技术

从人工嘴...到人工音乐家?

吹喇叭的机器可以研究票据的产生。如果我们为这种人造嘴巴配备控制系统,则可以对游戏的动态阶段进行分析。

克里斯托夫·弗格斯(Christophe Vergez)和迪迪埃·费朗 科学N°373
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您是否曾经听过巴黎街头的桶式风琴?音符在滴答作响,但是无论曲柄演奏者的狂热程度如何,他的解释距离迈尔斯·戴维斯(Miles Davis)吹小号的独特措辞还差很远!为什么呢因为小号手的天才,就像任何音乐家的才能一样,在于他在音符之间进行过渡的方式(称为过渡音)。在物理学家制造了一种为管乐器提供动力的机器-人造嘴-之后,这些瞬变可能只是他们的下一个目标。

我们将在这里解释为什么以及如何开发出可控制的人造嘴,这是朝着分析和再现器乐演奏的第一步。今天,这个测量平台首先是一种最终进入对游戏动态阶段的科学研究的手段。

在音乐领域,很长一段时间以来,有两种声音制作策略:一种需要音乐家直接采取行动,音乐家必须吹管,拔弦,敲打皮肤等,而他所要做的就是,通常是在键盘上,用于设计产生声音的机器的信号。在桶形风琴或任何音乐盒中,采取最后一种策略的方法甚至更进一步,因为程序(用桶形风琴的纸板条上的孔编码)取代了甚至不必发出信号。人造嘴就是这样的一种装置,但是被构造为再现并测量音乐家的嘴的物理动作,以黄铜(小号,长号等)或木头(单簧管,双簧管等)创建音符。 )。

人工嘴的两个优点

人工嘴的第一个特征是以简化的方式再现器乐演奏者的基本功能:他的呼吸,当然还有他的嘴,尤其是他的嘴唇的动作。这需要合适的机械接口。因此,对于黄铜乐器,人造嘴必须具有人造嘴唇,该人造嘴唇将在与乐器耦合的作用下振动。对于簧片乐器,必须再现嘴唇提供的“抓爪”功能。

人造嘴的第二个特征是使乐器在冻结所有控制参数的同时演奏,而这些控制参数通常是乐手在演奏过程中改变的,例如,吹气的压力,嘴唇的硬度,声道的配置…同时测量几个物理量:压缩空气供应压力,产生的气流,口腔和器械中的压力,嘴唇或簧片的振动…

对于研究管乐器声音产生的研究人员而言,用人工嘴进行的测量要比他可以直接设置但难以对音乐家进行的设置更好。与音乐家不同的是,这样的测量台始终可用,可随意复制测量结果,在他的嘴,嘴唇或声道中接受传感器...

另外,设计人造嘴也是一种专注于声音产生现象的基本部分的方法。演奏音乐家同时调制多个参数。相反,用人工嘴,声学师只能测量其设备上可用的几个参数,从而简化了研究-物理学中的常规程序。

到目前为止,人工嘴的主要目的是验证和改进用于描述乐器声音产生的物理模型。但是,它们对于发明乐器也很有用,例如在勒芒的缅因大学声学实验室制造的圆柱形萨克斯风,或在我们实验室开发的新型单簧管。

目前,人造嘴只用来研究声音产生的“稳定状态”,换句话说就是音符响起的那一刻。音符从发作开始,或多或少地消失或突然消失。铃声响起时,可以用各种效果来丰富音符,例如颤音(音符的频率和幅度会快速变化一些)。因此,尽管铜管和簧片乐器的稳定声音(稳态)在今天是众所周知的,但它们的瞬变却不为人所知。

瞬态在音乐表达中起着主要作用,但是不能使用我们已经描述过的人造嘴来研究它们:通过冻结控制参数,它们使科学家失去了研究的可能性音乐家进行的精细驾驶。因此,有必要开发一种专门用于瞬态研究的设备:可控的人工嘴。

从设备到设定点

这是关于什么的?顾名思义,它是一种经典的人造嘴,配有控制系统,可以发出声音。请记住,伺服控制是一种校正设备,其设计目的是使受控系统按照特定的设定值运行。我们选择的最简单形式之一就是闭环调节。在自动控制中最著名,最受测试的原则之一是,要控制的量作用于闭环内的调节量(在开环控制中,附加的干扰量也起着作用)在调节量上)。

例如,驾驶汽车实质上是在不断纠正其方向,以使其平行于道路中线所定义的路径。因此,车辆必须遵守的指令是保持“平行于道路中线的方向”。为了进行必要的调整,驾驶员会使用其传感器(眼睛)不断地测量汽车转向和中间位置之间的角度,然后从找到的值中推导出所需的角度校正,该校正由驾驶员进行然后使用致动器(他的手)沿汽车方向(要控制的幅度)作用。

在我们感兴趣的情况下,要控制的量是仪器入口处的气压。最简单的方法是调节进入口腔的空气流量。为此,我们使用了电磁阀,这是一种电控执行器,通过机械作用来调节流量。该电磁阀插入人工口和供气装置之间(参见对页中的方框),该调节器从压缩空气源(七根杆)产生较低的压力电磁阀的上游(两个杆)。最后,通过电磁阀的作用,我们获得的压力可与音乐家的嘴中的压力相媲美。就其本身而言,待检查的信号,即在口腔中盛行的压力,是使用置于嘴唇后面的压力传感器连续测量的。

您如何根据测得的供应压力对阀门进行操作?这需要调节器,即能够根据所测量的压力与期望压力(设定点)之间的差确定要提供给电磁阀的命令的装置。至关重要的一步是选择原则。驾驶员在弯道中转向过快会产生偏差,这种危险非常危险,以至于他必须通过相反方向的新偏差来校正它,等等。因此,不良的调节模式可能会在控制中产生危险的不稳定性,这将导致必须乘以正确的校正值,而不能成功地减小与设定值的偏差。仪器演奏家避免了这种不便,这要归功于高性能的伺服控制,他的耳朵和触觉灵敏性,使他可以很好地感知到他的嘴巴和手指上的力度返回。

我们不能假装模仿这样的控制技巧,因此我们选择了一种在工业上广泛使用的算法,该算法已在许多情况下证明了自己:微分积分比例调节器。

该调节器以其首字母缩写pid闻名,它根据与设定值(此处为压力差)相比的误差测量值,结合了三种校正动作:所谓的比例动作(误差乘以增益),积分作用(在一定时间间隔内对误差进行积分)和微分作用(在测量时计算出误差相对于时间的微分)。即使这种调节原理有局限性,也足以再现各种各样的瞬变。

这样,我们就配备了一个由口腔压力控制的测量系统,我们开始探索与音乐家所遇到的情况相对应的各种指令所产生的声音产生。例如,对于录音机,我们强调了声音产生的两个重要特征。我们首先注意到,嘴中压力的逐渐增加与音色的连续变化有关,也就是说,不同频率对每个音符的贡献。

然后,我们可以验证对于特定的压力值,声音会突然发生变化。这些“分叉”对应于音符的诞生或消亡或声音频率的变化。由于它们构成乐器的基本特征,因此它们在乐器的分析中起着至关重要的作用。因此,将所测得的分叉与通过仪器的物理模型预测的分叉进行比较,可以说明为描述其声音产生所进行的建模的质量。

教育收益

然而,伺服控制人工嘴的巨大应用是瞬态状态的研究。为此,我们将模仿音乐家演奏音符然后从一个音符变为另一个音符所需的压力曲线确定为设定点。同样,在这里,瞬态的研究将是一个改进用于描述乐器声音产生的物理模型的机会,现有模型几乎都是在准静态环境中开发的。

受控人工嘴的第三种应用是分析专家音乐家开发的控制其乐器的策略。的确可以尝试用人造嘴来再现伴随着音乐家发出的声音而产生的压力变化。

甚至有可能产生教育影响:例如,它可以用来向单簧管演奏者证明,在某些情况下,可以通过越来越用力地吹入乐器,甚至甚至吹奏乐器,来发出钢琴伴奏声音。向他们表明,如果他们不使用某些技术,那是因为没有习惯,而不是因为要避免使用它们。对于音乐家来说,受控的人造嘴巴既是测试台,又是测试台。

人工嘴也可以被视为迈向机器人音乐家发展的第一步。与ircam的同事一起,我们启动了Consonnes项目,该项目旨在生产能够控制其嘴中的压力和使用其嘴唇的机器人。当我们负责“人工肺”的实现时,ircam的研究人员正在研究伺服唇的实现,其质量,刚度和阻尼可以独立控制。在项目结束时,计划构建两个原型。由于它们在乐器本身上没有机械作用,因此这些机器人并不是要产生音乐,而只是为了详细研究音乐家通过声音中介施加的复杂控制。呼吸和从他的嘴唇。

经过多年的实践,专业音乐家对他的乐器掌握了如此复杂的知识,对于其他音乐家(他的学生)和物理学家来说,分析都变得极为困难。我们正在开发的自动管乐器演奏者的嘴将允许进行这种分析。

的确,直到我们可以指定构成音乐家的特定乐器演奏的那一天之前,管乐器的科学研究才真正取得进展。实际上,在一个糟糕的乐器演奏家的手中,即使是非常好的乐器听起来也很糟糕,而即使是一个糟糕的乐器在一个优秀的乐器演奏家手中也听起来不错!

因此,为了科学地分析在黄铜,木头或长笛上的演奏以在乐器构造和音乐上取得进步,有必要将人的部分与乐器的部分分开。能够以可测量和可再现的方式精细模仿音乐家的行为的机器人是手段。

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