Vers la caractérisation de résonateurs dynamiques : mesurer les résonances du conduit vocal pendant le chant

Résumé : Le conduit vocal est le résonateur acoustique principal de l’appareil vocal humain et sa mobilité est responsable d’une grande partie de la variété des sons à la base de la communication orale. Il joue ainsi un rôle essentiel pour la parole et son usage performatif est une des clés de la technique vocale pour le chant. Cette thèse porte sur la caractérisation in vivo des résonances du conduit vocal en développant une instrumentation spécifique à destination de la recherche en phonétique, en vocologie, en acoustique musicale, voire pour des applications en orthophonie. Cette thèse s’intéresse à un dispositif non-invasif basé sur une excitation et une mesure acoustiques aux lèvres du sujet, et propose d’en identifier les limites et de les lever, notamment en cherchant à le rendre robuste à la présence d’autres signaux — en premier lieu la voix elle-même — afin de caractériser le conduit vocal pendant le chant.

Le modèle de mesure associé à la réponse en fréquence du conduit vocal à une excitation acoustique aux lèvres est justifié par l’étude du couplage par rayonnement du dispositif d’excitation et du conduit vocal. Le positionnement optimal de la source et du microphone est discuté en montrant qu’une prise de pression à quelques centimètres des lèvres plutôt qu’aux lèvres est plus fidèle au modèle. L’utilisation d’un signal d’excitation de type sinus glissant permet une mesure à fort niveau, en séparant les non-linéarités de la chaîne d’excitation. La méthodologie de mesure et l’analyse modale mise en œuvre, estimant fréquence et facteur de qualité des résonances, sont validées par comparaison entre des modèles numériques et différentes mesures d’impédance. Nous étudions tout d’abord un guide d’ondes cylindrique en métal, puis des maquettes simplifiées de voyelles imprimées en 3D, pour montrer les possibilités et les limites de la méthode sur certaines configurations vocaliques.
En vue d’une utilisation sur l’humain en cours de phonation, nous abordons dans un deuxième temps les enjeux de séparation de sources entre le signal de caractérisation (sinus glissant) et le signal de voix mesurés par le microphone. Grâce à la connaissance a priori de la trajectoire du sinus glissant dans le plan temps-fréquence et d’hypothèses sur le signal voisé, le calcul de la transformée en chirplets, généralisation de la transformée de Fourier à court-terme intégrant la variation de fréquence instantanée, permet une séparation relative. Nous montrons que l’utilisation d’une famille de chirplets, basée sur les polynômes d’Hermite pour assurer la stabilité numérique, rend la séparation plus efficace et une reconstruction plus précise du sinus glissant en testant des signaux de synthèse.

Enfin, la méthodologie complète avec séparation est appliquée pour l’analyse d’une base de données de mesures, acquises dans le cadre de la thèse, sur des chanteurs de musique actuelle amplifiée. Nous mettons en évidence des changements résonantiels notables entre un geste vocal chanté et le geste mimé correspondant (glotte fermée), justifiant la méthodologie proposée de mesure en cours de phonation avec séparation de sources. Les différences d’ajustements résonantiels sont étudiées en fonction des émissions des chanteurs. La méthode de caractérisation non-invasive développée permet d’estimer fréquence et facteur de qualité des résonances du conduit vocal pendant le chant.

Composition du jury :

Prof. Laurent SIMON - Le Mans Université - Rapporteur
Prof. Peter BIRKHOLZ - Technische Universität Dresden - Rapporteur
Dr. Christophe D'ALESSANDRO - CNRS - Président du jury
Prof. Joe WOLFE - Université de New South Wales - Examinateur
Dr. Philippe GUILLEMAIN - CNRS - Directeur de thèse
Dr. Fabrice SILVA - CNRS - Co-directeur de thèse
Dr. Nathalie HENRICH BERNARDONI - CNRS - Co-encadrante de thèse

La soutenance se tiendra le mercredi 5 juillet à 9h00 dans l'amphithéâtre Canac au Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique, Marseille, et se déroulera en anglais.

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