A comparison of a one-dimensional finite element method and the transfer matrix method for the computation of wind music instrument impedance

International audienceThis work presents a computation tool for the calculation of wind instrument input impedance in the context of linear planar wave propagation with visco-thermal losses. The originality of the approach lies in the usage of a specific and simple 1D finite element method (FEM). The popular Transfer Matrix Method (TMM) is also recalled and a seamless formulation is proposed which unifies the cases cylinders vs. cones. Visco-thermal losses, which are natural dissipation in the system, are not exactly taken into account by this method when arbitrary shapes are considered. The introduction of an equivalent radius leads to an approximation that we quantify using the FEM method. The equation actually solved by the TMM in this case is exhibited. The accuracy of the two methods (FEM and TMM) and the associated computation times are assessed and compared. Although the TMM is more efficient in lossless cases and for lossy cylinders, the FEM is shown to be more efficient when targeting a specific precision in the realistic case of a lossy trumpet. Some additional features also exhibit the robustness and flexibility of the FEM over the TMM. All the results of this article are computed using the open-source python toolbox OpenWind

Perceptive study of an optimal trumpet using simulated sounds

International audienceDans le cadre de l'´ etude de la qualité des instruments de musique, nous avons optimisé, ` a partir de simulations sonores par modèle physique, la justesse de trompettes en faisant varier des paramètres géométriques de l'embouchure et de la branche d'embouchure. L'objectif de ce travail est de déterminer, par un test d'´ ecoute des sons simulés, dans quelles mesures les différences entre la géométrie optimale et des géométries courantes sont perceptibles. Trois trompettes d'intérêt sontétudiéessontétudiées : la trompette optimale, la trompette de référence (trompette initiale lors de la procédure d'optimisation), et une trompetté elémentaire (trompette admissible, mais dont la valeur de la justesse est faible). L'expérience perceptive est uné epreuve d'´ ecoute par paires de sons (same-different test) impliquant 32 participants (musiciens ou non). DeuxépreuvesDeuxépreuves sont proposées : l'´ evaluation des différences perceptives entre les 3 instrumentsétudiésinstrumentsétudiés, et l'´ evaluation des différences perceptives entre différents sons du même instrument. Les résultats de chaque participant pour chaque famille de sons sont représentés par la matrice de confusion de l'´ epreuve same-different, de laquelle différents indicateurs de performances issus de la théorie de détection du signal sont extraits. Les conclusions montrent que la trompette optimale et la trompette de référence présentent bien des différences perceptibles, les performances de détection des sujets musiciensétant par ailleurs significativement supérieuressupérieuresà celles des sujets non-musiciens

The Virtual Workshop OpenWinD : a Python Toolbox Assisting Wind Instrument Makers

International audienceOur project develops the software OpenWInD for wind instrument making. A first feature is the prediction of the acoustical response of the instrument from the knowledge of its shape (bore and holes). This can be done in the harmonic (impedance computation) and temporal (sound computation) domains. It can account for various physical situations (non constant temperature, coupling with an embouchure, ...). Discretization is done in space with 1D spectral finite elements and in time with energy consistent finite differences. The second feature is the reconstruction of the shape of an instrument that fulfils a certain objective. This can be used for bore reconstruction, and instrument design. The latter is based on a strong interaction with makers and musicians, aiming at defining interesting design parameters and objective criteria, from their point of view. After a quantitative transcription of these criteria, under the form of a cost function and a design parameter space, we implement various gradient-based optimization techniques. More precisely, we exploit the fact that the sound waves inside the instruments are solution to acoustic equations in pipes, which gives us access to the Full Waveform Inversion technique (FWI) where the gradient is characterized as the solution to another wave equation. The computational framework is flexible (in terms of models, formulations, coupling terms, objective functions...) and offers the possibility to modify the criterion by the user. The goal is to proceed iteratively between the instrument makers and the numerical optimisation tool (OpenWInD) in order to achieve, finally, criteria that are representative for the makers. In the presentation, we will demonstrate and discuss some comparisons between measurements and simulation on real instruments

A multi-modal dance corpus for research into interaction between humans in virtual environments

We present a new, freely available, multimodal corpus for research into, amongst other areas, real-time realistic interaction between humans in online virtual environments. The specific corpus scenario focuses on an online dance class application scenario where students, with avatars driven by whatever 3D capture technology is locally available to them, can learn choreographies with teacher guidance in an online virtual dance studio. As the dance corpus is focused on this scenario, it consists of student/teacher dance choreographies concurrently captured at two different sites using a variety of media modalities, including synchronised audio rigs, multiple cameras, wearable inertial measurement devices and depth sensors. In the corpus, each of the several dancers performs a number of fixed choreographies, which are graded according to a number of specific evaluation criteria. In addition, ground-truth dance choreography annotations are provided. Furthermore, for unsynchronised sensor modalities, the corpus also includes distinctive events for data stream synchronisation. The total duration of the recorded content is 1 h and 40 min for each single sensor, amounting to 55 h of recordings across all sensors. Although the dance corpus is tailored specifically for an online dance class application scenario, the data is free to download and use for any research and development purposes

Optimisation d’un instrument de musique de type cuivre basée sur des simulations sonores par modèle physique

This thesis presents a method for design optimization of brass wind instruments. The shape of a trumpet's bore is optimized to improve intonation or the instrument timbre using a physics-based sound simulation model. This physics-based model consists of an acoustic model of the resonator, a mechanical model of the excitator and a model of the coupling between the excitator and the resonator. The simulation uses the harmonic balance technique to computate sounds in permanent regime, representative of the shape of the resonator according tocontrol parameters of the excitator (virtual musician). Optimization problems are formulated, in which the objective function to be minimized and the constraints define features of the instrument’s quality regarding the different playable notes. The design variables are the physical dimensions of the resonator. Given the computationally expensive function evaluation and the unavailability of gradients, a surrogate-assisted optimization framework is implemented using the mesh adaptive direct search algorithm (MADS). Two examples (with two and five design optimization variables) demonstrate the validity of the approach. Results show that significant improvement of intonation can be robustly achieved at reasonable computational cost. At last, two perceptive studies are carried out in order to confirm, on the one hand, the capacity of the physics based model to elicit differences between the instruments and, on the other hand, the capacity of the optimization method to propose perceptually distinct instruments.Le travail présenté dans cette thèse s’intéresse à l’optimisation de la géométrie interne (la perce) des instruments de musique à vent de la famille des cuivres. L’originalité de l’approche repose sur l’utilisation de simulations sonores par modèle physique pour déterminer la perce optimisant des qualités sonores telles que la justesse ou le timbre de l’instrument. Le modèle physique utilisé, représentant le fonctionnement de l’excitateur, du résonateur et du couplage entre ces deux éléments, permet d’obtenir des sons représentatifs de leur interaction. La méthode de simulation utilisée est l’équilibrage harmonique, qui produit des simulations sonores en régime permanent, représentatives de la perce et des paramètres de contrôle du musicien virtuel. Différents problèmes d’optimisation sont formulés, pour lesquels la fonction objectif à minimiser et les contraintes représentent des attributs de la qualité des notes, la variable d’optimisation étant les dimensions géométriques de la perce. Étant donné les coûts de calcul et l'indisponibilité des dérivées de la fonction objectif, une méthode d’optimisation par recherche directe assistée de métamodèles est choisie (MADS). Deux exemples d'optimisation de la justesse ou du timbre d'une trompette, avec 2 et 5 variables d’optimisation, valident l'approche. Les résultats montrent que la méthode optimise la justesse globale de l’instrument de manière robuste, pour un coût raisonnable. Enfin, deux études perceptives étudient, d’une part, la capacité du modèle physique à produire des sons perceptivement différents entre des instruments différents, et, d’autre part, comment les différences entre un instrument nominal et un instrument optimisé sont perçues

Brass instrument optimization Using Physics-Based Sound Simulations

Le travail présenté dans cette thèse s’intéresse à l’optimisation de la géométrie interne (la perce) des instruments de musique à vent de la famille des cuivres. L’originalité de l’approche repose sur l’utilisation de simulations sonores par modèle physique pour déterminer la perce optimisant des qualités sonores telles que la justesse ou le timbre de l’instrument. Le modèle physique utilisé, représentant le fonctionnement de l’excitateur, du résonateur et du couplage entre ces deux éléments, permet d’obtenir des sons représentatifs de leur interaction. La méthode de simulation utilisée est l’équilibrage harmonique, qui produit des simulations sonores en régime permanent, représentatives de la perce et des paramètres de contrôle du musicien virtuel. Différents problèmes d’optimisation sont formulés, pour lesquels la fonction objectif à minimiser et les contraintes représentent des attributs de la qualité des notes, la variable d’optimisation étant les dimensions géométriques de la perce. Étant donné les coûts de calcul et l'indisponibilité des dérivées de la fonction objectif, une méthode d’optimisation par recherche directe assistée de métamodèles est choisie (MADS). Deux exemples d'optimisation de la justesse ou du timbre d'une trompette, avec 2 et 5 variables d’optimisation, valident l'approche. Les résultats montrent que la méthode optimise la justesse globale de l’instrument de manière robuste, pour un coût raisonnable. Enfin, deux études perceptives étudient, d’une part, la capacité du modèle physique à produire des sons perceptivement différents entre des instruments différents, et, d’autre part, comment les différences entre un instrument nominal et un instrument optimisé sont perçues.This thesis presents a method for design optimization of brass wind instruments. The shape of a trumpet's bore is optimized to improve intonation or the instrument timbre using a physics-based sound simulation model. This physics-based model consists of an acoustic model of the resonator, a mechanical model of the excitator and a model of the coupling between the excitator and the resonator. The simulation uses the harmonic balance technique to computate sounds in permanent regime, representative of the shape of the resonator according tocontrol parameters of the excitator (virtual musician). Optimization problems are formulated, in which the objective function to be minimized and the constraints define features of the instrument’s quality regarding the different playable notes. The design variables are the physical dimensions of the resonator. Given the computationally expensive function evaluation and the unavailability of gradients, a surrogate-assisted optimization framework is implemented using the mesh adaptive direct search algorithm (MADS). Two examples (with two and five design optimization variables) demonstrate the validity of the approach. Results show that significant improvement of intonation can be robustly achieved at reasonable computational cost. At last, two perceptive studies are carried out in order to confirm, on the one hand, the capacity of the physics based model to elicit differences between the instruments and, on the other hand, the capacity of the optimization method to propose perceptually distinct instruments

L’atelier virtuel : vers une conception optimale d’instruments à vent évolutive à destination des facteurs

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Simulation de l’impédance d’entrée de cuivres par éléments finis à une dimension. Comparaison avec les matrices de transfert.

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