Afin d'améliorer le processus de classement des poutres en bois à usage structurel, l'objectif de ce travail consiste à imaginer et mettre en œuvre un système de mesure capable d'estimer de manière non destructive et fiable le module d'élasticité longitudinal et la contrainte à la rupture des avivés. Cette problématique inclut la possibilité de détecter et de quantifier le ou les défauts présents dans les pièces de bois. Pour atteindre l'objectif fixé, plusieurs étapes sont nécessaires. Ces différentes étapes sont présentées en détails dans l'ordre logique, et chronologique, pour des raisons de clarté. La première étape expose les modèles classiques, utilisés en analyse modale, en précise les limites de validité, puis établit une nouvelle approche théorique permettant de prendre en compte et de caractériser la présence de singularités dans les poutres en vibrations. La deuxième étape permet d'établir la liaison entre la théorie des vibrations de plaque et celle de poutre. Cette étape précise ainsi la limite de validité des modèles classiques de poutre en vibrations lorsque les dimensions de la section transverse sont différentes, ce qui est généralement le cas des poutres à usage structurel. La troisième partie permet de caractériser dans la gamme de fréquence concernée, par le biais d'une modélisation viscoélastique du comportement dynamique du matériau, l'ensemble des transformations subies par les ondes se propageant dans les poutres en vibrations. La quatrième partie pose le problème de la détection du nombre des singularités et de leur position à partir d'une méthode basée sur l'impact – echo, analysant les réflexions des ondes propagatives à l'interface entre différents milieux. La cinquième et dernière partie permet de juger de l'efficacité de l'ensemble des méthodes non destructives, développées au cours des précédentes étapes, à partir d'essais expérimentaux sur plusieurs lots de bois à usage structurel, quant à l'estimation des valeurs mécaniques de référence par des traitements statistiques appropriés.

Du point de vue acoustique, un train est un ensemble de sources de bruit. Lorsqu'il s'agit de réduire son bruit au passage, une des options possibles est d'agir directement sur ces sources. S'il est possible de prévoir numériquement ou à l'aide de modèles physiques les émissions de nouvelles configurations de sources, l'impact des réductions ainsi obtenues sur le bruit global au passage n'est en général pas connu. C'est pour prévoir cet impact qu'un logiciel de simulation du bruit au passage a été développé : VAMPPASS. Celui-ci permet de calculer les indicateurs acoustiques standards du bruit de passage et de créer les échantillons sonores correspondants. Cette thèse s'est articulée autour de la méthode de synthèse implémentée dans le logiciel, ainsi que sur le modèle de sources qui va l'alimenter et sur la caractérisation de ces sources dites équivalentes à partir de données expérimentales ou numériques. Le premier chapitre brosse un état de l'art des modèles physiques des sources typiques présentes sur un train, des méthodes de synthèse qui ont été employées jusqu'alors et des méthodes de caractérisation existantes du bruit global et des niveaux de sources. Le deuxième chapitre est consacré à la réalisation de VAMPPASS : la méthode de synthèse employée, son adaptation au contexte et les contraintes en terme de données d'entrée. Dans le troisième chapitre, la caractérisation expérimentale des sources équivalentes des auxiliaires de traction est détaillée. La caractérisation du bruit de roulement, source prépondérante, fait l'objet du quatrième chapitre. Enfin, le dernier chapitre présente les études menées pour valider notre outil et un exemple d'utilisation de celui-ci.

Cette thèse porte sur la représentation et la création du son par la synthèse dans le contexte de la composition musicale. Ce sujet s'insère dans la problématique générale de la dualité entre le domaine symbolique de la composition et celui du signal (sonore). Les questions soulevées concernent principalement la structuration (notamment temporelle) des processus compositionnels liés à la synthèse. Notre travail s'appuie sur les principes de la composition assistée par ordinateur (CAO), mettant en avant une démarche interactive du compositeur vis-à-vis des processus de composition réalisés par ordinateur, que nous rapprochons de la notion de modélisation. En particulier, la programmation visuelle devient un moyen pour le compositeur de formaliser et d'exprimer des idées et formes musicales. Cette thèse suggère une conception du son représenté sous forme de programmes unifiant données et processus musicaux, qui permet d'envisager de nouvelles modalités d'écriture pour la composition musicale électroacoustique. Un système intégré à l'environnement de CAO OpenMusic est présenté, permettant aux compositeurs de développer des processus et modèles compositionnels liés à la synthèse sonore.

Un des enjeux actuels de la synthèse sonore est le contrôle perceptif (i.e. à partir d’évocations) des processus de synthèse. En effet, les modèles de synthèse sonore dépendent généralement d’un grand nombre de paramètres de bas niveau dont la manipulation nécessite une expertise des processus génératifs. Disposer de contrôles perceptifs sur un synthétiseur offre cependant beaucoup d’avantages en permettant de générer les sons à partir d’une description du ressenti et en offrant à des utilisateurs non-experts la possibilité de créer et de contrôler des sons intuitivement. Un tel contrôle n’est pas immédiat et se base sur des hypothèses fortes liées à notre perception, notamment la présence de morphologies acoustiques, dénommées ``invariants'', responsables de l’identification d’un évènement sonore.Cette thèse aborde cette problématique en se focalisant sur les invariants liés à l’action responsable de la génération des sons. Elle s’articule suivant deux parties. La première a pour but d’identifier des invariants responsables de la reconnaissance de certaines interactions continues : le frottement, le grattement et le roulement. Le but est de mettre en œuvre un modèle de synthèse temps-réel contrôlable intuitivement et permettant d’effectuer des transitions perceptives continues entre ces différents types d’interactions (e.g. transformer progressivement un son de frottement en un son de roulement). Ce modèle s'inscrira dans le cadre du paradigme ``action-objet'' qui stipule que chaque son résulte d’une action (e.g. gratter) sur un objet (e.g. une plaque en bois). Ce paradigme s’adapte naturellement à une approche de la synthèse par modèle source-filtre, où l’information sur l’objet est contenue dans le ``filtre'', et l’information sur l’action dans la ``source''. Pour ce faire, diverses approches sont abordées : études de modèles physiques, approches phénoménologiques et tests perceptifs sur des sons enregistrés et synthétisés.La seconde partie de la thèse concerne le concept de ``métaphores sonores'' en élargissant la notion d’objet à des textures sonores variées. La question posée est la suivante : étant donnée une texture sonore quelconque, est-il possible de modifier ses propriétés intrinsèques pour qu’elle évoque une interaction particulière comme un frottement ou un roulement par exemple ? Pour créer ces métaphores, un processus de synthèse croisée est utilisé dans lequel la partie ``source'' est basée sur les morphologies sonores des actions précédemment identifiées et la partie ``filtre'' restitue les propriétés de la texture. L’ensemble de ces travaux ainsi que le paradigme choisi offre dès lors de nouvelles perspectives pour la constitution d’un véritable langage des sons. / Perceptual control (i.e. from evocations) of sound synthesis processes is a current challenge. Indeed, sound synthesis models generally involve a lot of low-level control parameters, whose manipulation requires a certain expertise with respect to the sound generation process. Thus, intuitive control of sound generation is interesting for users, and especially non-experts, because they can create and control sounds from evocations. Such a control is not immediate and is based on strong assumptions linked to our perception, and especially the existence of acoustic morphologies, so-called ``invariants'', responsible for the recognition of specific sound events.This thesis tackles the problem by focusing on invariants linked to specific sound generating actions. If follows two main parts. The first is to identify invariants responsible for the recognition of three categories of continuous interactions: rubbing, scratching and rolling. The aim is to develop a real-time sound synthesizer with intuitive controls that enables users to morph continuously between the different interactions (e.g. progressively transform a rubbing sound into a rolling one). The synthesis model will be developed in the framework of the ``action-object'' paradigm which states that sounds can be described as the result of an action (e.g. scratching) on an object (e.g. a wood plate). This paradigm naturally fits the well-known source-filter approach for sound synthesis, where the perceptually relevant information linked to the object is described in the ``filter'' part, and the action-related information is described in the ``source'' part. To derive our generic synthesis model, several approaches are treated: physical models, phenomenological approaches and listening tests with recorded and synthesized sounds.The second part of the thesis deals with the concept of ``sonic metaphors'' by expanding the object notion to various sound textures. The question raised is the following: given any sound texture, is it possible to modify its intrinsic properties such that it evokes a particular interaction, like rolling or rubbing for instance? To create these sonic metaphors, a cross-synthesis process is used where the ``source'' part is based on the sound morphologies linked to the actions previously identified, and the ``filter'' part renders the sound texture properties. This work, together with the chosen paradigm offers new perspectives to build a sound language.

Cette thèse porte sur le contrôle de la synthèse sonore par modélisation physique des instruments à corde frottée. Elle se base, d'une part, sur l'exploration systématique de l'influence des paramètres de contrôle (pression d'archet, vitesse de l'archet et distance au chevalet) sur le comportement du modèle, et d'autre part, sur la mesure du contrôle effectif qu'exerce l'instrumentiste afin d'obtenir un contrôle réaliste du modèle physique. Un modèle physique basé sur la résolution modale de l'équation de la corde est d'abord présenté et implémenté pour la synthèse sonore du violon. Le comportement du modèle physique est ensuite examiné en effectuant des simulations et se concentre sur deux aspects: la ``jouabilité", c'est-à-dire l'espace des paramètres de contrôle dans lequel un mouvement de Helmholtz périodique est obtenu, et les variations des propriétés du son synthétisé (fréquence d'oscillation, niveau sonore et centroïde spectral) à l'intérieur de cet espace de paramètres. La deuxième partie de ce travail concerne la mise au point d'un capteur pour mesurer la force d'appui de l'archet sur la corde dans un contexte de jeu réel. Le capteur est ensuite combiné avec un système optique de capture du mouvement afin de mesurer l'ensemble complet des paramètres de jeu du violoniste. La dernière partie présente l'analyse des mesures de ces paramètres de contrôle pour des modes de jeu typiques (sautillé, spiccato, martelé, tremolo, détaché). Ces mesures permettent de décrire certaines propriétés du geste instrumental et de proposer un contrôle réaliste de la synthèse sonore pour différents modes de jeu et différentes tâches musicales.

Un "problème inverse", dans son sens général, consiste en une «inversion» de la relation de cause à effet. Il ne s'agit pas de produire un phénomène «cause» à partir d'un phénomène «effet», mais plutôt de s'essayer à définir un phénomène «cause» dont un effet observé serait la conséquence.Dans le contexte du formalisme de modélisation physique et de simulation CORDIS-ANIMA, et plus particulièrement dans le cadre de l'interface de création sonore et de composition musicale qui le met en œuvre, GENESIS, créés par le laboratoire ACROE-ICA, on identifie une problématique d'une telle nature : étant donné un phénomène sonore, quel modèle physique construire qui permettrait de l'obtenir ? Cette interrogation est fondamentale dans le cadre du processus de création engagé par l'utilisation de tels outils. En effet, pouvoir décrire et concevoir le procédé qui permet d'engendrer un phénomène ou un événement sonore (musical) préalablement définis est une nécessité inhérente à l'acte de création musicale. Réciproquement, disposer des éléments d'analyse et de décomposition de la chaîne de production du phénomène sonore permet d'envisager, par représentation, traitement direct, composition des éléments de cette décomposition, la production de phénomènes très riches, nouveaux, expressifs et présentant une cohérence intime avec les sons naturels sur lesquels l'expérience perceptive et cognitive est construite.Dans l'objectif d'aborder cette problématique, nous avons dû formuler et étudier deux des aspects fondamentaux qui la sous-tendent. Le premier concerne la description même du résultat final, le phénomène sonore. Celle-ci pouvant être de plusieurs natures et souvent difficile en termes objectifs et quantitatifs, notre approche a tout d'abord consisté à réduire le problème aux notions de contenu spectral, ou encore de « structure modale » définis par une approche phénoménologique de type signal. Le second concerne la nature fonctionnelle et paramétrique des modèles construits au sein du paradigme CORDIS-ANIMA. Étant, par essence, une métaphore du contexte instrumental, tout modèle doit alors être conçu comme la mise en interaction d'un couple « instrument/instrumentiste ». De ces spécifications nous avons alors pu définir UN problème inverse, dont la résolution a demandé la mise au point d'outils d'interprétation de données phénoménologiques en données paramétriques. Ce travail de thèse a finalement abouti à la mise en œuvre de ces nouveaux outils au sein même du logiciel de création GENESIS, ainsi que dans l'environnement didactique qui l'accompagne. Les modèles qui en résultent, répondent à des critères de cohérence, de clarté et ont pour première vocation d'être réintégrés au processus de création. Ils ne constituent pas une finalité en eux-mêmes, mais un appui proposé à l'utilisateur pour compléter sa démarche.En conclusion de ce travail, nous détaillons les directions pouvant être suivies à des fins d'extension ou éventuellement de reformulation de cette problématique. / An “Inverse Problem”, usually consists in an inversion of the cause-to-effect relation. It's not about producing a “cause” phenomenon from a given “effect” phenomenon, but rather defining a “cause” phenomenon of which an observed effect would be the consequence. In the context of the CORDIS-ANIMA physical modeling and simulation formalism, and in particular within the GENESIS interface for sound synthesis and musical creation, both built by the ACROE-ICA laboratory, it is possible to identify such a problem: Considering a sound, which physical model could be built to produce it? This interrogation is fundamental if we consider the creative process engaged by the users of such tools. Indeed, being able to describe and to conceive the process which engenders a previously defined phenomenon or sonic (musical) event is an inherent need for the activity of musical creation. Reciprocally, disposing of elements for analyzing and decomposing the sound phenomenon's production chain allows to consider, by means of representation, direct processing, and re-composition, the production of very rich and expressive phenomena that present an intimate coherency with the natural sounds upon which the perceptive and cognitive experience are built.To approach this problem, we formulated and studied two underlying fundamental aspects. The first one covers the very description of the final result, the sound phenomenon. This description can be of different kinds and is often complex regarding objective and quantitative matters, therefore, our approach has consisted first in a reduction of the general problem by considering spectral content, or “modal structure”, defined by a phenomenological signal based approach. The second aspect concerns the functional and parametrical nature of models built with the CORDIS-ANIMA paradigm. Since all models are inherently a metaphor of an instrumental situation, each one must then be conceived as an interactive combination of an “instrument/instrumentist” couple. From these specifications we have defined ONE inverse problem, whose resolution required developing tools to interpret phenomenological data to parametrical data. Finally, this work has led to the implementation of these new tools in within the GENESIS software, as well as in its didactic environment. The resulting models fulfill coherence and clarity criteria and are intended to reintegrate the creative process. They do not constitute an end in themselves, rather a support proposed to the user in order to complete his process.As a conclusion to this work, we detail further directions that could be pursued in order to extend or possibly reformulate the inverse problem.

Dans cette thèse un système de synthèse sonore imitative sera présenté, applicable à la plupart des instruments de quasi-harmoniques. Le système se base sur les enregistrements d’une note unique qui représentent une version quantifiée de l'espace de timbre possible d'un instrument par rapport à sa hauteur et son intensité. Une méthode de transformation permet alors de générer des signaux sonores de valeurs continues des paramètres de contrôle d'expression qui sont perceptuellement cohérent avec ses équivalents acoustiques. Un modèle paramétrique de l'instrument se présente donc basé sur un modèle de filtre de source étendu avec des manipulations distinctes sur les harmoniques d’un signal et ses composantes résiduelles. Une procédure d'évaluation subjective sera présentée afin d’évaluer une variété de résultats de transformation par une comparaison directe avec des enregistrements non modifiés, afin de comparer la perception entre les résultats synthétiques et leurs équivalents acoustiques. / Within this thesis an imitative sound synthesis system will be introduced that is applicable to most quasi-harmonic instruments. The system bases upon single-note recordings that represent a quantized version of an instrument's possible timbre space with respect to its pitch and intensity dimension. A transformation method then allows to render sound signals with continuous values of the expressive control parameters which are perceptually coherent with its acoustic equivalents. A parametric instrument model is therefore presented based on an extended source-filter model with separate manipulations of a signal’s harmonic and residual components. A subjective evaluation procedure will be shown to assess a variety of transformation results by a direct comparison with unmodified recordings to determine how perceptually close the synthesis results are regarding their respective acoustic correlates.

L'objectif principal de ce travail est de proposer des outils pour une synthèse en temps-réel, réaliste et expressive, des sons résultant d'interactions physiques entre objets dans une scène virtuelle. De fait, ces effets sonores, à l'exemple des bruits de collisions entre solides ou encore d'interactions continues entre surfaces, ne peuvent être prédéfinis et calculés en phase de pré-production. Dans ce cadre, nous proposons deux approches, la première basée sur une modélisation des phénomènes physiques à l'origine de l'émission sonore, la seconde basée sur le traitement d'enregistrements audio. Selon une approche physique, la source sonore est traitée comme la combinaison d'une excitation et d'un résonateur. Dans un premier temps, nous présentons une technique originale traduisant la force d'interaction entre surfaces dans le cas de contacts continus, tel que le roulement. Cette technique repose sur l'analyse des textures utilisées pour le rendu graphique des surfaces de la scène virtuelle. Dans un second temps, nous proposons une méthode d'analyse modale robuste et flexible traduisant les vibrations sonores du résonateur. Outre la possibilité de traiter une large variété de géométries et d'offrir une multi-résolution des paramètres modaux, la méthode permet de résoudre le problème de cohérence entre simulation physique et synthèse sonore, problème fréquemment rencontré en animation. Selon une approche empirique, nous proposons une technique de type granulaire, exprimant la synthèse sonore par un agencement cohérent de particules ou grains sonores. La méthode consiste tout d'abord en un prétraitement d'enregistrements destiné à constituer un matériel sonore sous forme compacte. Ce matériel est ensuite manipulé en temps réel pour, d'une part, une resynthèse complète des enregistrements originaux, et d'autre part, une utilisation flexible en fonction des données reportées par le moteur de simulation et/ou de procédures prédéfinies. Enfin, l'intérêt est porté sur les sons de fracture, au vu de leur utilisation fréquente dans les environnements virtuels, et en particulier les jeux vidéos. Si la complexité du phénomène rend l'emploi d'un modèle purement physique très coûteux, l'utilisation d'enregistrements est également inadaptée pour la grande variété de micro-événements sonores. Le travail de thèse propose ainsi un modèle hybride et des stratégies possibles afin de combiner une approche physique et une approche empirique. Le modèle ainsi conçu vise à reproduire l'événement sonore de la fracture, de son initiation à la création de micro-débris.

Les vibrations de plaques minces présentent des dynamiques très riches et variées, allant de comportements linéaire à fortement non linéaire en fonction de leur amplitude par rapport à l'épaisseur. Cette thèse présente le développement d'un code numérique capable de simuler sans restriction cette dynamique complexe, décrite par les équations de Von Karman, dans le cas de plaques homogènes et présentant une géométrie rectangulaire. L'application principale de ce code est de produire des sons de cymbales et de gongs: cette partie du travail s'inscrit donc dans le contexte de la synthèse sonore par modélisation physique. Pour cela, une approche modale est utilisée, afin de réduire les équations aux dérivées partielles à un ensemble d'équations différentielles ordinaires couplées. Un schéma d'intégration temporelle est proposé, pour lequel la conservation de l'énergie produit une condition de stabilité. Les caractéristiques les plus intéressantes du schéma modal sont sa précision et la possibilité de mettre en place des lois d'amortissements complexes à moindre coût. Le son produit par le code numérique est systématiquement comparée à celui calculé par une autre méthode fondée sur les techniques de différences finies . Les aspects fondamentaux de la physique des vibrations non linéaires sont également pris en compte au cours de ce travail. Lorsqu'une plaque vibre dans un régime faiblement non linéaire, les couplages modaux produisent des vibrations qui dépendent de l'amplitude, des résonances internes, des instabilités, des sauts et des bifurcations. Le schéma modal est utilisée pour construire et analyser la réponse non linéaire de la plaque au voisinage de ses premières fréquences propres, dans un cas conservatif, puis en prenant en compte les effets de l'amortissement et du forçage, montrant ainsi leurs effets sur les modes normaux non linéaires du système hamiltonien. Lorsque les plaques vibrent dans un régime fortement non linéaire, la description la plus appropriée de la dynamique est donnée en termes des propriétés statistiques du système, en raison de la multitude de degrés de liberté activés. Théoriquement, ce cadre est offert par la théorie de turbulence d'ondes. À cause de la grande quantité de modes activés dans de telles vibrations, le code en différence finie conservatif est préféré au schéma modal. Lorsque la plaque est excitée avec un forçage sinusoïdal autour d'un de ses modes propres de basse fréquence, une cascade d'énergie se produit, activant des milliers de modes à plus hautes fréquences. Une interprétation statistique des résultats des simulations est proposée, ainsi qu'une comparaison avec des données expérimentales et des autres résultats numériques trouvés dans la littérature. En particulier, les effets du forçage ponctuel ainsi que des imperfections géométriques des plaques sont analysées.

Ce travail se situe dans le cadre de la recherche de systèmes de notation permettant de transcrire de façon symbolique l’aspect concret et sensoriel, et non seulement abstrait et structurel, des artefacts de la musique par ordinateur. Dans ce but, nous exposons tout d’abord un modèle formel complet et minimal des objets et structures audionumériques, en référence aux critères de la perception ; ce modèle est implémenté sous la forme d’un langage fonctionnel Turing-potent qui permet d’effectuer l’équivalence entre l’expression mathématique d’un signal et sa réalisation informatique. Puis, nous employons ce formalisme afin d’exprimer un ensemble de critères de synthèse sonore, ce qui donne lieu à un logiciel de synthèse dont l’expressivité est considérable. Ces outils sont organisés suivant le schéma des théories Schaefferiennes, par une décomposition catégorielle dans laquelle les paramètres correspondent à des notions morphologiques. Finalement, nous rendons compte d’une série d’expériences visant à évaluer la pertinence de ces critères dans l’audition humaine, avec le concours d’un musicologue, puis sur un ensemble de sujets, et enfin vis-à-vis d’un public aussi large que possible. Ceci nous conduit à remettre en question la méthodologie la plus adéquate pour traiter ce type de problème, qui nous rapproche des sciences humaines et sociales, et suggère une démarche de science participative. / This piece of work is situated in the context of research on notation systems enabled to transcribe symbolically the concrete and sensorial aspect, and not only the abstract and structural aspect, of computer music artefacts. In this perspective, we first expose a complete and minimal formal model for digital audio objects and structures, relatively to the criteria of perception ; this model is implemented as a Turing-potent functional language, that draws the correspondance between the mathematical expression of a signal and its computational realisation. Then, we apply this formal construction to the expression of a number of schemes for sound synthesis, producing a software synthetiser whose expressivity is consequent. These tools are organised following the lines of Schaefferian theories, through a decomposition into categories whose parameters correspond with morphological notions. Finally, we draw the conclusions of a series of experiments aiming to evaluate the relevance of those schemes in human hearing, with the assistance of a musicologist, then with a number of subjects, and eventually by associating a public that is as wide as possible. This leads us to question the methodology most appropriate to tackle this kind of problem, which brings us closer to social science, and suggests a participative science approach.