Médiation vibrotactile : de la caractérisation physique à l'étude perceptive d'un transducteur électrodynamique

Vibrotactile Mediation for Shared Musical Practices

• Auteur / Autrice : Quentin Consigny
• Direction : Jean-Loïc Le Carrou, Arthur Paté
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 12/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Misdariis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabrina Panëels, Manuel Melon, David Gueorguiev
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marcelo M. Wanderley, Frédéric Giraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction humain-machine

Traitement du signal

Transducteurs électroacoustiques

Interaction multimodale

Toucher

Vibrations

Mots clés libres

Vibrotactile

Électronique

Acoustique

Traitement du signal

Interface Homme-Machine

Vibrotactile

Electronic

Acoustic

Signal processing

Human-Machine Interface

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le projet de recherche Staccato, financé par l'ANR. Ce projet explore les possibilités d'utilisation de dispositifs vibrotactiles dans la pratique musicale partagée. Une étude comparative des transducteurs disponibles sur le marché a été menée et des protocoles expérimentaux ont été développés et testés en collaboration avec des chercheurs en linguistique, psychologie et musicologie. Cette collaboration interdisciplinaire a conduit à la création d'un vibreur conditionné dans un support (bracelet) et placé sur la face interne du poignet. Une chaîne électroacoustique a été conçue pour utiliser ce transducteur (génération de signaux numérique sur PC, conversion analogique avec une carte son et amplification du signal à l'aide d'un amplificateur). Le travail de thèse a consisté en une caractérisation approfondie du vibreur. Le vibreur a été caractérisé comme un haut-parleur (à l'air libre), pour cela une méthode classique d'extraction des paramètres de Thiele-Small a été mise en place. Puis, l'interaction du vibreur avec la peau nous a amené à réévaluer l'analogie électro-acoustique proposée par Thiele et Small. Un nouveau modèle a été proposé en considérant le couplage du transducteur avec un matériau visco-élastique mécaniquement proche de la peau. En parallèle de cette caractérisation physique du vibreur, des études perceptives ont été réalisées afin d'affiner notre connaissance de la psychophysique du toucher. Des études mesures de seuil ont déjà été proposées dans la littérature, mais ces études ont été réalisées dans des contextes différents de celui du projet Staccato. On ne trouve pas, par exemple, de seuil de perception en amplitude réalisé sur la face interne du poignet. Notre capacité à percevoir les effets de quantification lors de la numérisation du signal n'a jamais été évaluée. Une étude perceptive sur le sujet a donc été menée, car elle peut permettre de dimensionner correctement les systèmes de conditionnement des signaux vibrotactiles numérisés. Sur la base de ces résultats, un algorithme de traduction du son en signaux vibrotactiles a été développé et testé. Cet algorithme, paramétrable en plusieurs points, fonctionne en temps réel et génère un signal vibrotactile à partir d'un signal audio. Cet algorithme, comme d'autres de la littérature, utilise l'enveloppe audio pour générer l'enveloppe tactile du signal. Mais il présente deux originalités : il a été conçu dans l'optique d'être paramétrable, et prend en considération le contenu spectral du signal audio. Cette thèse a abouti à la caractérisation approfondie d'un dispositif vibrotactile, à la réalisation d'études perceptives et à la conception d'un algorithme permettant de traduire des sons en signaux vibrotactiles. En poursuivant ce travail avec des études perceptives supplémentaires (comme l'évaluation des phénomènes de masquage, d'apprentissage...), le travail fourni dans cette thèse pourrait ouvrir des perspectives dans le domaine de la médiation vibrotactile dans le cadre de la pratique musicale partagée.

This thesis is part of the Staccato research project, funded by the French National Research Agency (ANR). This project explores the possibilities of using vibrotactile devices in shared musical practice. A comparative study of the transducers available on the market was carried out and experimental protocols were developed and tested in collaboration with researchers in linguistics, psychology and musicology, psychology and musicology. This interdisciplinary collaboration led to the creation of a vibrator packaged in a support (bracelet) and placed on the inside of the wrist. An electroacoustic chain was designed to use this transducer (digital signal generation on a PC, analogue conversion using a sound card and amplification of the signal using an amplifier). The vibrator was characterised as a loudspeaker (in open air), A classical Thiele-Small parameter extraction method was used. Then, the interaction of the vibrator with the skin led us to re-evaluate the electro-acoustic analogy proposed by Thiele and Small. A new model was proposed by considering the coupling of the transducer with a viscoelastic material mechanically close to the skin. In parallel with this physical characterisation of the vibrator, perceptual studies were carried out to refine our knowledge of the psychophysics of touch. Threshold measurement studies have already been proposed in the literature, but these studies were carried out in contexts different from that of the Staccato project. For example, there is no amplitude perception threshold on the inside of the wrist. Our ability to perceive the effects of quantisation during signal digitisation has never been evaluated. A perceptual study on this subject has therefore been carried out, as it may enable the correct dimensioning of systems for conditioning digitised vibrotactile signals. Based on these results, an algorithm for translating sound into vibrotactile signals was developed and tested. This algorithm, which can be parameterised at several points, operates in real time and generates a vibrotactile signal from an audio signal. This algorithm, like others in the literature, uses the audio envelope to generate the tactile envelope of the signal. But it has two original features: it was designed with a view to being customizable, and it takes into account the spectral content of the audio signal. This thesis led to the in-depth characterisation of a vibrotactile device, the performance of perceptual studies and the design of an algorithm for translating sounds into vibrotactile signals. By continuing this work with additional perceptive studies (such as the evaluation of masking and learning phenomena), the work carried out in this thesis could open up new perspectives in the field of vibrotactile mediation in the context of shared musical practice.