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Rapport Ircam 1/78, 1978
Copyright © Ircam - Centre Georges-Pompidou 1998
(1) Des comptes rendus détaillés de ces programmes sont disponibles à l'Ircam.
C'est cette possibilité d'un contrôle aussi intime et à des intervalles de temps aussi reserrés qui
permet de synthétiser par ordinateur des sons d'une grande complexité, notamment en ce qui
concerne l'évolution temporelle de leurs spectres. Une grande partie de la recherche à l'IRCAM
pendant l'année écoulée a été consacrée à faciliter l'accès des compositeurs à cet outil.
La recherche sur la synthèse digitale du son a été menée sous trois aspects différents :
Cette version de MUSIC V est en grande partie l'oeuvre de John Gardner. Elle représente une
extension de MUSIC V dans les domaines suivants :
Trois compositeurs ont utilisé ce système de synthèse de son pour des compositions faites à
l'IRCAM en 1977 :
En plus de ce système, un certain nombre de programmes d'analyse et de transformation du son
ont été mis en oeuvre, plusieurs d'entre eux provenant du "Computer Music Group" de "Stanford
Artificial Intelligence Laboratories"
Finalement l'IRCAM a terminé les plans de nouveaux circuits pour la conversion
analogique/digitale et digitale/analogique avec 16 bits de précision qui seront construits dans le
courant du printemps 1978 et installés ensuite sur tous les ordinateurs de l'IRCAM.
Pour donner des possibilités plus rapides et plus puissantes, H.G. Alles et G. Di Giugno ont
développé un autre système (4B) qui est aussi utilisé à l'IRCAM. Ce système comporte 64
oscillateurs de modulation de fréquence et 15 registres accumulateurs qui permettent
l'interconnection des oscillateurs. Il est directement relié à un micro-ordinateur LSI-11 de Digital
Equipement Corporation. Les paramètres de contrôle du synthétiseur apparaissent tous dans la
mémoire du LSI-11. La fréquence des oscillateurs et les valeurs d'amplitude sont générées par
des générateurs de rampes qui calculent des valeurs à un taux de 4 KHz.
G. Di Giugno a commencé récemment la construction d'un prototype plus avancé (4C) qui sera
prêt en mai 1978. Le système comporte 64 horloges et des interconnections plus versatiles et
sophistiquées. Les générateurs d'enveloppe opèrent à un taux d'échantillonnage de 16 KHz et
offriront en plus une mise en échelle continue en temps et en amplitude des fonctions de
l'enveloppe. Les systèmes 4A, 4B et 4C peuvent être utilisés comme des générateurs de son en
temps réel ou, par exemple, pour rendre plus rapides des programmes de musique
généraux : dans ce cas, les échantillons produits par le synthétiseur peuvent être renvoyés
dans l'ordinateur à usage général pour un traitement supplémentaire.
L'outil le plus important mis au point l'an passé consiste en un groupe de programmes
informatiques appelés ESQUISSES qui ont été conçus par David Wessel et écrits par Bennett
Smith. On trouvera en annexe 1 un schéma décrivant la structure générale de ESQUISSES.
Supposons qu'un compositeur ait réuni un matériau sonore relativement important pour une
oeuvre sur laquelle il travaillle et qu'il désire en savoir plus sur les possibilités de relations existant
entre les divers éléments de ce matériau. Il introduit chaque élément dans l'ordinateur (soit par
enregistrement digital, soit par synthèse directe). Puis il décide sous quel aspect il désire examiner son matériau et appelle un programme qui lui présente toutes les paires
possibles d'éléments en lui demandant d'évaluer la différence entre les membres de chaque paire
suivant cet aspect. En général ces aspects seront des idées complexes dont le compositeur ne
connaît pas les corrélats physiques -- par exemple l'agressivité, l'opacité, le poids, la
prédominance de sons avec ou sans hauteur. Après avoir demandé ces évaluations le
programme prépare une liste des dissimilarités entre chaque élément et tous les autres sous
chaque aspect étudié.
Ces listes sont envoyées aux deux programmes standard d'analyse multi-dimensionnelle, KYST
et HICLUST. KYST recherche la meilleure représentation bi-dimensionnelle d'une telle liste de
dissimilarités. Cela veut dire qu'il recherche la meilleure façon de représenter les différences
perçues (par exemple a et b sont très dissemblables, b et c modérément dissemblables, c et a
très semblables) par des distances géométriques, construisant de la sorte une carte de l'espace
perceptuel dans lequel ces sons sont situés pour ce qui est de cet aspect particulier.
D'un autre côté HICLUST s'efforce d'analyser à quel degré les traits perceptifs sont partagés
entre les éléments. (Si l'on se réfère à l'exemple du dernier paragraphe, l'on conclura que a et c
ont plusieurs traits en commun ; b et c en ont beaucoup moins et que a et b n'ont
virtuellement rien en commun).
L'utilisateur a immédiatement accès à des représentations graphiques de ces deux analyses sur
l'écran de son terminal. Il est possible d'affecter à chaque élément sonore une touche du terminal,
de sorte que l'utilisateur peut les jouer à volonté et explorer en détail les représentations
perceptuelles qui se dégagent de ces analyses.
Finalement si l'utilisateur a exploré son matériau sous plus d'un aspect, il peut recevoir une
évaluation d'ensemble d'un espace perceptuel complexe en envoyant les matrices de dissimilarité
au programme INDSCAL, qui détermine le nombre de dimensions nécessaires à une bonne
représentation du matériau. ESQUISSES présente alors des représentations bi-dimensionnelles
de chacune des dimensions importantes par rapport à toutes les autres. Contrairement à KYST,
INDSCAL indique une orientation unique des axes de la représentation en montrant également
l'importance relative de chaque dimension.
ESQUISSES peut être utilisé aussi bien par des psychoacousticiens que par des compositeurs.
Pour le scientifique le programme offre évidemment une façon commode et rapide de réunir des
données tout en offrant à des sujets la possibilité d'interagir avec le matériau qui leur est
présenté. Toutefois l'intérêt réel de ce type de programme réside dans l'interprétation des
analyses, dans la découverte de la nature réelle de l'ordre latent dans les représentations
graphiques. Le scientifique s'efforcera de trouver une explication aussi objective que possible en
comparant par exemple l'ordre perceptuel à la structure physique des sons. Ainsi lorsque ce
programme est utilisé pour tester la perception du timbre, la représentation bi-dimensionnelle des
résultats peut être interprétée grâce à l'introduction d'un axe vertical qui correspond à
l'emplacement de la plus grande énergie spectrale (que ce soit dans les basses ou les hautes
fréquences) et un axe horizontal qui correspond au synchronisme ou au non-synchronisme des
attaques des divers partiels d'un son.
Par contre, le compositeur est beaucoup plus libre dans son utilisation de ESQUISSES parce que
son interprétation de l'ordre inhérent à sa perception n'a pas à être "objective" ; il peut
choisir d'interpréter les représentations conformément à la vision musicale du matériau qui lui parait la plus cohérente. Si le compositeur
veut ajuster les éléments de son matériau, ou encore en construire d'autres qui servent de liaison
entre les points déjà connus de l'espace perceptuel, ESQUISSES peut l'aider en lui permettant de
comparer des éléments nouvellement synthétisés à d'autres déjà connus jusqu'à ce qu'il obtienne
les résultats désirés.
Nous nous sommes étendus longuement sur ce projet car ESQUISSES paraît constituer un
paradigme important du travail futur à l'IRCAM. C'est un programme qui peut rendre service à la
fois aux musiciens et aux scientifiques ; il a été conçu par un scientifique qui est également
musicien et la forme finale du projet est le résultat d'une longue évolution à partir d'une première
idée, celle d'un programme de tests automatisés -- évolution qui est due en grande partie à
l'influence des musiciens de l'IRCAM et à leurs exigences. Nous espérons que ce modèle
s'avérera utile pour d'autres projets.
Outre ce grand projet de recherche, l'IRCAM a organise un Symposium sur la Psychoacoustique
Musicale du 11 au 13 juillet 1977 en coordination avec le 9e
Congrès International des Acousticiens tenu à Madrid à la même époque.
Plus de deux cents personnes ont participé au Symposium qui a comporté cinquante-cinq
communications. L'IRCAM a pris note avec intérêt aussi bien du grand nombre de chercheurs
travaillant dans le domaine de la psychoacoustique spécifiquement musicale que de la qualité
générale de leur travail.
Le premier comporte une étude des sons multiphoniques des instruments à vent. Les sons
multiphoniques sont ces sons complexes et quelque peu "sales" qui naissent facilement si l'on
s'écarte des doigtés et des embouchures standard . Depuis un certain temps les compositeurs
s'intéressent à l'exploration de ces sons qui représentent une rupture par rapport au vocabulaire
habituel, en particulier pour les bois. Il existe une grande variété de multiphoniques qui vont d'une
simple coloration des notes de l'échelle chromatique jusqu'à des sons extrêmement denses et
complexes. En même temps il n'existe pas d'explication claire et systématique de la production de
ces sons, ce qui veut dire que même si le compositeur entend clairement dans son imagination
celui qu'il désire, il ne peut ni le noter ni décrire à l'instrumentiste la façon de le produire (à moins
qu'il ne joue lui-même de l'instrument en question), ni être sûr en fait qu'un instrument donné peut
fournir le son qu'il recherche.
L'IRCAM a enregistré un catalogue de sons multiphoniques joués et par des bois et par des
cuivres. A l'aide de certains outils psychoacoustiques disponibles dans le programme
ESQUISSES déjà décrit, on a demandé à divers sujets de classer ce matériau selon des critères
comme la densité ou la possibilité de percevoir une ou plusieurs hauteurs clairement
différenciées. Il reste maintenant à comparer ce que l'on connaît de l'acoustique des sons
multiphoniques et de leur production avec les structures que l'oreille perçoit dans l'espoir que ces structures perceptuelles permettront de développer un schéma pour
classer et noter les sons. Ce projet est mené en coopération avec le Laboratoire d'Acoustique de
l'Université de Paris VI et le Professeur Émile Leipp.
Le second projet déjà engagé consiste en une étude des capteurs électriques adaptés aux
instruments de musique. Il arrive fréquemment dans la musique contemporaine que l'on désire
utiliser ce qu'un instrument est en train de jouer soit comme matériau brut à transformer soit
comme moyen de contrôler certains processus. Bien qu'il existe de très bons microphones pour
capter la transmission aérienne du son, ces microphones sont mal adaptés aux tâches que nous
venons de mentionner, car il est virtuellement impossible d'éviter de capter en même temps le son
des autres instruments ; ou alors il faut s'approcher si près de l'instrument que le son obtenu
est nettement déformé. La solution traditionnelle de ce problème a été jusqu'ici le microphone de
contact qui reçoit son signal par contact physique avec l'instrument. Toutefois la qualité des
microphones de contact disponibles dans le commerce est généralement médiocre et souvent
inadaptée à des travaux sérieux. Le but de cette étude est de proposer des directives pour la
construction d'une série de microphones de contact de très haute qualité. Ce travail a commencé
peu avant la fin de 1977 et a consisté principalement à développer des techniques de mesures
adaptées au projet. Des mesures très complètes ont notamment été menées en ce qui concerne
la flûte.
Théoriquement la courbe de réverbération à l'intérieur d'un espace représente une décroissance
exponentielle de l'énergie du son due à son absorption par les parois de l'espace. Si l'espace
répondait uniformément à l'énergie sonore qui y est introduite, la courbe de réverbération serait
une simple courbe exponentielle. Toutefois, les espaces physiques, comme les objets physiques,
se comportent très rarement d'une façon aussi régulière et la description précise d'un espace
donné a toute chance d'être très complexe. On peut cependant calculer une très bonne
approximation des réponses en se fondant sur le modèle mathématique de plusieurs modes de
réponses couplés dont chacun contribue plus ou moins indépendamment au temps de
réverbération total, certains ayant une décroissance plus ou moins longue.
Le temps de réverbération d'un espace est normalement défini comme le temps nécessaire pour
que l'intensité d'un signal acoustique diminue de 60 dB. Cette mesure est difficile à faire si le
signal maximum n'est pas supérieur de 60 dB au niveau de bruit ambiant, ce qui est fréquemment
le cas à l'extérieur
d'un laboratoire. En outre la simple mesure du temps de réverbération est moins utile que la
capacité de définir mathématiquement les composantes les plus importantes qui entrent en jeu.
L'algorithme développé par Peutz calcule la décroissance et la force relative des trois
composantes qui contribuent le plus à la courbe de décroissance. L'algorithme donne une
composante de longue durée, une autre de durée moyenne et une troisième de durée brève pour
l'ensemble de bandes de fréquences spécifiées par l'utilisateur. Si la courbe de réverbération peut
être définie par moins de trois composantes, le programme en informe l'utilisateur. Ces données
permettent une bonne reconstruction mathématique de la courbe de décroissance, reconstruction
qui fournit à son tour une grande quantité d'informations supplémentaires tel le temps nécessaire
pour remplir acoustiquement l'espace, ou les temps de réverbération fondés sur différentes
parties de la courbe.
Ce programme de mesure développé par Victor Peutz dans ses laboratoires de Nimègue en
Hollande a été installé à l'IRCAM et sera utilisé pour les études acoustiques de l'Espace de
Projection.
Le travail se poursuivra sur le système IRCAM de synthèse du son destiné aux ordinateurs à
usage général. En particulier le système IRCAM sera proposé à tous ceux qu'il peut intéresser et
pourra être utilisé sur n'importe quel mini-ordinateur possédant une quantité minimum de mémoire
centrale et de facilités de conversion numérique-analogique. De la même façon ESQUISSES sera
également adapté pour l'utilisation sur mini-ordinateur en 1978. Grâce à ces deux systèmes, un
outil potentiellement très riche pourra être mis à la disposition d'un grand nombre de compositeurs
intéressés.
La construction du synthétiseur digital sera poursuivie. Seront construites prochainement une
série d'unités de réverbération et de filtres qui permettront à la fois de réverbérer et de filtrer des
entrées instrumentales ou synthétisées en temps réel. Plusieurs problèmes conceptuels relatifs à
la construction d'un synthétiseur digital portable sont déjà résolus. Il reste maintenant à explorer
deux domaines importants :
Un projet à long terme sur l'investigation des sons à spectres non harmoniques a déjà démarré.
Ce projet revêt un grand intérêt à cause de l'influence évidente et inéluctable de la structure des
sons sur le type de hiérarchie et de relations qui peuvent exister entre ces sons. Les octaves, les
quintes et les tierces sont évidemment des intervalles privilégiés lorsqu'ils sont joués par des
instruments qui ont des spectres harmoniques, c'est-à-dire des spectres dans lesquels les
fréquences des partiels sont des multiples entiers de la fondamentale et où ces intervalles sont
contenus à l'intérieur des spectres. Joués par des cloches d'église qui ont des spectres non
harmoniques, ces octaves, quintes et tierces perdent leurs caractéristiques spéciales. Pour des
instruments sans hauteur comme les cymbales ou les tambours, l'idée même d'intervalle est vide
de signification.
Pour la synthèse et la transformation du son il sera très important de chercher si des relations
hiérarchiques ayant une validité générale peuvent être établies entre des sons à spectres non
harmoniques. Si tel est le cas, cela entraînera une avance significative dans le contrôle de la
synthèse du son et cela permettra la généralisation de structures -- comme les échelles -- à des
objets musicaux qui jusqu'à présent ont paru résister à cette mise en ordre.
Un autre domaine de recherche qui continuera à occuper une place centrale à l'IRCAM est
l'acoustique des salles. l'Espace de Projection offre un outil unique pour les études acoustiques et
la série de tests complexes destinés à déterminer la performance de base de cet espace
constituera en elle-même le premier projet de recherche mené dans cette salle. Un autre projet de
recherche utilisera le fait qu'il est possible d'obtenir un changement régulier aussi bien de la
quantité d'absorption que du volume de la salle pour étudier avec précision la dépendance du
temps de réverbération par rapport à l'absorption, et en particulier pour valider ou invalider les
deux règles classiques et apparemment contradictoires de cette dépendance, celle de Sabine et
celle de Eyring.
La recherche future ne se limitera pas strictement aux moyens acoustiques mais se dirigera
également avec beaucoup de netteté vers la simulation et le le "modelage" d'espaces sonores.
Cette simulation n'intéresse pas seulement les architectes construisant de nouveaux bâtiments et
de nouvelles salles, mais aussi les compositeurs qui souhaitent incorporer dans leurs oeuvres une
dimension spatiale en tant qu'élément contrôlable.
Mais l'Espace de Projection n'est pas uniquement un espace de recherche, c'est aussi une petite
salle de concert qui offrira un champ riche et flexible pour la présentation expérimentale de la
musique. Une partie importante de la recherche à l'IRCAM dans les années à venir prendra place
dans cette salle et permettra d'étudier de nouvelles relations entre compositeur et musicien,
compositeur et scientifique, compositeur et public. Une confrontation permanente de musique, de
théâtre et de science aura lieu dans cet espace où la réflexion artistique qui est la raison d'être de
l'IRCAM trouvera son expression musicale concrète.
Gerald Bennett, Paris - janvier 1978
La recherche à l'IRCAM en 1977
La recherche à l'IRCAM en 1977 a porté essentiellement sur la synthèse du son par des
techniques digitales. Ce choix se fonde sur de bonnes raisons. Dès les débuts de la musique
électronique il y a environ trente ans, les compositeurs se sont efforcés d'obtenir un contrôle de la
structure interne du son, afin de composer les sons eux-mêmes au lieu de se contenter de
composer avec les sons. Ils ont cru tout d'abord que l'utilisation d'instruments électroniques pour
produire et transformer le son allait permettre ce contrôle ; toutefois il est bientôt devenu
évident que les sons produits soit par des dispositifs de mesure comme les générateurs de sons,
soit par des dispositifs de commande par tension comme ceux des synthétiseurs n'arrivaient pas
à la cheville -- en ce qui concerne la complexité ou la subtilité -- des sons instrumentaux ou
naturels les plus simples. On pouvait certes se servir de ces catégories de sons pour écrire de la
musique, mais les compositeurs sentaient le besoin d'outils plus raffinés et différenciés.
L'ordinateur constitue l'un de ces outils. Sa rapidité et sa précision en font un outil d'analyse du
son incomparable puisqu'il est capable d'échantillonner un signal plus de 30 000 fois par seconde.
Après avoir analysé un signal, on peut partir des nombres qui représentent les résultats de
l'analyse et resynthétiser ainsi le signal. En utilisant d'autres nombres on peut synthétiser des
sons complètement neufs.
Synthèse digitale sur ordinateurs à usage général
L'IRCAM a consacré beaucoup d'énergie en 1977 à développer et étendre le programme de
synthèse du son MUSIC V mis au point aux Laboratoires Bell par Max Mathews et d'autres.
Cette extension de MUSIC V est mise en oeuvre sur un système PDP 10 de la Digital
Equipment Corporation. Ce système comprend 192 000 mots de mémoire centrale, environ 30
millions de mots de mémoire sur disque et peut être utilisé en même temps par seize personnes
maximum.
Synthèse digitale sur des appareils spécifiques
La synthèse digitale sur ordinateurs à usage général est un outil très riche pour les compositeurs
mais qui a le désavantage de prendre un temps considérable. Pour obtenir la synthèse digitale en
temps réel, Giuseppe di Giugno, en 1976, a dessiné et construit un système (4A) qui est
maintenant utilisé à l'IRCAM. Ce système comporte 256 oscillateurs, 256 modulateurs d'amplitude
et il peut engendrer n'importe quelle forme d'onde. La fréquence, l'amplitude et la phase sont
contrôlées par un mini-ordinateur PDP11/40. On peut utiliser simultanément quatre formes
d'ondes, chacune définie sur 4000 mots. La phase des oscillateurs est calculée par un
accumulateur de 24 bits qui donne une résolution de fréquence d'environ 0,002 Hz. La phase est
utilisée pour adresser la table de forme d'ondes. La sortie de cette table de 14 bits est multipliée
par une fonction d'amplitude de 12 bits ; 24 bits du produit sont retenus.
Études psychoacoustiques pour faciliter la synthèse
La synthèse digitale requiert de grandes quantités d'informations explicites sur la nature physique
du son désiré. Or les compositeurs possèdent de grandes quantités d'informations implicites sur
des sons à la fois réels et imaginés, mais leurs connaissances ne sont pas habituellement
formulées d'une façon directement utilisable pour la synthèse. L'un des principaux efforts de
recherche entrepris à l'IRCAM en 1977 a consisté à développer un outil qui permette aux
compositeurs de faire un usage plus direct de leurs connaissances musicales pour la synthèse du
son.
Études instrumentales et vocales
Un autre aspect important du travail de l'IRCAM concerne la recherche dans les domaines de
l'instrument et de la voix. Pour une part importante, ce travail a dû attendre la finition des studios
de l'IRCAM en août 1977. Néanmoins deux projets ont démarré en 1977 et se poursuivront
pendant une autre année en tout cas.
Études sur l'acoustique des salles
Un autre champ de recherches exploré en 1977 a été l'acoustique des salles. Il est clair que
l'Espace de Projection de l'IRCAM sera un outil expérimental d'une grande importance pour les
études acoustiques. Les premières études démarreront en 1978 et seront menées par Victor
Peutz, consultant acoustique du bâtiment IRCAM et responsable de l'acoustique de l'Espace de
Projection. Pendant l'année écoulée Peutz a préparé les programmes de mesure qui seront
utilisés dans l'Espace de Projection. L'un de ces programmes utilise un nouvel algorithme
développé par Peutz pour la détermination du temps de réverbération.
Résumés des projets pour 1978/1979
Le travail futur de l'IRCAM continuera selon les axes qui viennent d'être définis et deviendra au fur
et à mesure à la fois plus complexe et plus général, offrant des applications utiles à la
communauté musicale et à la communauté scientifique. Voici, rapidement esquissés les projets
déjà entrepris en 1978 et qui seront poursuivis en 1978.
Annexes
Annexe I
Organigramme du programme ESQUISSES
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Le compositeur choisit un ensemble d'éléments sonores qu'il peut jouer individuellement en appuyant sur des touches (programme KEYS) |
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Toutes les paires de sons lui sont présentées. Les jugements de dissimilarité sont recueillis | |
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Les dissimilarités sont utilisées pour donner une représentation spatiale des sons (KYST -- analyse multidimensionnelle) |
Les dissimilarités sont utilisées pour produire une représentation en arbre (HICLUST -- analyse ultra-métrique) |
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Le compositeur interprète la structure spatiale ou/et en arbre à l'aide du programme KEYS permettant de jouer un son quelconque dans l'ordre voulu |
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Les représentations sont utilisées en connexion avec des programmes de synthèse pour guider la construction de configurations sonores |
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