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1.4 Ob jetif et plan de la thèse

2.1.3 Modèles méaniques de ordes voales

2.1.3.2 Modèle à deux masses

Généralités

Dans ette modélisation, haque orde voale est représentée par deux masses m

1 et

m

2

disposées surlagéométrie présentée dans lapartie2.1.1.1.Ces massessontliées entre

elles par un ressort de onstante de raideurk

etau reste du "orps" par des ressorts de

raideurk

1 ,k

2

etdes amortissementsdeonstanter

1 etr

2

.Lemodèleest shématisésurla

gure2.8.Noussupposeronsquelesmassessontégalesdonm

1

=m

2

= m

2

oùmestdon

la masse vibrante d'une orde voale. De même,nous aurons k

1

=k

2

=k et r

1

=r

2

=r.

Fig. 2.8 Représentation des ordes voales par un modèle à deux masses disposées sur

lagéométrie déritedanslapartie2.1.1.1.Les massessontliéesau restedu orpsetentre

elles par des ressorts k

r

;k

l

;k

et amortissements r

l

;r

r

, indie r pour la orde de droite et

laires. Par ontre haque orde voale pourra avoir des aratéristiques diérentes. Dans

e as, nous indierons les paramètres assoiés à haune des ordes par r pour la orde

de droite etpar l pour la orde de gauhe.

Mise en équation

Pour haune des ordes et pour haune des masses, nous érivons le prinipe

fon-damentalde ladynamique en supposant quelesmasses ontuniquement des mouvements

selon l'axedes ordonnées. On restreint ainsi le nombre de degrésde liberté dans le

mou-vement. A noter que Vilain [110℄ avait envisagé de ne pas restreindre les mouvements à

la diretion vertiale en ajoutant une ontrainte de onservation du volume des ordes

voales. Nousn'avons pas optépour e hoix.

Lesforess'exerçantsurhaquemassesontlesfores derappelliéesauxressorts,lesfores

de frottementsvisqueux liées auxamortissements, ainsique lesfores de pressions liées à

l'éoulement d'air traversant laglotte. Nousobtenons ainsi leséquations suivantes:

sontlespositionsdes massesetY

1l 0

lespositionsaurepos,

oùF

sont lesfores de pression alulées sur haune des masses,ave H

1

sont les ouvertures auniveau des masses 1et 2.

Dans la plus grande partie de e manusrit, nous supposerons que les deux ordes

voales ont un mouvement symétrique. La prise en ompte de l'asymétrie sera donnée à

titre d'appliation dans la partie 4, les raisonnements sont en eet analogues, le nombre

d'équations étanten faitmultipliépar deux.

Dansleassymétrique,déritsurlagure2.9,nouspouvons additionnerleséquations

orrespondantauxmasses1àdroiteetàgauhe,etauxmasses2àdroiteetàgauhe.Nous

obtenonsainsi leséquationssuivantes éritesenfontiondes ouverturesH =2Y =2Y

2 2r 2l

0 sont les ouvertures aureposau niveau de haune des masses.

Fig. 2.9 Représentation des ordes voales par un modèle à deux masses disposées sur

la géométrie dérite dans la partie 2.1.1.1. Dans e as, les deux ordes voales sont

symétriques, e qui réduitonsidérablement lenombre de paramètres de ontrle.

Nousdérivons alors unmodèle méaniqueontrolé parun jeude 8paramètres:m, k,

k

,Psub.Leouplageaveleuideesteetuéparl'intermédiairedesfores

depression.LapressionP

supra

estsupposéeégaleenmoyenneàlapressionatmosphérique.

Ses utuations sont dues à lapression aoustique à l'entrée du résonateur. Le ouplage

aoustique est donprisen omptedepart lamodiationde lahute depressioninduite

par ette utuation.

Calul des fores de pression

Lesfores de pressionsontalulées demêmequedéritparVilain[110℄.Ainsi,lafore

agissantsur haque masseest aluléeommelasommede deux omposantes (Fl

h1

pour la masse 2, l indiquant la omposante de gauhe, et r

la omposante de droite). Ces omposantes sont la somme des fores loales résultant

de la pression de l'éoulement d'air en haque pointdes plaques de la géométrie de

mo-masse1,lapressionen x

0

aune inuenenullealors quelapressionen x

1

aune inuene

maximale.Cela se traduitpar les équationssuivantes,

F

Collision des ordes voales

La ollision des ordes voales doit être vue sous deux aspets, l'aspet méanique

etl'aspet aérodynamique. En e qui onerne l'aspet aérodynamique, nous adapterons

le modèle en prenant notamment en ompte les eets visqueux ou l'inertie de

l'éoule-ment lorsde laollision(voirpartie 3).L'aspet méanique est luipris en omptepar un

modèle disret,quiontribuelui aussià lasimpliitédu modèle. Ainsi,telquedérit par

IshizakaetFlanagan[49℄,Lous etol.[60℄, ouVilain[110℄,noushoisissonsdedéterminer

laollisiondes ordes voales par une ouvertureritique H

.Si l'ouvertureauniveau des

masses H

1 et H

2

devient inférieur à ette ouverture ritique, alors nous hoisissons de

modier lesraideurset amortissementsde lafaçon suivante:

k

sont lesraideurset amortissements modiésen as de ollision.

Le hoix de la valeur à donner à l'ouverture ritique H

est disuté au hapitre 3.

Le nombre de paramètres de ontrle du modèle, bien qu'étant relativement faible,

resteimportant.Eneet,siertains,telsquelapressionsous-glottiqueP

sub

oulespositions

initialesdéritespar H

10 etH

20

ontunlienévidentavelaréalité,iln'enest pasde même

pour les autresparamètres, etil peut être déliatde leur donner des valeurs appropriées.

Simplier enore e modèle méanique est don justié par le fait de vouloir réduire

enore le nombre de paramètres de ontrle, rendant ainsi le lien ave la réalité plus

faile. Plusieurs simpliations du modèle à deux masses ouplées par une raideur de

ouplage k

peuvent être envisagées omme par exemple la transition vers un modèle

à deux masses ouplées temporellement tel que dérit par Titze [100℄ et Avanzini [5℄.

Le prinipe de la résultante dynamique est appliqué uniquement sur la première masse.

Le mouvement de la seonde masse est alors déduit de elui de la première par simple

déphasage temporel. Le retard entre les deux masses est xé à l'avane et permet de

reproduire des modes d'osillations ave une omplexité moindre que le modèle à deux

masses. De fait, en imposant un retard nul, nous réduisons alors es desriptions à un

modèleàunemasse,prohe deeluidéritparFlanaganetLangdraf[34℄.Nousdétaillons

ii e dernier modèle, ave une présentation néanmoins diérente de elle lassiquement

utiliséepuisquelagéométriesurlaquelleils'appuitestelledéritedanslapartie2.1.1.1et

non unegéométrie"retangulaire"ommedéritedans[34℄.Laomparaisondesrésultats

obtenusave lesdiérentsmodèlesthéoriques sera eetuée dans lapartie Validation.

Modèle à une masse

Le modèle à une masse de orde voale tel que l'ont dérit Flanagan et Langdraf [34℄

est iiadapté sur la géométrieprésentée dans la partie2.1.1.1.

Fig. 2.10 Représentation des ordes voales par un modèle à une masse. Cette masse

ommedérit sur la gure 2.10.

Leprinipedeladynamiqueappliquéàlamasseenprojetionsurl'axevertials'érit:

2

H(t)

t 2

+ r

m H(t)

t +

k

m

(H(t) H

0 )=

2

m

F(H(t);P

sub

;P

supra

) (2.30)

Le alul des fores est détaillé en annexe, il est largement simplié par rapport au

modèle préédent. Ave ette desription, nous supprimons un paramètre de ontrle: le

ouplage entre les masses. En ontrepartie, nous ne pourronsplus reproduire qu'un seul

mode de vibrationontre deux pour lemodèleàdeux masses.De plus,ave e modèle,il

est impossible de simuler des osillationsen l'absene d'un ouplage aoustique oud'une

perturbation de P

sub

([16℄).

2.2 Traitements, Outils

Les modèles présentés ii n'ont de sens que dans la mesure oùils permettent

d'expli-quer ou de quantier des phénomènes observés dans la réalité, "in-vitro" ou "in-vivo".

Pour ela, nous devons être apable d'extraire de es modèles des grandeurs

araté-ristiques qui pourront être reliées à des paramètres pertinents lassiquement observés

dans ledomainede la parole.Nous réalisonsdon une analysedynamique du modèle qui

onsiste en la disrétisation des équations diérentielles pour une résolution temporelle

pas à pas. Nous pouvons alors simuler le omportement des ordes voales et observer

des paramètres pertinents tels que le débit glottique U

g

(t), la dérivée du débit dU

g

dt , la

pressionaoustique rayonnée auniveau des lèvres, où enorel'ouvertureglottique

repré-sentée par H

1

(t) et H

2

(t). Nous eetuons aussi une analyse de stabilité des équations,

qui permet de déterminer rapidement, pour un jeu de paramètres de ontrle du

mo-dèle(m;k;k

;r;H

10

;H

20

;P

sub

;P

supra

),lespressionsde seuiletlafréquenefondamentaledes

osillations.

2.2.1 Analyse dynamique

Ils'agit dondedisrétiser leséquationsdes modèlesthéoriques déritsi-dessus pour

les résoudre pas à pas. Nous dérivons le shéma de résolution et ses diérentes étapes.

Ensuite,nous prenons en ompte lapropagation dans lesrésonateurs ouplés à lasoure

(voirAppliations, hapitre 4).

2.2.1.1 Disrétisation du système d'équations, résolution pas à pas

Nous dérivons la disrétisation des équations du modèle à deux masses, elle du

modèle à une masse étantanalogue etsimpliéepar rapportà elle-i, dans leas oùles

deux ordes voales sont symétriques. Nousreprenons don les équations 2.26, que nous

érivons sous formedisrète.

H

oùn est l'indie utilisé pour ladisrétisation du temps, t est le pas temporel.

Nousrésolvons e système linéaireet nous obtenons des solutions du type

H

sontdesfontionsdesvariablesH

1

Ainsi, nous pouvons onnaitre pas à pas l'évolution des grandeurs, en fontion des

paramètresde ontlem;k;k

;r;P

sub

quenouspouvons hoisir defaireévoluerauoursdu

temps. La simulationnumérique que nous eetuons suit le shéma de la gure 2.11, ii

sans prise en ompte de la propagation et du ouplage aoustique dans les résonateurs,

que nous détaillerons dans la setion suivante. Ce shéma est valable quel que soit le

modèle à une masse, sans propagation ni ouplage aoustique.

Après une étape d'initialisation, haque étape suit le ours suivant. Tout d'abord,

les pentes des "plaques" de la géométrie sont alulées. Ensuite, la position du point

de séparation de l'éoulement est déterminée. Nous alulons alors le débit glottique et

sa dérivée, puis les fores de pression. Enn les nouvelles positions sont alulées et les

grandeurs etparamètres de ontrle mis àjour pour l'étapesuivante.

2.2.1.2 Propagation aoustique dans un modèle de onduit voal disrétisé

et onditions aux limites des résonateurs

Propagation aoustique dans un onduit voal disrétisé

Nous l'avons vu en introdution, l'utilisation de onduit voal représenté sous forme

d'une fontion d'aire, pour l'utilisation en synthèse de parole, est assez lassique dans

la littérature ([51, 72℄). Cela équivaut à une représentation du onduit voal disrétisé

et retiligne pouvant être vu omme une suession de ylindres de setions diérentes

omme dérit sur la gure 2.12. Nous ajoutons que es onduits ont la même longueur

onduit disrétisé en ylindres de mêmelongueur.

Fig. 2.12 Shémade troisylindres d'unonduit voaldisrétisénumérotéi,i-1eti+1,

de setion A

i

;A

i 1 etA

i+1

. Les pressionsaoustiquessont représentées par p +

i

(t) enx=0

pour l'onde progressive en entrée du ylindre i, p

i (t+

L

) en x=L pour l'onde en sortie

du ylindre i, et on raisonne de même pour lestubes i-1 et i+1

Nousappliquonsdon les équations2.19 et 2.18 à haque ylindre d'indiei et d'aire

de setionA

i

(x;t) est la pressionaoustique dans leylindre d'indiei, u

i

(x;t)est ledébit

aous-tique dans leylindre, p +

i et p

i

lesondes de pressionprogressive et régressive.

Sousl'hypothèsede ontinuité delapressionetdudébitaoustique àlajontionentre

les ylindresi et i+1, omptetenu des équations 2.33, nous pouvons érire

A

Enombinant es équations, nous obtenons

p

où r

est le oeient de réetion à la jontion d'indie i, et

i

sont des oeents de propagation.

Dans un ontexte de simulation numérique, ave disrétisation de la variable temps

omme dans la setion 2.2.1.1, nous hoisissons une fréquene d'éhantillonnage F

e qui

permet de faire les aluls de propagationpar simple déalage d'indie. Ainsi nous

hoi-sissons F

e

. Sil'on note n l'indiede l'éhantillontemporel ourant, les

équations2.35 deviennent

p

Conditions aux limites des résonateurs

A ladesription préédente, nousdevons ajouter lesonditions auxlimites de laglotte

ainsi que elles en sortie du onduit voal (rayonnement au niveau des lèvres) ou de la

trahée.

Entermed'impédane, laglotteest onsidérée ommeune paroid'impédane aoustique

innie. La ondition d'entrée, par ontinuité du débit et de la pression en sortie de la

glotteest érite de la manièresuivante,

p

(n) sont les pressions aoustique au niveau de laglotte.

Laglotteestenfaitdériteommeun"ylindre"partiulierplaéenamontdupremier

"ylindre"duonduitvoaldisrétisé.Al'autreextrémité,lerayonnementauxlèvres doit

êtreprisen ompte. Celaaétédéritdanslapartie2.1.2.4.Nousavons obtenudiérentes

expressions pour l'impédane de rayonnement aux lèvres. L'enjeu est ii de transposer

ettedesription dansledomainetemporelet disret.Apartir de l'expression Z(L

res ) de

l'impédane de rayonnement (ave L

res

la longueur totale du résonateur), nous érivons

leoeient de réexion

R (L

par la longueur des subdivisions du onduit voal, nous déterminons la réponse

impul-sionnelle r(n) du ltre à réponse impulsionnelle nie assoiée au oeient de réexion

fréquentiel R (L

res

). De ette réponse impulsionnelle, nous ne onservons qu'un nombre

réduitd'éhantillons, quiserventàreonstituerun ltredontlesaratéristiques

fréquen-tielles sont très prohes du oeient de réexion. La gure 2.13 montre un exemple

typiquede reonstrution du oeient de réexion à partir d'un nombre restreint de la

réponseimpulsionnelle.Nousvoyonsparexemplequel'approximationquenousproposons

montre ses limitespour lestrès faiblesrayons a.

0 0.5 1 1.5 2

x 10 4 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fréquence, [Hz]

Module, normalisé

Rayon du piston équivalent 0.001m

0 0.5 1 1.5 2

x 10 4

−3

−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5 0

Fréquence, [Hz]

Phase, [rad]

Rayon du piston équivalent 0.001m

0 0.5 1 1.5 2

x 10 4 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fréquence, [Hz]

Module, normalisé

Rayon du piston équivalent 0.02m

0 0.5 1 1.5 2

x 10 4

−3

−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5 0

Fréquence, [Hz]

Phase, [rad]

Rayon du piston équivalent 0.02m Théorie

Filtre approché

Fig. 2.13 Comparaison de l'expression théorique du oeient de réexion d'unpiston

rayonnant dans un plan, ave la réponse fréquentielle d'un ltre approhant la réponse

impulsionnellethéorique, pour deux rayonsde pistons diérents.

Une desription analogue peut être faite si l'on onsidère un résonateur amont

(tra-hée). La pression aoustique aux extrémités de la glotte modie la hute de pression

qui permet de aluler le débit glottique et les fores de pression. A haque étape de la

simulation dérite sur le shéma de la gure 2.11, nous érivons P

supra

(n) = p +

supra (n

1)+p

supra

(n 1). Le ouplage entre les mouvements des ordes voales et l'aoustique

des résonateursest don pris en ompte de ette façon.

Fig.2.14 Résolutiontemporellepas àpasdes équations du modèleà deuxmasses ou du

modèle à une masse, ave propagation et ouplage aoustique.

2.2.2 Analyse de stabilité

L'analyse dynamique donne aès aux variationstemporelles des variables et permet

d'observer le omportement dynamique des modèles, les modes de vibrations. D'autres

paramètres sont pertinents à observer en parole, il s'agit des fréquenes fondamentales

d'osillationsetdes pressionsde seuild'osillation(pressionsous-glottiqueP

sub

néessaire

pour amorerl'osillationdes ordesvoales). Ces paramètresvontpouvoirêtre

détermi-nés par une analyse de stabilité du système, dérite par Cullen et ol. [24℄, Vilain [110℄,

sommed'unevaleuràl'équilibreetd'unevaleurutuanteautourdeetteposition

d'équi-libre. Par exemple pour une grandeur A donnée, nous érivons A =

A+a, où

A est la

valeur à l'équilibre et a la utuation autour de et équilibre. Nous analysons ensuite

les valeurs propres du système lors de sa utuation autour d'une position d'équilibre,

expliitée selon la méthode dérite à la setion 2.2.2.1. Celles-i nous permettent de

dé-terminer lespressions de seuil d'osillation et lafréquene fondamentale des osillations,

en fontion des paramètres de ontrle du modèle (m;k;k

2.2.2.1 Calul des positions d'équilibre

Poureetuerl'analysede stabilité,nous avonsbesoin dealulerlespositions

d'équi-libre du système autour desquelles interviendront les utuations. Nous utilisons une

méthodedu pointxeappliquéesur leséquationsméaniquesouplées àladesriptionde

l'éoulement.La position d'équilibreest aluléepar itérationssuessives. Nous

dénis-sonsleveteurx

n

(n)℄,nétantlenombred'itérations.Nous

dénissons alors lafontion F de plusieursvariablesqui au veteur x

n

assoiele veteur

F(x

(n)℄. Lesvaleurs du veteurF(x

n

) sont alulées de

la manièresuivante:

F

L'objetif est alors de déterminer les valeurs des omposantes de x

n

qui annulent

F(x

n

), don qui orrespondent à une position d'équilibre (vitesse et aélération nulle).

Pour arriverà e veteur solution,nous suivons laméthode du pointxe:

1. initialisationdu veteurx

0

ave lespositionset vitesses initiales.

2. aluldeF(x

à lavaleurde lapréision souhaitée.

3. si la préisiondésirée est atteinte, l'itérations'arrête, sinon, nous passons àl'étape

suivante.

4. aluldelamatrieJaobienneassoiéàF(x

0

)(resp.F(x

n

)àl'étapen),equi

équi-vaut dans le domaine des fontions à une seule variable et à une seule omposante

à alulerla dérivée _

F(x ) (resp.

_

F(x )) de F en x (resp. x ).

0 n 1 n+1

Nous obtenons ainsi les positions d'équilibres du système méanique ouplé à

l'éou-lement d'air.

2.2.2.2 Linéarisation des équations du système

Nousdétaillonsiilalinéarisationdeséquationsobtenuesavelemodèleàdeuxmasses

de la setion 2.1.3.2. Les grandeurs que nous déomposons omme dérit préédemment

sont:

Notons qu'ii nous n'avons onsidéré qu'une seule utuation pour haune des

pres-sions, e qui équivaut à ne onsidérer qu'une seule fréquene de résonane de haundes

résonateursaoustiques. Pour onsidérerdes résonanes d'ordressupérieurs,nous

ajoute-rons don des utuations supplémentaires aux termes de pression.

Les utuations des fores de pressions s'érivent en fait en fontion des autres

utua-tions, de part leur dépendane. Ainsi,nous obtenons:

f

exemple le alul de

où eq remplae

est eetué de la manière

suivante:

oùdh est la utuation de l'ouverture au niveau de la première masse, xée pour les

simulations àla valeur dh=10 10

.

Nouspouvons alors réérireleséquations 2.26,en injetant lestermesainsi

déompo-sés. Enonservant uniquement lapartie utuante, nous obtenons:

Notons que nous obtenons ii deux équations mais qu'il y a quatre grandeurs

u-tuantes (H

1

). Pour obtenir autant d'équations que d'inonnues, de

façon àontinuer l'analyse, nous avons deux solutions.

Lapremière onsisteà onsidérerune ouplusieursvaleurs utuantes ommeonstantes.

Par exemple, nous serons amener par la suite à supposer une pression sous-glottique

onstante (pas de ouplage ave la trahée). Les termes dépendant de ette utuation

disparaissent.De mêmesinous ne onsidérons auunouplage aoustique, lestermes qui

sont éritsen fontionde P

sub etP

supra

disparaissentetde faitnous obtenonsun système

de deux équations àdeux inonnues, dont nous pouvons étudierlastabilité.

La seonde solution onsiste à tenir omptedu ouplage aoustique ave les résonateurs

amontetaval(trahéeetonduitvoal).Nousutilisonspourelalesimpédanesd'entrées

des résonateursdéritesdanslapartie2.1.2.3.Dees impédanes,nousextrayons unepar

unelesrésonanesaoustiquesommeelaestindiquésurlagure2.15.Pluspréisément,

nousséletionnonslapremièrerésonaneetnousdéterminonssapulsation,son fateurde

qualité etson amplitude. Nousfaisons de même pour les résonanes d'ordre 2 et3, dont

tique ave le onduit voal est signiatif seulement lorsque la fréquene fondamentale

des osillations est prohe de la fréquene d'un formant du onduit voal (typiquement

le premier formant dans le as de la parole normale) tel que ela a été dérit par

Ro-thenberg, [78℄. L'utilisation des premières résonanes aoustiques uniquement est don

justiée, nous auronsl'oasiond'y revenir à lasetion 3.3.2.

Fig.2.15 Extration d'unerésonanede l'impédanederayonnementensortied'undes

résonateurs. Z

a

est l'amplitude de la résonane, !

a

=2f

a

est la pulsation de résonane,

et Q

a

son fateur de qualité

Ainsi, nous réduisons l'aoustique du résonateur à un nombre ni d'osillateurs du

seondordredéritpar des équationsdiérentiellesdu typede 2.44.Cettedesription est

en fait équivalente à la théorie linéaire du onduit voal, dérit par Flanagan [32℄, mais

oùl'on prend en ompteuniquement les premières résonanes aoustiques du résonateur

oùl'on prend en ompteuniquement les premières résonanes aoustiques du résonateur

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