La modélisation est un outil scientifique qui permet de vérifier des hypothèses émises. Dans le cas des instruments, le modèle peut avoir la même utilité. Nous ne pouvons pas ignorer l'apport considérable de la psychoacoustique dans le domaine de la musique. Cette science se base sur l'expérimentation et étudie les relations entre les données physiques du son et leur perception. Dans le cadre de ces études, le modèle physique s'avère très utile car la simulation marque un retour à l'expérimentation.
" The nice thing about a physical model is that you can start with the simplest model and it will focus your attention on the deviation between the models . For example, if you use a linear model, you can see that you won't get any saturation, you won't get any harmonic generation, so you know non-linéarity is essential. (…)So the physical model can be used to focus your attention115. "
Le modèle physique est ainsi un outil d’exploration qui permet de formaliser les connaissances, et de tester les hypothèses. Il permet donc l'augmentation du savoir psychoacoustique. Sous cet éclairage, la fascination pour une synthèse imitative se justifie dans la mesure où elle stimule considérablement les recherches méthodologiques. La représentation d’un phénomène ou objet réel par un objet de substitution auditivement opérationnel permet de juger de façon sensible la pertinence des hypothèses.
L'objectif de la modélisation est donc la caractérisation des propriétés qui conditionnent une efficacité sonore puis musicale de l’objet. Ceci permet de comprendre les mécanismes physiques pour aider les facteurs d'instruments, par exemple. Les compositeurs ont également un bénéfice à tirer de ces connaissances car la synthèse par modélisation physique doit être guidée par la psychoacoustique.
" On ne peut donc se contenter de travailler sur des épures de paramètres physiques sans se préoccuper de l'effet sensible car on risquerait de distordre complètement le projet compositionnel en l'incarnant dans le sensible auditif116. "
L'imitation est toujours considérée comme un moyen de vérifier l'efficacité d'une technique de synthèse, elle donne un aperçu non seulement de sa finesse mais également de sa musicalité et de sa facilité de contrôle. A ce niveau, la synthèse par modèles physiques est considérée comme particulièrement efficace. Cependant chaque technique n'est pas efficace pour tous les types d'instruments. Par exemple, la synthèse réalisée avec Modalys est particulièrement convaincante en ce qui concerne les sons de percussions, en particulier les plaques. Kaija Saariaho a justement utilisé ce programme pour réaliser des sons de gong et de cloches quelle utilise dans son œuvre Amers24. En revanche la synthèse par guide d'ondes se distingue plutôt par la qualité de ses sons de cordes pincées, dont David Jaffe fait un usage abondant dans Silicon Valley Breakdown118.
Ce grand réalisme des imitations d'instruments exécutées par synthèse physique s'explique de plusieurs façons. Premièrement la présence d'un " corps à corps ", ainsi défini par François Nicolas (voir annexe 1 § 1), permet d'associer le son à un geste physique. Comme l'explique Guillaume Loizillon (voir § III.3), le son est l'image d'un événement, ce qui permet de conserver la possibilité d'identifier une source physique même si elle est virtuelle.
" L'oreille ne se fonde pas sur un seul spectre pour identifier un timbre. En fait l'oreille a sans doute pour fonction originaire, outre la mise en alerte, d'effectuer une véritable enquête sur l'origine du son : d'où vient-il (distance, azimut) et comment a-t-il été produit. C'est ce qui fait l'intérêt des modèles physiques. L'oreille a évolué dans un monde physique et son enquête l'amène à connaître des caractères physiques de la source de son, son percussif sur une membrane tendue, sur une plaque métallique lourde, corde frottée ou pincée. Les modèles physiques nous permettent de simuler de telles sources de son ; en modifiant les paramètres de modèles physiques, on a des chances d'agir sur des aspects du son qui sont robustes, prégnants, pertinents pour l'audition.119. "
Ainsi, la manière la plus simple d'obtenir des sons intéressants consiste à tirer parti de la technologie des instruments classiques ou des sons naturels. Deuxièmement, comme le fait remarquer Kaija Saariaho120, la synthèse par modèles physiques permet une parfaite restitution des transitoires d'attaque ce qui garantit un grand réalisme.
L'imitation de ce qui existe déjà, malgré sa qualité, peut être considérée comme une sorte de conservatisme sonore. La pure imitation ne peut être d'un grand intérêt pour une application. Comme nous l'enseigne Hegel, elle ne produit " que des chefs-d'œuvre de technique, jamais des œuvres d'art121 ". Cependant cette imitation constitue une étape d’appropriation, de connaissance, indispensable, avant d'avoir la possibilité de créer à partir de l’acquis. La synthèse d'un instrument est une représentation finie de ce dernier, mais elle devra essayer, malgré la finitude que lui impose toute formalisation, de rester ouverte à de multiples découvertes. Elle devra être envisagée comme une exploration intrinsèque de l'instrument et élargir les possibilités de jeu que l'on maîtrise physiquement. Elle ne pourra être féconde pour le musicien que si elle s'attache aux sons qui ne peuvent être exécutés ou maîtrisables par un instrumentiste, il s'agit donc de dépasser les limites du jeu instrumental, en affiner le contrôle des paramètres.
" …la simulation par modèles physiques, il ne faut rien en attendre si on l'envisage, en musique par exemple, comme un substitut définitif aux instruments ou aux véritables objets vibrants. Un simulacre coupé de ses racines ne peut que dépérir, se vider de toute vitalité. Alors que le peintre, aussi abstrait ou symbolique soit-il, retourne toujours au paysage, à la nature, pour dialoguer avec eux par le moyen de son art de représentation, il faut que l'ordinateur, toile où des objets très physiques peuvent venir se déposer en représentation, ne soit à aucun moment coupé de son vis à vis, de son horizon. La modélisation et la simulation des objets physiques, des instruments ou des corps vibrants est un dialogue avec le monde réel ; une simulation réalisée est une étape, une attente avant une autre122. "
La phase d'imitation permet d'apprendre à maîtriser une simulation, elle est très utile dans une optique de recherche, mais elle ne revêt pas d'intérêt musical. Tout l'intérêt des modèles résidera dans leur transformation, leur transgression ou dans l'invention de nouveaux objets à partir des éléments qui les composent. Toutes ces déviations effectuées à partir d'une simulation imitative enrichissent le potentiel musical du modèle et ne devront pas être écartées même si elles sont musicalement " incorrectes ".
Par exemple, ce qui peut être considéré comme une faiblesse de certains aspects de la simulation par modèles physiques, doit être prise en compte. Appréciée en tant que telle, et à sa juste valeur, elle peut et doit être exploitée de manière créatrice. Ces approximations dans la modélisation, distorsions nécessaires et intrinsèques aux modèles, sont des transgressions au regard d'une certaine réalité physique et de cette faiblesse devrait émerger une potentialité féconde. Par exemple, dans le cas d'une plaque, le périmètre extérieur est constitué d'un ensemble de points fixes qui délimitent la surface vibrante. Si cette plaque est frottée par un archet, le point de contact ne peut donc être qu'intérieur à celle-ci. L'archet transperce alors la plaque ce qui constitue une approximation, un événement impossible dans le monde réel (voir Figure 49). L'archet passe à travers la plaque comme un fantôme à travers un mur pourtant il y a frottement en un point défini. Ceci permet de déplacer le point de contact sur toute la surface de la plaque et d'obtenir des possibilités d'excitations bien plus diversifiées que dans la réalité.
Une autre simplification intervient lors de l'écoute du son produit par le modèle. La vibration est prise en un point précis de la structure, il n'y a donc pas perception du son rayonné. Ceci pourrait sembler gênant pourtant cela permet de n'écouter que des parties restreintes de l'objet, de focaliser son attention sur une partie ou sur des points singuliers de l'objet observé, d'obtenir une vision particulière d'une structure et même d'explorer celle-ci en déplaçant le point d'écoute. Cette expérience est d'autant plus riche s'il s'agit d'un objet surfacique, tel un gong, et d'autant plus démonstrative si le gong est excité de manière entretenue, condition qui est obtenue, par exemple, grâce à la fixation d'une corde frottée sur ce dernier. Ainsi, l'écoute peut parcourir la surface de l'objet en divers sens, révélant de manière continue quelques aspects vibratoires. A la différence d'une structure linéaire, l'exploration ne pourra être exhaustive et sera toujours lacunaire ; loin d'être une limite, cette situation sera source de maintes représentations, toutes bien particulières.
Figure 49 : Représentation d'un phénomène impossible dans le réel, l'excitation d'une plaque circulaire par un archet qui la traverse.
Le modèle peut ainsi offrir un élargissement des virtualités offertes par les instruments. Les exemples de possibilités d'extension sont nombreux, on peut citer les multiphoniques123 du violoncelle, le phénomène des sous harmoniques ainsi que divers autres mouvements particuliers des cordes. A partir d'une extrapolation de ces phénomènes pourtant compris dans l'instrument lui-même, on peut obtenir des sons inouïs. La modélisation physique offre alors la possibilité de simuler des gestes " surhumains ", ainsi nommés non pas par suprématie ou supériorité de perfection mais plus par sur-définition, sur-précision, et dépassement des limites physiques. Elle permet d'exalter et maîtriser certains phénomènes présents ou possibles dans la réalité instrumentale mais qui ne peuvent techniquement être parfaitement contrôlés, et d'autres part d'engendrer des phénomènes inédits grâce à un pur dépassement technique, voire physique. Elle nous accorde des possibilités d'extension d'instruments connus, en timbre et en virtuosité, détachée de leur nature physique.
Le potentiel musical du modèle provient également du pouvoir, que possède le musicien, de transgresser les règles, de s'écarter d'une certaine logique, d'une norme qui correspondrait à une perception droite de la réalité.
" Si, parmi les physiciens, il est couramment admis l'existence de multiples types de vibrations pour la corde frottée, seulement deux ou trois types sont utilisés dans les applications musicales. Les autres, généralement émis lorsque l'instrumentiste se trouve aux limites du jeu normal, sont considérées comme donnant lieu à des sons "non satisfaisants", à la fois pour la qualité du son et pour la "mauvaise" vibration de la corde. Cependant on peut s'interroger, lorsque l'on cherche à étendre les possibilités sonores à partir des modèles de synthèse, sur la signification musicale de "non satisfaisant" ou le sens de "mauvais" pour la vibration de la corde.124 "
Une illustration de ce genre de processus musicalement incorrect apparaît dans l'utilisation, a priori inadéquate, de contrôleurs. De ce décalage entre un modèle et un contrôleur inadapté pourrait surgir une potentialité fertile : nous pouvons envisager par exemple de jouer du piano ou un instrument de type corde frottée avec un contrôleur de souffle125, d'un instrument à clavier avec un contrôleur de type percussif ou bien de l'orgue avec une guitare126, etc.
Cette synthèse permet la création d'un instrumentarium sans limitations physiques, " monde instrumental parallèle " ancré dans le réel, et son prolongement dans l'impossible. Ce prolongement peut se faire, comme nous l'avons vu, par le déplacement des points d'excitation et d'écoute dans le cadre d'une simulation imitative. Mais il est également possible d'aller plus loin en opérant une variation de la structure même de l'objet simulé. La déformation en court de jeu de cette dernière permet d'exécuter, par exemple, des glissandi impossibles dans le réel. Ainsi, Kaija Saariaho a utilisé Modalys pour réaliser des glissandi de gong quelle exploite dans Amers24. Ces sons, bien que n'ayant aucun équivalent dans le monde acoustique sont compris par l'oreille comme l'association de deux phénomènes familiers : le timbre du gong et la notion de glissando.
Une autre transformation peut provenir de l'hybridation de deux structures ou plus128. La technique d'hybridation est particulièrement convaincante dans le logiciel Modalys, elle permet d'opérer un passage dans le temps d'une structure à une autre ou de mélanger deux structures comme collées ensemble. Comme pour le glissando de gong, l'hybridation exécute un mélange de deux (ou plus) structures bien définies et ancrées dans l'expérience, ce qui produit quelque chose qui est à la fois inconnu et étrangement familier. Pour François Nicolas129, l'intérêt musical de ces objets hybrides, bien qu'utilisant la rigueur et les contraintes de ce mode de synthèse, est de pousser les virtualités dans des directions physiquement impossibles, voire aberrantes.
Au delà des hybrides, les techniques de synthèse par modèles physiques permettent de créer de véritables monstres ou chimères.
" La synthèse par modèles physiques actualise des couples de composantes impossibles à associer dans la nature - chimères d'une timbale excitée par une attaque de clarinette, d'un biseau de flûte activant les résonances d'un tam-tam…130 "
Ceci permet de créer les instruments les plus délirants. Rien ne nous retient à part les limites de notre propre imagination. Nous pourrons retrouver le son d'instruments dont seule la représentation graphique subsiste ou connaître enfin de son émis par le célèbre gaffophone. Des expériences de ce type ont été réalisées au département SOLE de l'université de paris XV sous la direction de Thierry Meunière, et ont abouti à des créations étranges comme une flûte traversière torique (voir Figure 50), une guitare quadridimentionnelle un orgue à plasma, etc. Sans aller jusqu'à de telles extrémités, la simple association d'éléments hétéroclites, comme, par exemple, l'excitation d'une membrane de tambour par une anche simple ou d'une corde par un biseau, permet d'obtenir des résultats déjà surprenants.
La synthèse par modèles physiques peut être également utilisée comme traitement. Modalys permet facilement d'injecter un fichier son, sur une plaque, pour l'exciter. Le son subit une déformation (résonances métalliques) qui peut être considérée comme un traitement. Il est possible d'utiliser comme source d'excitation de n'importe quel modèle tous les sons possibles. Pour Guillaume Loizillon, ceci est d'un intérêt musical particulier, il l'utilise dans son œuvre Fleurs et Insectes de manière très nette131.
Figure 50 : Schéma d'une flûte traversière torique.
Nous constatons, à travers ces remarques que le modèle est bien loin d'être une copie mais une re-description, une ré-interprétation d'une certaine réalité. La synthèse par modèles physiques réintroduit cependant l'axe de la référence dans la création musicale par ordinateur, ce qui permet de produire des événements musicaux à la fois inouïs et familiers. Elle offre la possibilité de créer un instrument en vue, de l'adapter à un système musical ou d'en inventer un nouveau. Pour Guillaume Loizillon ses sons-évènements, rattachés à une nature physique familière permettent la création d'un imaginaire qui ne pouvait pas l'être avant. Cette technique possède également une aptitude à restituer des interactions physiques entre musicien et instrument, notion à laquelle François Nicolas est très attaché.
La synthèse par modèles physiques ne permet pas seulement de créer des objets vibrants, mais aussi d'en jouer en spécifiant les gestes à l'ordinateur qui va en calculer le résultat :
" Un des grands problèmes des synthétiseurs par échantillonnage, avec lesquels on essaie d’imiter les instruments existant, c’est leur manque de "règles de prosodie" en matière de phrasé musical. Séparément, les notes peuvent passer pour des reproductions réalistes de sons instrumentaux traditionnels, mais, lorsqu’elles sont accolées, les transitions d’une note à une autre - qui sont si importantes avec des instruments comme le saxophone ou la voix humaine - font cruellement défaut.132 "
Cette possibilité de phrasé qui fait défaut à la technique d'échantillonnage est une des grandes qualités de la synthèse par modèles physiques. Comme le remarque Kaija Saariaho133, cette technique est particulièrement efficace en ce qui concerne la synthèse des transitoires. De plus, elle travaille sur des paramètres plus larges, plus musicaux que de simples données physiques du son. Le jeu opéré sur la transformation du réel et sur l'imagination d'un geste permet la simulation d'une intention et non un d'un simple son isolé.
Un objet vibrant issu d'une synthèse par modèles physiques n'est pas unique mais multiple en raison de la profusion des regards que l'on peut poser sur lui. Construire un objet vibrant en ajustant ses divers paramètres physiques revient à former un réservoir de potentialités qui émergeront différemment selon l'utilisation du modèle. Toute structure vibrante contient une richesse potentielle virtuelle, de multiples états vibratoires qui pourront ensuite être explorés. Si cet aspect n'a rien d'exceptionnel en regard de la réalité physique à laquelle la synthèse par modèles physiques se réfère, cet aspect nous semble particulièrement innovant dans le domaine de la synthèse sonore et déterminant quant aux modalités d'utilisation qu'elle propose au compositeur. L'utilisateur provoque l'émergence progressive du modèle en le caractérisant par un certain nombre d'attributs physiques. Ce processus est présent à tous les stades de choix que fait l'utilisateur, la multiplicité régnant à tous les niveaux : choix de la structure (corde, plaque…), du matériau (prédéfini ou réglable : densité, raideur…), de l'excitation (frottement, pincement…), et du mode de jeu (longitudinal, transversal…). La notion d'instrument, dans la synthèse et la simulation par modèles physiques, correspond à une généralisation de la qualité intrinsèque de l'instrument dans sa définition traditionnelle, une surenchère de sa tendance à la multiplicité, une exaltation de la richesse potentielle initialement inscrite dans tout instrument. Ces modèles s'attachent à décrire non pas l'individualité d'un objet unique mais la spécificité d'une catégorie d'objets. Ce qui permet de créer une classe virtuelle d'objets vibrants gravitant autour d'un objet de référence. L'exploration de cette multiplicité contenue potentiellement dans le modèle peut s'envisager de diverses manières. La variation des paramètres du modèle permet d'obtenir de larges gammes de timbres. La création du modèle physique induit donc un choix pour l'instrument allant d'une classe générale d'instrument, à un instrument en particulier. Ceci permet inversement d'élargir le timbre en faisant retour arrière vers une classe plus générale.
La création, la transformation et l'exploitation du modèle nécessitent la manipulation des paramètres qui vont le définir.
" Ce système (…) vise à étendre par la simulation le champ d'investigation du créateur tout en conservant une propriété précieuse des instruments les plus traditionnels (pour être précis ceux qui n'utilisent aucun dispositif amplificateur), à savoir d'être finement contrôlable par l'action gestuelle134. "
Ce contrôle passe parfois par l'emploi d'interfaces ou de dispositifs gestuels. L'idée d'utiliser un principe de manipulation proche de l'instrumental s'explique par cette remarque de H.Vinet :
" Le corps a sa propre pensée, le corps au sens de motricité. Cette pensée est plus rapide qu'une pensée de raisonnement ou une pensée de formulation. Essayer par exemple de descendre un escalier, quatre à quatre, en pensant à ce que vous faites, vous n'y arriverez pas. Le corps prends des décisions (exemple : la situation de conduite automobile). L'intérêt du modèle physique dans une situation de musique qui n'est pas complètement une situation d'écriture, et qui inclue une situation expérimentale, c'est de restituer des aspects qui sont directement "préhensibles" par le corps. Les personnes qui se coupent de cette possibilité ne tirent pas parti de toutes leurs potentialités créatrices135. "