enlever une bonne partie des caractéristiques de la synthèse modale. Mais à priori cela est possible... et risque en effet de demander beaucoup de modules (résonnateurs).

Peut-être Olivier pourrait nous en dire plus à ce sujet ?

EDIT: j'ai trouvé ce lien

La synthèse modal a été introduit comme modèle pour la synthèse des sons musicaux par Jean-Marie Adrien (biographie très étonnante, par ailleurs!), qui a crée le logiciel Modalys qui est toujours disponible chez Ircam. Quand on parle des modèles physicaux, il s'agit surtout des modèles de type waveguide, la synthèse modal est un peu moins connu.

Quelqu'un a apparemment fait un patch Max aussi, probablement pas lié a celle de Modalys.

Selon la description dans l'article que MechaSeb a partagé, on aura besoin des filtres résonnantes et d'une source d'exitation, mais pas nécessairement des oscillateurs. Mais pour des imitations des percussions comme ceux dans la video dessus on peut également faire un patch style Buchla avec un Lowpass gate.

Le principe même de la synthèse modale est d'utiliser un banc de filtres résonants.

L'idée de base : de la même façon qu'on peut approximer un son par une somme d'harmoniques sinusoïdales, on peut approximer la réponse d'une structure (tube, barre, plaque) à une excitation (choc, frottement) par une somme de filtres passe bandes (tout derrière : valeurs propres de la matrice représentant les interactions entre points d'un maillage de la structure). Les fréquences, gains, et résonance de ces filtres dépendent de la structure et du matériau. Ils peuvent être soit calculés analytiquement ou numériquement d'après une description géométrique de la structure (comme dans Modalys), soit mesurés à partir d'un enregistrement d'une note de l'instrument, soit fixés de façon plus arbitraire / algorithmique (comme sur Elements). On trouve dans les bouquins de mécanique des structures les paramètres pour différent types de structures sous diverses conditions (attachées à une extrémité, aux deux...). Une fois qu'on a modélisé la réponse de la structure à l'excitation par ces filtres, on est libre d'envoyer n'importe quel excitation dedans. C'est très différent de la synthèse soustractive, où les paramètres de force de jeu et les gestes musicaux vont être dirigés sur le VCF / VCA en fin de chaîne. En synthèse modale, les paramètres de force de jeu contrôlent l'amplitude et la coloration de l'excitation, en amont du résonateur (ce qui correspond mieux à la réalité physique : pour jouer plus fort ou plus léger, mon geste -- point de départ du son -- est plus fort ou plus léger).

Si on utilise d'autres configurations qu'un banc de filtres résonants... ce n'est plus de la synthèse modale !

juste comme ça

quelles ont les équations principales qui rentrent en jeu pour matérialiser ces excitations et ces matières??
et quelle méthode numérique est ce qui tu utilises Pichenettes?

Citation :

quelles ont les équations principales qui rentrent en jeu pour matérialiser ces excitations et ces matières

Cela dépend de la structure qu'on modélise. Pour une barre par exemple, on utilise le modèle d'Euler-Bernoulli. C'est à partir de ces équations qu'on peut trouver les fréquences des différents modes - interviennent des paramètres comme le module de Young ou la densité du matériau utilisé.

Citation :

et quelle méthode numérique est ce qui tu utilises Pichenettes?

Et bien je n'en utilise pas, et c'est justement là l'intérêt de la synthèse modale. Sous l'hypothèse que le système a un comportement linéaire, tout se réduit à une superposition de filtres passe-bande. Si je voulais modéliser une structure ou un matériau précis, je consulterai la bonne formule donnant la fréquence des modes dans un bouquin de mécanique des structures... Mais cela ne serait probablement pas très intéressant, car on aurait alors une vision "liste" - un menu avec un choix de structure / matériaux pré-déterminés ("des presets bweeeua"). L'idée dans Elements et Rings et de générer algorithmiquement la table des fréquences / Q, même si du coup ces paramètres ne correspondent plus à un système physique particulier.

Toutes ces explications, mais je peux me tromper, me font penser à ce que propose TASSMAN  d'AAS que je viens de découvrir avec beaucoup de retard .
Celui-ci propose donc plusieurs types de filtres  qui peuvent venir exciter des éléments s'appelant strings, pipes, bars, plates, ou membranes .
Mais j'imagine que beaucoup d'entre vous connaissent .

Oui, c'est exactement ce que fait TASSMAN, l'ancêtre des produits plus récents d'AAS (Chromaphone) - synthèse modale à tous les étages !

Pichenettes, est qu'avec la méthode algorithmique, tu peux t'affranchir totalement du maillage ou alors c'est en quelque sorte un maillage réduit? car la réponse serait linéaire?

On s'affranchit du coût en calcul de la résolution sur un maillage, mais on a une nouvelle contrainte : le nombre de filtres dans le banc de filtres.

C'est exactement le même type de compromis qu'on rencontre lorsqu'on fait le choix de représenter un signal dans le domaine fréquentiel par opposition au domaine temporel. Si le signal qu'on veut représenter est une simple sinusoïde, c'est plus économe de le décrire dans le domaine fréquentiel plutôt que sous la forme d'une suite d'échantillon. Si le signal qu'on veut représenter comporte de nombreuses harmoniques, la représentation fréquentielle n'est plus si avantageuse.

ok, je connaissais pas cette méthode mais simplement un petit peu la méthode par éléments et volumes finis en meca flu

En tout cas, grâce a tes explications je comprends mieux pourquoi le son d'un "ring " correspond un peu à l'idée que je peux avoir d'un son de cordes habituel mais pas tout à fait non plus..
C'est volontaire de ta part et ça se matérialise par le choix de ta méthode de résolution du système!

Du coup je comprends aussi ce que tu veux dire par explorer de nouveaux paysages sonores,
cela sous entend d'écouter le son pour ce qu'il est et non ce qu'il pourrait mimer et qui se rapprocherait le plus de notre palette sensorielle habituelle, ce "rings" m'intéresse de plus en plus..

pichenettes a écrit:

Le principe même de la synthèse modale est d'utiliser un banc de filtres résonants.[...] Si on utilise d'autres configurations qu'un banc de filtres résonants... ce n'est plus de la synthèse modale !

Loin de moi l'idée de polémiquer mais ne peut-on pas néanmoins considérer un processus de synthèse imitatif de structure (métallique) basé sur par exemple une addition de sinusoïdes/harmoniques (ou éventuellement en soustractif + additif) comme faisant partis de la même famille de synthèse ? Dans ce cas doit on toujours parler de Modal, d'additif (d'imitatif) ? Je pose la question car dans le lien au dessus, il est fait mention d'oscillateurs harmoniques (ce qui rejoins donc la question initiale).

[...]A good physically motivated synthesis model for objects like this is modal synthesis where a vibrating object is modeled by a bank of damped harmonic oscillators which are excited by an external stimulus.The frequencies and dampings of the oscillators are determined by the geometry and material properties (such as elasticity) of the object and the coupling gains are determined by the location of the force applied to the object.

Aussi, lorsque vous parlez de maillage il s'agit bien du maillage de la structure du matériel ? (réseau CC, CFC etc ?) qui si j'ai bien compris est ensuite numériquement modélisée dans une matrice de points ?
Dans ce cas si je m'en tiens toujours à l'article et en suivant cette description du modèle modal : M = {f, d, A}, il "suffit" de se balader ensuite dans la matrice N × K afin de changer la structure métallique (et donc harmonique) du son et d'allonger ou raccourcir le temps de decay en jouant en fait "artificiellement" sur le point d'impact (la force aussi ?) sur la structure même du matériau modélisé plus ou moins résonnante, pleine etc. ? (c'est génial !)

(j'ai essayé un patch sur le Buchla hier avec 4 modules de références : Oscilo "harmonique" (259), EG (281), LPG (292c) et Spectral Processor (296). Le but était d'imiter un son de bol chantant (Tibétain). En intervertissant la démarche, c'est à dire ne pas tout rebasculer dans le LPG en fin de chaine mais en venant "exciter" le 296 par le couple EG/LPG , ça donne en effet des résultats très satisfaisant... même si j'ai toujours besoin d'une source pour le 296 (faudrait peut-être que j'essaie la réinjection tiens).

J'ai l'impression de dire pleins de bêtises mais c'est passionnant !

MechaSeb a écrit:

J'ai l'impression de dire pleins de bêtises mais c'est passionnant !

Cela permet d'apprendre, de progresser, n'aie crainte: les erreurs sont une énorme source pour l'apprentissage .

Citation :

Loin de moi l'idée de polémiquer mais ne peut-on pas néanmoins considérer un processus de synthèse imitatif de structure (métallique) basé sur par exemple une addition de sinusoïdes/harmoniques (ou éventuellement en soustractif + additif) comme faisant partis de la même famille de synthèse ?

Débat stérile de nomenclature... Mais pour moi la chaîne signal excitation -> résonateur est essentielle. C'est celle qui donne les timbres légèrement bruités que j'aime tant (du bruit comme source d'excitation va "passer au travers" des filtres résonants), et c'est celle qui donne toute son expressivité à cette méthode de synthèse.

Avec un oscillateur additif, on ne modélise que le cas particulier où il n'y a aucune absorption (quitte à créer un phénomène d'absorption artificiel avec un VCA et une enveloppe derrière, ou un LPG). Avec un oscillateur harmonique, on ne modélise que le cas encore plus particulier où les modes ont des fréquences multiples du fondamental.

Si je calcule à partir d'un modèle physique quel doit être le spectre d'une note de hautbois, et si je reproduis ce spectre parfaitement en sommant quelques oscillateurs, le tout dans la bonne cascade de filtres... Est-ce de la synthèse physique ? Ceux qui sont sur la mailing list Analogue Heaven ont peut être déjà entendu les démos de Kenneth Elhardt qui fait des reproductions d'instruments acoustiques impressionnantes avec un Jupiter 8.

Citation :

Aussi, lorsque vous parlez de maillage il s'agit bien du maillage de la structure du matériel ?

On parle du maillage utilisé pour simuler informatiquement le comportement d'un objet déformable (méthode des éléments finis). Plus ce maillage est fin, plus la simulation est réaliste... et coûteuse.

Mais si on fait juste passer un signal d'excitation à travers des filtres résonnants, ça ne revient pas au cas où l'absorption est totale ? Ou alors "résonnant" a deux sens ici…
Tout ça est assez nouveau est excitant pour moi, MechaSeb je te comprends !
Je commence de plus en plus à imaginer un système à base d'excitations "concrètes" et de résonateurs…
Merci pichenettes pour toutes ces explications !

Citation :

ça ne revient pas au cas où l'absorption est totale ?

Non, si l'absorption est totale, il n'y a rien en sortie. C'est le cas où les filtres ont un facteur de qualité très petit. Pour se faire une idée : un objet très lourd ou rigide.

Plus la résonance des filtres est élevée, plus le spectre se rapproche de pics harmoniques, plus le temps d'absorption est long. Cas limite : résonance infinie = spectre purement harmonique = auto-oscillation.