4.2 Description de l’exploration in-vitro
4.2.1 Maquettes du larynx
La complexité de la géométrie et du comportement laryngés rend illusoire toute maquette répliquant le système phonatoire humain. Cette représentation ne pourrait, en outre, correspondre qu’à une confi-guration temporaire chez un sujet particulier, puisque la géométrie varie non seulement chez un locuteur en fonction de son contexte de communication (parole, chuchotement, cri, chant, etc.) et de son état physiologique (fatigue, stress, pathologie vocale, etc.), mais aussi très fortement entre les individus (sexe, entrainement vocal, etc.) (cf.1.2.1 Propriétés géométriques). Face à la diversité des configurations pos-sibles, et dans le but in fine de tester la pertinence de nos modèles théoriques, le choix des maquettes s’est porté vers une géométrie simple, qui n’a pas la prétention de reproduire une réalité physiologique. La démarche consiste davantage à approcher des conditions mécaniques et d’écoulement comparables à celles observées en phonation humaine.
En définitive, les dispositifs élaborés comprennent une maquette de cordes vocales à l’échelle 3 :1 à laquelle est adjointe en aval une maquette rigide de bandes ventriculaires, de géométrie ajustable.
Deux maquettes de cordes vocales ont été utilisées : – une maquette rigide statique,
– une maquette déformable auto-oscillante.
– une maquette rigide statique,
– une maquette rigide en oscillations forcées.
Pour chaque dispositif, la similarité dynamique entre le montage expérimental in-vitro et la réalité physiologique est préservée par la conservation des nombres de Reynolds Re et de Strouhal Sr (cf. chapitre 3). L’égalité des nombres de Reynolds et la similarité géométrique (x = 3 · ˜x) mènent à un rapport de vitesses mesurées in-vitro (u) et in-vivo (˜u) tel que : u/˜u = ˜x/x = 1/3. L’égalité des nombres de Strouhal conduisent à un rapport des fréquences mesurées in-vitro (f) et in-vivo ( ˜f ) tel que : f / ˜f = (˜x/x)2= 1/9. La correspondance entre les données physiologiques et les données in-vitro permises par les dispositifs statiques et dynamiques est détaillée dans le tableau 4.2, qui vient compléter le tableau 1.2. Les variables géométriques introduites dans la description des plates-formes expérimentales font référence aux figures 1.7 et 3.8.
Définition des ouvertures glottique et ventriculaire
Quelque soit le dispositif expérimental utilisé, la distance séparant les cordes vocales sur la maquette de cordes vocales et celle séparant les bandes ventriculaires sur la maquette de bandes ventriculaires dépendent du plan de coupe considéré. Elles peuvent donc être caractérisées de plusieurs façons. Nous proposons ici la définition des variables géométriques introduites pour mesurer les ouvertures glottique et ventriculaire sur les différentes maquettes du larynx utilisées .
Nous nous plaçons dans le repère (x, y, z) défini sur la figure 4.5 de sorte que la direction z suive l’axe glottique médian de la maquette de cordes vocales, et que le plan z = 0 scinde la maquette à sa demi-épaisseur Wcv/2.
La figure 4.5 schématise, à un instant t fixé, les variations suivant x et z de la distance séparant les bandes ventriculaires, notée Hbv(x, z, t), et celles de la distance séparant les cordes vocales, notée Hcv(x, z, t), observées sur les maquettes rigides du larynx d’une part ((a1), (a2) et ((b1), (b2))) et sur la maquette du larynx couplant une maquette rigide de bandes ventriculaires et la maquette déformable auto-oscillante de cordes vocales d’autre part ((a3) et (b3)). Par définition, quelle que soit la maquette considérée, nous posons :
hbv(z, t) = minxHbv(x, z, t) (4.1) hcv(z, t) = minxHcv(x, z, t) (4.2) Les maquettes rigides du larynx sont telles que hbv(z, t) = hbv(t) et hcv(z, t) = hcv(t), comme illustré sur les figures 4.5 (a2) et (b2). Dans la suite, nous définissons l’ouverture glottique sur la maquette auto-oscillante de cordes vocales par l’écartement entre les cordes vocales au centre de la maquette :
h0cv(t) = hcv(z = 0, t) (4.3) Nous noterons h0
cv la moyenne temporelle de h0
cv(t) sur un cycle glottique.
En définitive, dans le cadre de cette étude, les quantités hcv(t) et hbv(t) font référence soit aux ouvertures glottique et ventriculaire théoriques issues du travail de modélisation physique (cf.§3.2.1), soit aux ouvertures glottique et ventriculaire mesurées sur les maquettes rigides du larynx. Elles se distinguent des ouvertures glottique et ventriculaire mesurées sur l’humain ˜hcv(z, t) et ˜hbv(z, t), dépendantes de la position latérale z observée (cf.§ 2.3.2).
Maquette rigide de cordes vocales
La maquette statique du larynx est constituée d’une maquette en dural de cordes vocales d’épaisseur Wcv = 25mm, de géométrie ronde (rayon de courbure dcv/2 = 6mm), couplée en aval à une maquette en
Fig. 4.5 – (a1) (resp. (b1)) Description de la distance Hbv(resp. Hcv) sur une représentation schématique de la maquette rigide du larynx (vue en coupe dans le plan coronal), et de sa variation par rapport à x, à z fixé ;(a2) (resp. (b2)) Description de la distance hbv (resp. hcv) sur une représentation schématique de la maquette rigide du larynx en vue frontale. Illustration de l’indépendance de hbv et hcv par rapport à z pour cette maquette ; (a3) (resp. (b3)) Description de la distance hbv (resp. hcv) sur une représentation schématique de la maquette du larynx couplant une maquette rigide de bandes ventriculaires et la maquette déformable auto-oscillante de cordes vocales, en vue frontale. Illustration de l’indépendance de hbv et de la variation de hcv par rapport à z pour ce dispositif.
(a) (b)
Fig. 4.6 – (a) Représentation schématique de la maquette de cordes vocales rigides statiques. (1) : cylindres métalliques ; (2),(2’) : pièces en plexiglas enserrant les cylindres. D’après Ruty [162], 2007. (b) Représentation schématique du dispositif comprenant la maquette de bandes ventriculaires rigides en oscillations forcées (à gauche), canal à géométrie ronde formé par les cordes vocales (à droite). B : moteur à excentrique ; D : capteur optique de position ; C : maquette de bandes ventriculaires fixe (C1) et mobile (C2) ; E : capteur de pression. D’après Vilain[210], 2002.
dural de bandes ventriculaires d’épaisseur Wbv = 25mm, de géométrie ronde (rayon de courbure dbv/2 = 5mm ). La maquette de cordes vocales est constituée de deux cylindres représentés sur la figure 4.6 (a). L’ouverture glottique hcv et l’ouverture ventriculaire hbv sont controllées paramétriquement avec une précision de ±0.05mm via l’utilisation de cales étalons. L’espace séparant les deux maquettes et formant à ce titre le ventricule de Morgagni est constitué d’un tube cylindrique en plexiglas de section uniforme (hventricule = 26mm) et de longueur Lventricule variable. Plusieurs distances Lventricule ont été testées (26mm, 31mm, 36mm, 41mm, 51mm, 71mm, 91mm, 111mm, 131mm et 181mm), même si certaines d’entre elles sont très éloignées d’une géométrie réaliste (cf. chapitre 1). Bien que ces différentes longueurs décrivent des réalités physiologiques distinctes, leurs analyses présentent tout leur intérêt en confrontation l’une avec l’autre pour mieux appréhender la différence des phénomènes physiques impliqués dans chaque configuration. Sauf cas particuliers, Lventriculeest choisi égal à 26mm, à savoir la plus petite distance autorisée par le dispositif.
Maquette déformable de cordes vocales
Fig. 4.7 – Photographies et représentations schématiques de la maquette déformable auto-oscillante de cordes vocales. (a) : membrane de latex tendue sur la pièce métallique, (b), (b’) : pièces métalliques évidées constituant le corps de la corde vocale, (c) : réservoir d’eau sous pression. Schémas d’après Ruty
[162], 2007.
Afin de réaliser des conditions d’écoulement instationnaires, un autre dispositif a été développé. Il est constitué d’une maquette de cordes vocales déformable (Wcv = 20mm), composée de membranes de latex (Piercan Ltd) d’épaisseur 0.2mm (± 10%), remplies d’eau sous pression simulant une tension intrinsèque, notée Pi. Pour une pression d’alimentation P0 suffisante, la maquette de cordes vocales est capable d’entrer dans un régime d’oscillations auto-entretenues. Les pressions d’alimentation, l’amplitude vibratoire et les fréquences d’oscillations sont comparables à celles rencontrées en phonation humaine (cf. tableau 4.2). Cette maquette est inspirée de la maquette de lèvres vibrantes décrite dans Gilbert & al.
[66], 1998, son principe est détaillé dans Ruty & al.[163], 2006 et illustré figure 4.7. CV en oscillations auto-entretenues et BV statiques
La maquette dynamique de cordes vocales a été utilisée dans deux plates-formes expérimentales dif-férentes :
– Une plate-forme destinée à la mesure de la distribution de pression.
Les maquettes de bandes ventriculaires et du ventricule laryngé sont alors identiques à celles utilisées dans la configuration rigide statique mentionnée précédemment, à Lventricule et hbv fixés. Une illustration de l’ensemble du dispositif expérimental est donné sur la figure 4.8. La pression interne de la maquette déformable auto-oscillante est ajustée par la variation de la hauteur de la colonne d’eau reliée au montage. Cette pression peut varier de 0 à 10kPa. Elle a une influence directe sur les propriétés mécaniques et géométriques de la maquette (dcv, h0
cv(t = 0)). Sauf indication contraire, elle est maintenue à 5000Pa dans le cadre de ce travail. Cette valeur correspond à un comportement
vibratoire optimal, observé de manière analogue chez Ruty & al.[164], 2007 et Ruty[162], 2007. Dans cette configuration, la longueur glottique longitudinale dcv mesure 9mm. Afin d’éviter un couplage acoustique significatif avec les conduits en amont de la maquette de cordes vocales (Zhang & al.[223], 2006, Ruty [162], 2007), la longueur du résonateur quart d’onde en entrée du dispositif, Ltrachee, est réduite à 119mm. Cette longueur induit une première résonance acoustique aux environs de 714Hz, excédant largement la fréquence fondamentale des oscillations de l’écoulement, typiquement mesurée en-deçà de 200Hz.
Fig. 4.8 – Photographies de la maquette déformable auto-oscillante de cordes vocales couplée à la maquette rigide statique de bandes ventriculaires. A : vue d’ensemble du dispositif ; B : vue de dessus ; C : vue de face ; D : vue de profil.
– Une plate-forme destinée à des mesures vélocimétriques par images de particules (PIV), effec-tuées à la School of Physics, Acoustics and Fluid Dynamics group, University of Edinburgh, dans le cadre d’une collaboration avec Michael Newton et Murray Campbell.
La maquette de cordes vocales a été couplée à un ventricule laryngé de section carrée, de longueurs interne 25mm (hventricule) et externe 29mm1. Afin d’obtenir un champ d’observation le plus large possible, deux demi-cylindres métalliques d’épaisseur Wbv= 25mm et de géométrie ronde (rayon de courbure dbv/2 = 5mm) ont été collés directement dans le ventricule en guise de bandes ventriculaires (cf. figure 4.9). Plusieurs conduits vocaux ont ainsi été construits en cohérence avec les dimensions de la réalité physiologique, rapportées par Agarwal & al. [3], 2003 et Agarwal [2], 2004. Peu de
1
Conduits construits par l’assemblage de plaques de verre d’épaisseur 2mm, découpées au détail (Société Générale de Miroiterie, Grenoble).
configurations géométriques ont néanmoins pu être testées dans le cadre de cette thèse : hbv = 3mm ou 1mm, Lventricule = 24mm ou 16mm avec Lconduitvocal= 58mm, Ltrachee= 254mm (cf. figure 4.9). Ces géométries sont résumées dans le tableau 4.1. Le cas CV − BV3 n’a pas été analysé dans le cadre de ce travail.
Configuration Lventricule hbv h0
cv P0 f0
Jet libre (CV, sans conduit vocal) - - 1.5mm 380Pa 143Hz Jet confiné (CV, avec conduit vocal, sans BV) 58mm - 1.5mm 380Pa 143Hz CV − BV1 (CV, avec conduit vocal et BV) 16mm 3mm 1.3mm 270Pa 141Hz CV − BV2 (CV, avec conduit vocal et BV) 24mm 1mm 1.3mm 677Pa 131Hz CV − BV3 (CV, avec conduit vocal et BV) 24mm 3mm 1.3mm 242Pa 141Hz Tab. 4.1 – Tableau récapitulatif des configurations géométriques et des conditions expérimentales relatives aux acquisitions PIV. Pour toutes les configurations, Pi= 2200P a.
Fig. 4.9 – Photographies de la maquette déformable auto-oscillante de cordes vocales couplée à la maquette rigide statique de bandes ventriculaires dans le dispositif de mesures PIV. A : vue d’ensemble du dispositif ; B : vue de dessus ; (a) : « cordes vocales » auto-oscillantes ; (b) « ventricule laryngé » ; (c) « bandes ventriculaires » rigides statiques ; (d) réservoir de pression.
Quelle que soit la configuration de la constriction ventriculaire, la pression interne des cordes vo-cales a été maintenue à Pi = 2200P a, afin d’obtenir une pression de seuil d’oscillation minimale. Cette valeur optimale est plus faible que dans la plate-forme précédente, en raison des modifica-tions apportées pour la mise en place de ce banc de mesure. En particulier, le réservoir de pression alimentant le dispositif a dû être reconstruit pour concilier les exigences liées à l’auto-oscillation de la maquette de cordes vocales, et celles liées au mode opératoire de la technique PIV. Afin de faciliter l’analyse des données, la pression sous-glottique P0 est réglée pour chaque configuration à
sa valeur minimale suffisante pour entretenir une auto-oscillation stable de la maquette de cordes vocales (cf. tableau 4.1).
CV en oscillations auto-entretenues et BV en oscillations forcées
La maquette de bandes ventriculaires précédente est remplacée par une maquette rigide autorisant la vibration d’une bande suivant la direction transversale, l’autre corde restant figée. Elle mesure 30mm d’épaisseur (Wbv) et forme un canal de géométrie ronde (rayon de courbure dbv/2 =10mm), représenté sur la figure 4.6 (b). Cette maquette, décrite dans Hofmans [86], 1998, Vilain [210], 2002, Deverge [47], 2002 et Deverge & al. [48], 2003, entre en oscillations forcées sinusoïdales via l’utilisation d’un moteur électrique à excentrique permettant un contrôle de l’amplitude et de la vitesse de la vibration. La position instantanée de la bande mobile est mesurée à l’aide d’un capteur optique (Optek OPB700), calibré au préalable. Cette calibration est réalisée à l’aide de cales étalons, de hauteur croissante de 0.6mm à 1.44mm par pas de 0.1mm. La tension d’alimentation du moteur permet un contrôle de la vitesse. La gamme des fréquences d’oscillation autorisées par le moteur varie de 0 à 30Hz (ce qui correspond physiologiquement à des fréquences de phonation variant de 0 à 270Hz). La hauteur hbv(t) oscille entre 0.035mm et 1.20mm puis entre 1.70mm et 2.50mm.
La maquette de cordes vocales reste inchangée comparativement au montage précédent. La pression interne a été fixée à 3000Pa dans cette configuration. La longueur du résonateur amont simulant la trachée est de 208mm. Pour des raisons imposées par l’installation technique du dispositif, Lventricule a été fixée à 150mm dans ce cas. Cette géométrie décrit une configuration irréaliste pour l’étude des bandes ventriculaires et correspond davantage à l’étude de la production des séquences voyelle/plosive/voyelle, ce pourquoi l’analyse de cette configuration est détaillée dans l’annexe C de ce mémoire. Elle présente néanmoins tout son intérêt en confrontation avec les autres géométries considérées, afin de vérifier si les mêmes phénomènes sont observés par la mesure indépendamment de Lventricule.
Données in-vivo Données in-vitro
Echelle 1 3
Longueur glottique, dcv, valeur moyenne 4mm 9, 12mm1
Espace glottique, hcv, plage de valeurs 0 - 3mm 0 - 5.95mm Espace ventriculaire, hbv, plage de valeurs 0 - 9.0mm 0 - 26mm Longueur du ventricule, Lventricule, plage de valeurs 3.3 - 7.5mm 16 - 181mm Hauteur du ventricule, hventricule, plage de valeurs 9.6 - 23.0mm 25, 26mm2
Hauteur de la trachée, h0, valeur moyenne 20mm 20, 25, 30mm3
Ratio caractéristique hbv/Lventricule, plage de valeurs 0 - 2.7 0 - 1 Pressions de seuils d’oscillation, Ponset, plage de valeurs 300 - 1000Pa 200 - 3000Pa Fréquence des oscillations, f0, plage de valeurs 60 - 1500Hz 100 - 200Hz Pression d’alimentation, P0, plage de valeurs 300 - 3600Pa 0 - 3000Pa Nombre de Reynolds, Re, plage de valeurs 1700 - 33004 1000 - 46004
Nombre de Strouhal, Sr, plage de valeurs 0.01 - 0.034 0.02 - 0.14
1
9mm (respectivement 12mm) pour la maquette laryngée dynamique (respectivement statique).
2
25mm (respectivement 26mm) pour les conduits de section carrée (circulaire).
3
30mm en aval des dispositifs en oscillations forcées et 20 en aval du dispositif en oscillations auto-entretenues.
4
estimations provenant de la pression d’alimentation, d’un espace glottique hcvégal à 1mm (valeur moyenne) et d’une fréquence des oscillations f0égale à 150Hz (valeur moyenne).
Tab. 4.2 – Tableau récapitulatif des grandeurs physiologiques d’un larynx humain chez un individu adulte masculin en phonation parlée et chantée, comparativement aux caractéristiques géométriques et aérodyna-miques de la maquette du larynx utilisée pour l’exploration in-vitro. D’après Husson[92], 1962, Hollien & Colton [88], 1969, Wilson [216], 1976, Kitzing & Sonesson [101], 1967, Hirano & al. [84], 1983, Holmberg & al.[91], 1988, Pelorson & al.[147], 1994, Agarwal & al.[3], 2003, Agarwal[2], 2004.