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UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE - AIX-MARSEILLE II

ECOLE DOCTORALE SCIENCES POUR L'INGENIEUR :

MECANIQUE, PHYSIQUE, MICRO ET NANOELECTRONIQUE (ED 353) THESE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE

AIX-MARSEILLE II

Discipline : Acoustique, Traitement du signal et Informatique Appliqués à la Musique (ATIAM)

Présentée et soutenue publiquement par

Mathieu BARTHET

Le jeudi 18 décembre 2008

De l'interprète à l'auditeur : une analyse acoustique etperceptive du timbre musical Co-directeurs de thèse : Dr. Richard KRONLAND-MARTINET

Dr. Sølvi YSTAD

Dr. Philippe GUILLEMAIN

JURY : Pr. Stephen McADAMS Rapporteur

Dr. Laurent DAUDET Rapporteur

Pr. Kristoffer JENSEN Examinateur, Président

Dr. Richard KRONLAND-MARTINET Co-directeur de thèse

Dr. Sølvi YSTAD Co-directeur de thèse

Dr. Philippe GUILLEMAIN Co-directeur de thèse

2 i A mes grands-parents Henri et Jacqueline, Teddy et Colette,pour tout cet amour partagé, et les passions qu'ils m'ont transmises. A mes parents Frédéric et Valérie, et à ma soeur Chloé, pour leur soutien, leur amour, et leurs doux timbres de voix. ii "On remarqua, dans la plage "Dîner au motel", la sonorité étrange de la trompette de Miles. Un fragment de peau se détacha à un momentde sa lèvre pour se coincer dans l'embouchure. Pareil à ces peintres qui doivent parfois au hasard la qualité plastique de leur pâte,Miles accueillit volontiers ce nouvel élément d'un jeu "inouï" ausens littéral du mot, jamais entendu." Boris Vian décrivant la séance d'enregistrement de la musique du film Ascenseur pour l'échafaud, composée par Miles Davis en 1957. "It is the most fascinating of all fields in the psychology of music a, for exact scientific work which has the most far-reaching significance in the understanding of music, musical education, the evaluationand construction of musical instruments, and musical criticism. It certainly is one of four cornerstones of the psychology of musical esthetics. But for the reason stated, this is all a virgin field, quite uncharted but certain to be explored and possessed by the musical world in the immediate future." aNDLR : à propos de l'étude du timbre

Seashore,1938, p. 100]

Résumé

Découvrir quels sont les paramètres acoustiques corrélés àl'expression musicale revêt un in-

térêt fondamental afin d'améliorer notre compréhension de la perception musicale, et trouve de

multiples applications en synthèse sonore. L'interprétation musicale est un acte au cours duquel

un instrumentiste traduit le signal notationnel d'un compositeur en sons musicaux, tout en impli-

quant son propre jugement. Si la plupart des études sur l'interprétation musicale portent sur le

rythme, la dynamique, ou les hauteurs, bien moins se consacrent au timbre. Cet attribut perceptuel

du son, à la fois lié à l'identité de la source sonore et à la qualité sonore, semble pourtant être un

paramètre musical essentiel. L'objet de cette thèse, dont l'approche repose sur l'analyse-synthèse,

est de mieux comprendre le rôle du timbre dans l'interprétation musicale.

Une étude de dissemblance réalisée sur des sons de synthèse de clarinette, obtenus à partir

d'un modèle physique, a permis d'évaluer l'influence du contrôle instrumental (pression d'ali-

mentation et pince) sur les timbres produits par l'instrument. Des enregistrements d'extraits mu- sicaux joués un grand nombre de fois par un même clarinettiste professionnel sur un instrument

naturel selon différentes intentions musicales ("scolaire" et "expressive") ont ensuite été analysés.

Les mécanismes de transmission de l'expression musicale ont ainsi pu être étudiés au travers de

changements de timbre, de rythme et de dynamique. Certainesvariations de timbre (variations de

qualité sonore au sein des notes et entre les différentes notes) sont reproduites de manière systé-

matique par l'interprète lorsque son intention musicale est la même. La nature de ces variations

change lorsque l'intention expressive change, ce qui tend àprouver que les musiciens agissent sur certaines dimensions du timbre afin de varier leur expression. Deux expériences perceptives com-

plémentaires ont révélé que la nature des évolutions temporelles de la brillance des notes influe sur

les préférences musicales des auditeurs. La qualité musicale de séquences inexpressives, produites

sur des instruments de type entretenu à l'aide d'échantillonneurs, a notamment pu être améliorée

de manière significative grâce à un contrôle de la brillance par filtrage dynamique. L'ensemble de ces travaux appuie l'idée que les variations morphologiques temporelles de timbre (par ex. variations temporelles de brillance) constituent l'un des vecteurs de l'expression musicale. Discipline :Acoustique, Traitement du signal et Informatique appliqués à la Musique. Mots-clefs :timbre, interprétation musicale, expression musicale, perception musicale, analyse- synthèse, transformation sonore, modélisation physique,clarinette.

Laboratoire :

CNRS - Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (UPR 7051)

31 chemin Joseph-Aiguier

13402 Marseille Cedex 20

France

iii iv

Abstract

English title : "From performer to listener : an acoustical and perceptual analysis of musical timbre" Discovering the acoustical parameters responsible for musical expression is of fundamental interest to improve our understanding of musical perception, and finds numerous applications in sound synthesis. Musical interpretation is an act during which the performer traduces the notatio- nal signal from the composer while involving his/her own judgement. If many studies on musical interpretation deal with the role of timing, dynamics or pitch, rather few focus on the one of timbre. Nevertheless, this perceptual attribute referring to both the identity of the sound source and the sound quality, seems to be an essential musical parameter. The goal of this work, based on

an analysis-synthesis approach, is to better understand the role of timbre in musical interpretation.

Dissimilarity judgments of synthetized clarinet tones obtained from a physical model, allowed to characterize the influence of the control parameters of the instrument (blowing pressure and player's lip force on the reed) on the generated timbres. Recordings of musical excerpts played a large number of times by the same professional clarinetiston a natural instrument according to different musical intentions ("scholastic" and "expressive") were then analyzed. The transmis- sion process of musical expression was hence studied through changes in timbre, rhythm, and dynamics. Some timbre variations (sound quality variations within tones or between tones) are systematically reproduced by the performer when his/her expressive intention is the same. The nature of these variations is modified when the intention changes, which tends to prove that mu- sicians act on certain timbre dimensions to vary their expression. Two complementary perceptual experiments revealed that the evolutions of the tones' brightness across time influence listeners' musical preferences. The musical quality of inexpressive sequences, generated on self-sustained instruments with samplers, could significantly be improvedthanks to the control of brightness by dynamic filtering. This work supports the idea that the temporal morphologicalvariations of timbre (e.g. bright- ness temporal variations) are involved in musical expression. Key-words :timbre, musical interpretation, music performance, musicperception, analysis-synthesis, sound transformation, physical modeling, clarinet. v vi

Remerciements

Je tiens tout d'abord à remercier chaleureusement mes co-directeurs de thèse Richard, Sølvi,

et Philippe. Merci de m'avoir permis de poursuivre la passion que j'éprouve pour la musique et les sciences en me proposant cette thèse au sein de l'équipe S2M. Merci de m'avoir transmis

avec patience et pédagogie une partie de vos savoir et savoir-faire en matière d'analyse-synthèse,

perception sonore, et modélisation physique, et ce dans un climat de travail toujours si agréable.

Merci à Sølvi pour toutes ces réunions passées à se questionner sur la notion de timbre sans pour

autant finir timbrés, à établir des protocoles expérimentaux, à écouter et ré-écouter des sons et

tâcher d'en comprendre le sens, ainsi que pour ces nombreuses corrections et relectures d'articles.

Merci à Richard pour ses riches idées et ses sages conseils, ses cours de signal éclairant, et son

humour qui réserve parfois des surprises... Merci à Philippe pour cet appel lors de mon stage de

Master 2 destiné à me parler d'un certain projet de thèse pluridisciplinaire autour des notions de

timbre et d'interprétation musicale, pour m'avoir appris àfaire des sons de clarinette avec des 0

et des 1, et pour ces nombreux travaux pratiques sur la table d'expérimentation de bruits d'impacts.

Je tiens également à remercier mes rapporteurs et examinateur, Stephen McAdams, Laurent Daudet et Kristoffer Jensen pour le temps qu'ils ont investidans l'évaluation de mon travail de thèse, et leurs précieuses remarques et corrections.

J'ai éprouvé beaucoup de plaisir à travailler au sein de l'équipe S2M du Laboratoire de Mé-

canique et d'Acoustique. Il y règne une ambiance de travail très conviviale, qui est non sans être

liée à la gentillesse et la bonne humeur de ses différents acteurs : chercheurs, ingénieurs, thésards,

post-docs, stagiaires, et sa chère secrétaire. Je tiens à cetitre à les remercier tout aussi chaudement

que sait le faire notre bien-aimé barbecue, ami rassembleur, dont les douces émanations nous ont

bien souvent procuré satisfaction. Merci à Thierry dont la gentillesse égale son expertise en Max-MSP, à Mitsuko pour toutes

ces discussions intéressantes, ses conseils avisés sur mesarticles, ses coups de main de maître en

analyses statistiques, à Christophe et Jean qui répondent dès qu'on sonne (lire consonnes...) et que

l'on a une question, à Didier pour nos échanges stimulants sur la question de l'interprétation musi-

cale, et pour m'avoir donné envie d'écouter de la flûte traversière. Merci à Fabrice, qui de latex à la

mécanique du point (pour certains TD...), en passant par le rayonnement de la clarinette, aura tou-

jours su m'éclairer avec brio et générosité, à Jonathan pouravoir partagé de sacrés moments avant,

pendant et après des conférences internationales..., à Marie-Céline, pour nos discussions sur les

tests perceptifs, et notre perception des calanques lors decette fameuse ballade à Morgiou pleine

de cailloux, à Thibaud, pour sa sympathie et ses produits corses (!), à Adrien, qui de collègue de

bureau est devenu collègue tout cours, merci pour ses nombreux services et son esprit d'équipe, à

Benjamin que je questionne dès 8h00 du matin sur l'orthogonalisation. Merci à Michèle pour sa

gentillesse, son efficacité et pour rendre simple ce qui pourrait être compliqué. Je tiens également à remercier Sabine Meunier et Sophie Savel de l'équipe APIM pour leurs

conseils sur les protocoles d'expériences perceptives et leur gentillesse. Je remercie également

vii

viiichaleureusement Jean-Claude Risset, qui m'a partagé son expertise sur le timbre et orienté vers

des articles très instructifs lors de sympathiques entretiens. Je voudrais saluer l'aide précieuse des statisticiens Henri Burnet de l'Institut des Neuros-

ciences Cognitives De la Méditerranée, et Jean-Pierre Durbec du Centre d'Océanologie de Mar-

seille, qui m'ont ouvert leurs portes avec amabilité et permis de sélectionner les méthodes statis-

tiques adaptées aux traitements de mes données. Je suis très reconnaissant envers le clarinettiste professionnel et si bon pédagogue Claude Crousier du Conservatoire National de Région de Marseille,sans qui ce travail n'aurait pu avoir

lieu. En effet, ce sont ses notes, qui émises et enregistréesdans la chambre anéchoïque du LMA,

ont nourri une bonne partie de mes recherches sur l'exploration du timbre dans l'interprétation musicale. Merci pour ton implication dans ce projet, et les intéressantes discussions que nous

avons pu avoir sur la clarinette et son contrôle. Ce sont également les participants des expériences

perceptives que j'ai menées que je souhaite remercier : merci à ceux du LMA, du GRIM (Groupe de Recherche et d'Improvisation Musicales), et du Train en Marche.

ranée ont su étendre mon horizon scientifique aux sciences cognitives et à la psychologie de la

musique lors de précieux échanges. Je tiens à les en remercier. Je tiens à remercier l'Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Mi-

cro et Nanoélectronique (ED 353), qui offre notamment à ses étudiants la possibilité de réaliser

de très intéressantes formations (comme la communication scientifique en anglais); je tiens à sa-

luer le travail, la compétence et l'amabilité de ses ancienset nouveaux responsables (M. Suquet,

Mme Pullino, M. Saurel, M. Campion). Je souhaiterais également remercier la Société Française

d'Acoustique, qui m'a accordé une bourse afin de participer àun congrès international, et organise

des journées de travail prolifiques, comme celles du Groupe Perception Sonore, l'Agence Natio- nale de la Recherche, qui au travers du financement du projet Sensons (ANR, JC05-41996) dirigé par notre équipe, m'a permis d'exercer mes recherches dans de très bonnes conditions (achat de

matériel comme des microphones, possibilité de participerà des congrès internationaux, etc.).

En rapport avec l'enseignement, je tiens vivement à remercier Françoise Briolle, avec qui ce

fut un réel plaisir de travailler en tant que chargé de TP en traitement du signal au sein de l'IUT

Réseau et Télécommunications de Luminy pendant plusieurs années. Je suis également très recon-

naissant à Fréderic Lebon qui m'a permis d'avoir un poste d'Attaché Temporaire d'Enseignement

et Recherche au sein de l'Université de Provence, dont je retire une riche expérience.

Je remercie ma chère famille qui m'a toujours épaulé, et toutparticulièrement mon père pour

la relecture de ce manuscrit entre deux avions lors de quelques voyages en Bulgarie. Une énorme dédicace à mon entourage d'amis qui rend si belle la vie : aux parisiens de la

"Boulard Team", mes frères et soeurs de primaires! (Alex, Aurélien, Julien, Bassem, Perrine, les

deux Ben, et mon ami de toujours Michaël), qui même à distancesont toujours dans mes pensées,

à mes proches d'Henri IV (Cécile, Stéphanie, Erwan Coco Robicheau, avec qui j'ai discuté de la

définition du timbre jusqu'à ce que lune remplace soleil), à "l'Ist crew", friand de belotes, esca-

pades chez Georges, et surtout racontages d'exclus (Adrien, Erwan, Fatima, Jim, Aniss, Clément, Enrique, et Xavier, sans oublier le petit nouveau Moriu), aux copains musiciens de la Terrasse (Patrick, Bernard et Farid) pour toutes ces notes aux Trois Chapeaux, à celui qui m'a fait dé- couvrir comment faire crier sa Stratocaster, Mickey, aux collègues du LAM (Adrien, Pierre et Maëva) avec qui nous avons fait nos premiers pas dans ce mondede l'acoustique musicale, aux ix marseillais intercontinentaux de la Maison Du Bonheur (Anne, Ana Laura, Sarah, Valérie, Fred, Jehan-Ju, et Hanes), pour lesquels amour, humour et gentillesse rentrent en résonance, aux Zé-

koutzy Pourvoir (cf. MDB!) pour ces répétitions inoubliables dans le garage du 34 Saint-Bazile,

aux potes de DEA (Tim, Jehan-Ju bis, Thomas, Fab, Didier, et Simone) avec qui parcourir les sols de Château-Gombert, Saint-Yvoine, Montpellier, ou Paris tout en découvrant l'acoustique fut un

bonheur intarissable, à ceux du CNRS (Céline, Bastien, Romain), pour nos moments partagés sur

la Plaine (...), aux zicos de Kiwan (Luccio, Fabien et Tim bis) pour nos impros locaux, aux acteurs du Train En Marche sur le devant de la scène marseillaise (Jeremy, France, Pli, Pauline, Julien, Vincent, Pascal), à mes chers voisins du Baignoir et d'un peuplus loin (Manu

2, Antoine, Thomas,

Pierrick, Nico, et Valentine), dont je n'oublierai jamais le soutien pendant ma rédaction de thèse

autour de bons repas et de bonnes rigolades; à celle qui, durant toutes ces lignes n'a cessé d'être

présente dans mon coeur, à celle qui m'a soutenu et encouragédurant toutes ces années, à celle

qui me plaît pour sa beauté au sens large, à mon ange là prés de moi, Angela.

Enfin, une spéciale dédicace à Aurélien et Elimar, qui se passaient les bagues autour des doigts

à Paris, alors que je soutenais mes travaux de thèse à Marseille. Longue vie d'amour à vous!

x

Table des matières

1 Introduction1

1.1 Timbre et musique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 L'ère contemporaine ou le timbre comme nouvelle fonction du langage

musical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.2 L'avènement de la synthèse sonore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.3 De la synthèse sonore à la perception des sons musicaux. . . . . . . . . 4

1.1.3.1 La structure "hauteur-timbre" de Risset. . . . . . . . . . . . . 4

1.1.3.2 Echelle chromatique tempérée, série harmonique, série inhar-

monique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.3.3 L'analyse par la synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.4 De l'utilisation du timbre dans les musiques traditionnelles. . . . . . . . 10

1.2 Sémiologie musicale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.1 La musique, ou l'art de l'ouïe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.2 La tripartition de Molino et Nattiez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.3 La question du sens musical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

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