Introduction a Matlab

Documents pareils
Chapitre 2 Les ondes progressives périodiques

Communication parlée L2F01 TD 7 Phonétique acoustique (1) Jiayin GAO <jiayin.gao@univ-paris3.fr> 20 mars 2014

Projet audio. Analyse des Signaux ELE2700

LABO PROJET : IMPLEMENTATION D UN MODEM ADSL SOUS MATLAB

21 mars Simulations et Méthodes de Monte Carlo. DADI Charles-Abner. Objectifs et intérêt de ce T.E.R. Générer l'aléatoire.

Son et Mathématiques

PRODUIRE DES SIGNAUX 1 : LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES, SUPPORT DE CHOIX POUR TRANSMETTRE DES INFORMATIONS

DIPLÔME INTERUNIVERSITAIRE D ECHOGRAPHIE. Examen du Tronc Commun sous forme de QCM. Janvier h à 16 h

TRAVAUX PRATIQUES SCIENTIFIQUES SUR SYSTÈME

ACOUSTIQUE 3 : ACOUSTIQUE MUSICALE ET PHYSIQUE DES SONS

Intérêt du découpage en sous-bandes pour l analyse spectrale

Enregistrement et transformation du son. S. Natkin Novembre 2001

Didier Pietquin. Timbre et fréquence : fondamentale et harmoniques

Scanner acoustique NoiseScanner

INTRODUCTION A L ELECTRONIQUE NUMERIQUE ECHANTILLONNAGE ET QUANTIFICATION I. ARCHITECTURE DE L ELECRONIQUE NUMERIQUE

V corr Jacques Ferber. LIRMM - Université Montpellier II 161 rue Ada Montpellier Cedex 5

LABO 5 ET 6 TRAITEMENT DE SIGNAL SOUS SIMULINK

Algorithmes pour la planification de mouvements en robotique non-holonome

10ème Congrès Français d'acoustique Lyon, Avril 2010

M1107 : Initiation à la mesure du signal. T_MesSig

Dan Istrate. Directeur de thèse : Eric Castelli Co-Directeur : Laurent Besacier

LES DIFFÉRENTS FORMATS AUDIO NUMÉRIQUES

LA PHYSIQUE DES MATERIAUX. Chapitre 1 LES RESEAUX DIRECT ET RECIPROQUE

Expérience 3 Formats de signalisation binaire

Analyse des bruits de clavier d ordinateur

Exercices d application

Chapitre 13 Numérisation de l information

Caractéristiques des ondes

SIMULATION HYBRIDE EN TEMPOREL D UNE CHAMBRE REVERBERANTE

Anciens plug-ins d effets VST

TubeOhm. ALPHA-RAY synthétiseur virtuel analogique. Manuel de l utilisateur V 1.0

Filtres passe-bas. On utilise les filtres passe-bas pour réduire l amplitude des composantes de fréquences supérieures à la celle de la coupure.

Chaine de transmission

Traitement bas-niveau

Calcul des indicateurs de sonie : revue des algorithmes et implémentation

Cours. Un premier pas en traitement du signal

Repérage de l artillerie par le son.

Sea Tech Week Brest - Mercredi 10 octobre Quartz salle 1


BACCALAURÉAT PROFESSIONNEL EPREUVE DE TRAVAUX PRATIQUES DE SCIENCES PHYSIQUES SUJET A.1

P2: Perception auditive

Chapitre I La fonction transmission

ETUDE D IMPACT ACOUSTIQUE

Statistique : Résumé de cours et méthodes

Le concept cellulaire

Sons et ultrasons applications: échographie et doppler PACES

MATHS FINANCIERES. Projet OMEGA

Dynamique des protéines, simulation moléculaire et physique statistique

Plan du cours : électricité 1

Chapitre 2 Caractéristiques des ondes

PHYSIQUE 2 - Épreuve écrite

Cours d Acoustique. Niveaux Sonores Puissance, Pression, Intensité

TS 35 Numériser. Activité introductive - Exercice et démarche expérimentale en fin d activité Notions et contenus du programme de Terminale S

Présentation du programme. de physique-chimie. de Terminale S. applicable en septembre 2012

Chapitre 5 Émetteurs et récepteurs sonores

TP Modulation Démodulation BPSK

Séquence 1. Sons et musique. Sommaire

Amphi 3: Espaces complets - Applications linéaires continues

Sujet proposé par Yves M. LEROY. Cet examen se compose d un exercice et de deux problèmes. Ces trois parties sont indépendantes.

Chapitre 2 : Techniques de transmission

Traitement du signal avec Scilab : la transformée de Fourier discrète

ANALYSE NUMERIQUE ET OPTIMISATION. Une introduction à la modélisation mathématique et à la simulation numérique

SUJET ZÉRO Epreuve d'informatique et modélisation de systèmes physiques

Numérisation du signal

CHAPITRE IV Oscillations libres des systèmes à plusieurs degrés de liberté

Cours C6 : Vibrations non linéaires

Simulation de Réseaux Ferroviaires

INTERPRÉTATION ET ANOMALIES DE LA PROSPECTION À RÉSONANCE MAGNÉTIQUE (MRS)

Contributions à l expérimentation sur les systèmes distribués de grande taille

CHAPITRE V. Théorie de l échantillonnage et de la quantification

ÉVALUATION FORMATIVE. On considère le circuit électrique RC représenté ci-dessous où R et C sont des constantes strictement positives.

Eléments de Théorie des Graphes et Programmation Linéaire

ASSISTANCE TECHNIQUE INTERACTIVE TC

Comment réaliser physiquement un ordinateur quantique. Yves LEROYER

Analyses psychoacoustiques dans ArtemiS SUITE

Partie Agir : Défis du XXI ème siècle CHAP 20-ACT EXP Convertisseur Analogique Numérique (CAN)

MESURES de BRUIT. Chantier A63 Rechargement

EMETTEUR ULB. Architectures & circuits. Ecole ULB GDRO ESISAR - Valence 23-27/10/2006. David MARCHALAND STMicroelectronics 26/10/2006

PHYSIQUE-CHIMIE. Partie I - Spectrophotomètre à réseau

Exemple d acquisition automatique de mesures sur une maquette de contrôle actif de vibrations

Compression et Transmission des Signaux. Samson LASAULCE Laboratoire des Signaux et Systèmes, Gif/Yvette

Les Contrôles Non Destructifs

Mesures de temps de propagation de groupe sur convertisseurs de fréquence sans accès aux OL

TABLE DES MATIÈRES 1. DÉMARRER ISIS 2 2. SAISIE D UN SCHÉMA 3 & ' " ( ) '*+ ", ##) # " -. /0 " 1 2 " 3. SIMULATION 7 " - 4.

Année Transmission des données. Nicolas Baudru mél : nicolas.baudru@esil.univmed.fr page web : nicolas.baudru.perso.esil.univmed.

Téléinformatique. Chapitre V : La couche liaison de données dans Internet. ESEN Université De La Manouba

Chapitre 3. Les distributions à deux variables

Les parcours S4 traditionnels : Robotique, Radio Communication Numérique, Traitement de l information. Informatique Industrielle

Technique de codage des formes d'ondes

Production de documents audio-numériques

Baccalauréat technique de la musique et de la danse Métropole septembre 2008

Projet de Traitement du Signal Segmentation d images SAR

Transmission d informations sur le réseau électrique

TD1 Signaux, énergie et puissance, signaux aléatoires

Annexe commune aux séries ES, L et S : boîtes et quantiles

La structure du mobile GSM

Signalisation, codage, contrôle d'erreurs

M u r s e n m a ç o n n e r i e

Cf Audio vous propose : LA SURVEILLANCE ACOUSTIQUE DES CHANTIERS

Transcription:

Introduction a Matlab ACOUSTIQUE - Modélisation rudimentaire d un Xylophone Matthieu Aussal Centre de Mathématiques Appliquées de l École Polytechnique Route de Saclay - 91128 Palaiseau CEDEX France matthieu.aussal@polytechnique.edu ENSTA - MO102 2016-2017

Objectif du projet Programmer un Xylophone en Matlab.

Compétences numériques à acquérir Gestion de maillages bi-dimensionnels Méthodes des différences finies pour le Laplacien Résolution d un problème aux valeurs propres Synthèse sonore Création d interface graphique "clic and play" Optimisation des temps de calcul Mais surtout une grande autonomie, de la modélisation vers la programmation (vectorielle)!

Plan d attaque 1 Introduction 2 Modélisation et mise en équation 3 Implémentation numérique 4 Pour aller plus loin à compléter avec 3 outils fondamentaux : La documentation de Matlab (commande "help" ou "doc") Wikipedia De la patience...

Vers un problème aux valeurs propres Propagation d une onde d amplitude u sur une surface rectangulaire Ω, avec Γ le bord, c la vitesse du son dans la lame, t le temps et le laplacien surfacique : 1 c 2 t2 u u = 0 (1) u Γ = 0 ou n u Γ = 0 u(t = 0) = u 0 ou t u(t = 0) = v 0 Solutions particulières "oscillantes" : u(x, y, t) = (A cos(ωt) + B sin(ωt))ψ(x, y) (2) Nouvelle équation aux valeurs propres, avec k = ω c : Ψ(x, y) = k 2 Ψ(x, y) (3) Ψ Γ = 0 ou n Ψ Γ = 0

Résolution Les solutions (ω n, Ψ n ) de l équation aux valeurs propres forment une base telle que : u(x, y, t) = (A cos(ω n t) + B sin(ω n t))ψ n (x, y) (4) n=1 Détermination des constantes A et B par conditions initiales : u(t = 0) = u 0 A = u 0 et B = 0 (5) ou t u(t = 0) = v 0 A = 0 et B = v 0 ω n

Construction d un maillage par rectangles https ://fr.wikipedia.org/wiki/maillage Table des nœuds : Chaque ligne fournit les 2 coordonnées spatiales d un nœud du maillage. Table des éléments : Chaque ligne fournit les 4 indices des nœuds d un élément du maillage. Table des arrêtes : Chaque ligne fournit les 2 indices des nœuds d une arrête du maillage. Table des bords : Chaque ligne fournit l indice d un nœud de la frontière. PROJET : Construire et afficher un maillage par rectangles d une lame rectangulaire (1m x 0.05m), avec au moins 10 nœuds par longueur d onde, pour une fréquence maximale de 20 khz et une vitesse du son de 1 km/s.

Matrice du Laplacien par Différences Finies https ://fr.wikipedia.org/wiki/difference_finie https ://fr.wikipedia.org/wiki/laplacien_discret Les différences finies permettent la discrétisation numérique d opérateurs différentiels, comme le Laplacien. Utilisation d un schéma centré d ordre 2, tel que pour toute fonction f i,j évaluée aux nœuds x i et y j du maillage : f i,j = f i 1,j 2f i,j + f i+1,j... δx + f i,j 1 2f i,j + f i,j+1, δy avec δ x et δ y les pas de discrétisation en O x et O y. PROJET : Assembler la matrice du Laplacien sur le maillage précédemment obtenu.

Résolution d un problème aux valeurs propres https ://fr.wikipedia.org/wiki/onde_sur_une_corde_vibrante Pour un Xylophone rudimentaire, les conditions de bords sont telles que u est nul en largeur (bord tenu) et n u est nul en longueur (bord libre). Les valeurs propres du système doivent être en nombre finis, réelles et dans le spectre audible (< 20 khz) Les premiers vecteurs propres sont similaires à ceux de la corde vibrante. PROJET : Introduire les conditions aux limites dans la matrice du Laplacien. Calculer puis afficher les premiers modes/valeurs propres sur le maillage de la lame.

Modélisation de la frappe Pour un xylophone rudimentaire, les conditions initiales sont celles de la "corde frappée", c est à dire en vitesse initiale non nulle : v 0 (x, y) = 1 frappe uniforme, ( v 0 (x, y) = e ( x ) 0.5) 2 L σ frappe gaussienne, avec L la longueur de la lame et σ la précision de l impact. PROJET : Calculer puis afficher l amplitude des deux types de frappe sur le maillage de la lame.

Modélisation de forme d onde et synthèse sonore https ://fr.wikipedia.org/wiki/enveloppe_sonore https ://fr.wikipedia.org/wiki/frequence_d echantillonnage Le signal sonore continu produit par le Xylophone numérique se résume à : ( s(t) = < e ( x ) 0.5) 2 L σ Ψ n (x, y) > ωn 1 sin(ω n t) n=1 Exemple empirique de forme d onde d un son percussif : Attack : 20 ms Decay : 5 ms Sustain : 75 ms à -3dB Release : 900 ms en décroissance exponentielle Fréquence d échantillonnage minimale fixée à 44.1 khz PROJET : Afficher le spectre fréquentiel en échelle logarithmique. Représenter la dynamique d une lame de Xylophone au cours du temps. Calculer, afficher puis écouter le signal de sortie.

Xylophone interactif https ://fr.wikipedia.org/wiki/accord_pythagoricien Un xylophone peut-être constitué par une gamme diatonique, par exemple la gamme de Do majeur, soit 8 notes. La longueur des lames varie pour changer de fondamentale, ou encore de valeur propre du Laplacien. Les gammes pythagoriciennes permettent d établir un rapport fréquentiel entre les différentes notes d une gamme. Par la linéarité de notre modèle rudimentaire, ce rapport est identique au rapport entre les différentes tailles des lames. PROJET : En utilisant le modèle de lame précédent, calculer et jouer l ensemble des notes d un xylophone diatonique. Construire une interface graphique pour jouer du Xylophone à la souris et en temps réel.

Pour aller plus loin Prendre en compte la position de la souris lors de la frappe Construire et implémenter un modèle de synthèse sonore pour le tambour Remplacer les bords fixes par des points fixes dans les lames Considérer l équation des poutres (ou bilaplacien) à la place du Laplacien Ajouter du filtrage numérique (égalisation, réverbération, echo, delay...)