Analysis-synthesis of impulsive sounds : physical and perceptual approaches
Analyse-synthèse de sons impulsifs : approches physique et perceptive
Abstract
This PhD thesis concerns the analysis and synthesis of impulsive sounds. The main specificity of this work lies in its pluridisciplinary approach. Notably, this study calls on vibratory mechanics, digital non stationary signal processing and psychoacoustics. To establish efficient synthesis methods, the combination of these complementary approaches have shown to be useful and pertinent. From a physical point of view, an impulsive sound is the result of a freely oscillating resonator excited by an impact. From a perceptual point of view, many psychoacoustic tests have shown that human hearing is able to identify on impulsive sound from its temporal damping (which depends on the characteristic of the material) and from its spectral contents correlated to the pitch (and which indicates the vibrating structure geometry). This work leads to the implementation of efficient synthesis methods using digital waveguide models. They can simulate the vibratory behavior of unidimensional simple structures (like beams) and multidimensional ones (like membranes and thin plates). When it is possible, these models are based on the physical modelling of the structure. The model parameters are estimated from the analysis of natural sounds and from the physical features of the structure. Otherwise, a synthesis model is established in the case of complex multidimensional structures where analytical solutions do not exist. The model's parameters are estimated from the analysis of joint sound representations (like time-scale representations) which is well adapted to the analysis of non stationary signals. Finally, an application of this study concerning the synthesis of piano sounds is described. One of the presented models is used to reproduce the impulse response of the piano soundboard. The models parameters are estimated from the analysis of experimental signals obtained from measurements made on a real piano in an anechoic room. From these measurements, transfer functions of the soundboard and its acoustic radiation are estimated to virtually reproduce the acoustic field at the pianist's head level.
Ce travail de thèse porte sur l'analyse et la synthèse de sons impulsifs. Une des particularités de cette étude réside dans son approche pluridisciplinaire. Elle fait notamment appel à la mécanique vibratoire, aux méthodes de traitement de signaux non stationnaires et à la psychoacoustique. Dans le but d'établir des méthodes de synthèse efficaces, il est de plus en plus courant d'allier plusieurs approches qui peuvent être complémentaires. D'un point de vue physique, un son impulsif est le résultat de la mise en vibration d'un système résonant en régime d'oscillations libres. D'un point de vue perceptif, de nombreux tests psychoacoustiques montrent que l'oreille est capable d'identifier un son impulsif à partir de son amortissement (caractéristique du matériau) ainsi que de son contenu spectral qui définit la hauteur tonale (caractéristique de la géométrie de la structure). Cette étude a débouché sur la mise en oeuvre de modèles de synthèse permettant de simuler le comportement vibratoire de structures simples unidimensionnelles (du type poutre) et multidimensionnelles (du type membrane ou plaque mince) qui sont basés, lorsque cela est possible, sur la modélisation physique de la structure. Les paramètres des modèles sont définis par l'analyse de sons naturels et des grandeurs physiques caractéristiques. Par ailleurs, un modèle de synthèse a pu être mis en uvre dans le cas de structures plus complexes où les solutions analytiques ne sont pas connues. Dans ce cas, les paramètres du modèle sont directement estimés par l'analyse d'une représentation conjointe du son, du type temps-échelle, en prenant en compte des grandeurs perceptives caractéristiques. Enfin, une application concernant la synthèse du son de piano est décrite. Un des modèles de synthèse a été utilisé pour reproduire la réponse impulsionnelle de la table d'harmonie du piano, qui est une structure multidimensionnelle complexe. Les paramètres du modèle ont été estimés à partir de l'analyse de signaux expérimentaux obtenus par des mesures effectuées sur un piano placé en chambre anéchoïque. Dans le cadre de la réalité virtuelle sonore, des fonctions de transfert de la table d'harmonie et de son rayonnement acoustique ont également été estimées afin de reproduire virtuellement le champ acoustique au niveau de la tête d'un pianiste.
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