HAL Id: tel-00370316
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Submitted on 24 Mar 2009
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Modèles d’interactions fluide/parois dans le conduit vocal. Applications aux voix et aux pathologies
Nicolas Ruty
To cite this version:
Nicolas Ruty. Modèles d’interactions fluide/parois dans le conduit vocal. Applications aux voix et aux pathologies. Sciences de l’ingénieur [physics]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2007. Français. �tel-00370316�
N o
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THÈSE
pour obtenir legrade de
DOCTEUR de l'INPG
Spéialité: SIGNAL, IMAGE, PAROLE, TÉLÉCOMS
préparée aulaboratoire
Gipsa-Lab, Département Parole et Cognition, UMR CNRS 5216
dans le adre de l'Eole Dotorale
Életronique, Életrotehnique, Automatique et Traitement du
Signal
présentée etsoutenue publiquementpar
Niolas Ruty
le 30Novembre 2007
Titre:
Modèles d'interations uide parois
dans le onduit voal
Appliations aux voix et aux pathologies
Direteur de thèse:
XavierPelorson
JURY
M. Bernard Guérin, Président
Mme. Anna Barney, Rapporteur
M. JoëlGilbert, Rapporteur
M. Xavier Pelorson, Direteurde thèse
M. Avraham Hirshberg, Examinateur
Mme. Annemie VanHirtum, Examinateur
THÈSE
pour obtenir legrade de
DOCTEUR de l'INPG
Spéialité: SIGNAL, IMAGE, PAROLE, TÉLÉCOMS
préparée aulaboratoire
Gipsa-Lab, Département Parole et Cognition, UMR CNRS 5216
dans leadre de l'Eole Dotorale
Életronique, Életrotehnique, Automatique et Traitement du
Signal
présentée etsoutenue publiquementpar
Niolas Ruty
le30 novembre 2007
Titre:
Modèles d'interations uide parois
dans le onduit voal
Appliations aux voix et aux pathologies
Direteur de thèse:
XavierPelorson
JURY
M. Bernard Guérin, Président
Mme. Anna Barney, Rapporteur
M. JoëlGilbert, Rapporteur
M. Xavier Pelorson, Direteurde thèse
M. Avraham Hirshberg, Examinateur
Mme. Annemie VanHirtum, Examinateur
A.V.H.
A bien ommener, je vaisommener par le ommenement.La raison pour laquelle
j'aiatterri àl'ICP devenu Gipsa-LabDPC,est que j'ai suivi,durant madeuxièmeannée
à l'Ensieg, un ours de Pierre Esudier sur la musique, la parole, le violon de Savart...
Plustard,j'aidonherhé dansquellaboratoireonpouvaitbienétudiertout ça.Et'est
ainsi que lorsde mon PFE/stage de DEA, la porte de l'ICP m'a été ouverte (après que
j'ai monté les 5 étages à pied) par Xavier, je ite "en lair, vous avez le stage". Cette
porte ouverte se serait bien évidemment refermée si Jean-Lu Shwartz ne m'avait pas
aueillidans e laboratoiredontilétait ledireteur.Jeleremeriedon iipoursasym-
pathieetses enouragements. JeremerieégalementGérardBailly,nouveau direteur du
département Parole et Cognition, pour son aueil et son message de soutien peu avant
ma soutenane. Je dois bien sûr à Xavier la suite des évènements puisque il a obtenu le
nanement pour ma thèse qu'il a enadré ave, dirons nous, sa fore tranquille et ses
sympathiques bottages de ul relatifs à mes érits en anglais d'une qualité linguistique
prohe, dixit Xavier lui-même, du "yougoslave". Alors pour tout ça, je n'ai pas mieux
qu'un grand merisi e n'est,peut-être, un t-shirt du groupemythique La Vérue...
Je remerie bien évidemment les membres de mon jury de thèse: Bernard Guérin pour
l'avoirprésidé,AnnaBarneypour avoirluetrapportée manusritave attentionetpré-
ision,JoëlGilbertpour saletureattentive,son rapportetsonenthousiasme onernant
mes travaux, Mio Hirshberg pour ses questions plus que pertinentes lors de la soute-
nane mais aussi l'inuene et l'aide qu'il a pu apporter à es travaux, et Annemie Van
Hirtum, mais j'y reviendrai.
Je vais maintenant tenter de n'oublier personne parmi eux qui ont partiipéde près ou
deloinaubondéroulementdes travauxetdelarédationde ettethèse.Ceux quiauront
été oubliés par mégarde, pourrontrélamer un album de La Vérue, intitulé "RiezNoir",
àun tarifpréférentiel (laveruefree.frobjet: rélamation).
Je salue don ii l'équipe tehnique pour son soutien "tehnique" Monique, Christian,
Monsieur Medves (un jour mon vélo sera réglé "pile-poil", si si), et surtout le grand, le
magniqueSupport. Je remerie l'administratrieen hef, elle que personne ne tutoie à
part Annemie, j'ai nommé Mme Gaude, ça manque quand même les "Monsieur Medves
pourMadameGaude".JeremerieNadine,sagrandegueuleetsespoignéesdephalanges,
parfois letemps de disuter, quand ilsn'ontpas 2000 deadlines,projets,réunions: Pasal
Perrier et ses préieux onseils lors des répétitions de masoutenane, Pierre Badin pour
lesdisussionssurlebioetlereste,FrédériBerthommieretsonétrangeulturegénérale,
Hélène, ses 400m départ arrêté dans le ouloir, mais 'est pour labonne ause "l'avané
de la onnaissane", Nathalie et ses rises de hant (je prévois une étude de la orréla-
tion entre la périodiité de es rises et les onditions météorologiques dans la uvette
grenobloise), Laurent Girin et ses bêtisiers étudiants, Frédéri Elisei, en espérant qu'un
jour tu auras le temps de manger (peut être pendanttes vaanes?), Coriandre "Pipou"
Vilain le grumeau, Anne Vilain la post-hippie, et enn bordel mon o-bureau Matthieu
Chabanas. Je"Sphinxaglut"Annemie,quimalgréplusde troisans d'eortsne meom-
prend toujourspas quand je m'exprimedans salanguematernelle (le"amush").Meri
pour etteprésene presque permanente (entreoupée de ravitaillementen afé aulaitet
parfois pour le"tartine-time")danse bureautropial,oùil paraitqu'un atus aperdu
des bras à ause d'un ballon. Je pense que 'est peu dire que sans ton aide, ette thèse
n'auraitpas vraimenteu lemême sens. Jenote aussiqu'apprendre le"Annemie"(langue
rare quigagneàêtre onnue)est tout mêmeassez intéressant,onpeut y releverdes mots
omme "dubière", "yahu afédéjà", ouenore "taféjoligur?"...
Jeremerielesstagiairesquiontpartiipéàestravauxetapportédelajoieetdelagaieté
dansette"sallemanip"oùilfaitsihaudàpartird'avril:YvesGarnier(futurrésidentdu
Salvador),JulienCisonni(quiest devenuD'Joujou,maisj'y reviendraiaussi),Le"Grand
Esro" Philippe Plassard (et je te rappelle quetu medois une basse à 6 ordesdont tu
ne te sers plus...), SamuelPaumard (on se sert enore de ton iruitave la photodiode,
omme quoi les ingénieurs font parfois des hoses qui fontionnent!), Maggy Jumelin et
son(free)styledenitiond'unrapportdestage(onappelleçaL'ArtHahejerois),Julien
"MobMaup" Mauprivez etsapontualité àtoutesépreuves, etennl'horriblesquatteuse
de bureauJulieGroleau.
Je remerie les autres ignobles ompagnons de galère (omment ça 'est pas rédible?!)
qui ont eetué leur thèse ou post-do sur des segments temporels qui ont eu une inter-
setion non nulle ave ma présene à l'ICP, haun a amené sa louhe de siure à mes
toilettessèhes.Lesaniensd'abord: JulieFonteaveetsesgâteaux(très bons,mêmes'ils
sont pas bio!), l'Impitoyable Bertrand Rivet qui fait trembler tous les étudiants de l'En-
serg, JihèneSerkhane etses utopies,GrgBite aliasGuillaumeGibertete style si"pine
sans rire", la onierge Virginie Attina (omment ça t'es pas d'aord qu'on t'appelle la
onierge?), etbien sûr leseull'unique Antoine Serrurier etses luttesperpétuellesontre
l'administration, les banques, la télévision, et les légumes bio (oui je sais t'es d'aord
en fait, mais bon 'est ompliqué...). Mes ontemporains: le "petit" Nourredinne et ses
phrasesdu jourarrêtéessans doutetroptt, le"grand"Stephan etetteétrangeapaité
de pouvoirfairedeuxrepasdansunseulgrâeàunetehniquepartiulière(Commentfais
tupourmangerautant:"Beh'est simple,ilsut de nir e qu'ilya dansl'assiette", en
l'ourene l'assiette pour Stephan, 'est plutt un saladier), Aude la ampusienne plus
niPouf"aliasStéphanie pour saperpétuelle bonne humeur(sans ironie hein), Anahitaet
ses fantastiquesexpérienes Tapatapatapatapatapatapatapatapa,Viet-Anh àquionpeut
direbonjour10foisparjour,VoisinaliasMathieuFauvel(ux)etsaméthodedemesuredes
distanes un peu partiulière, Maman aliasAmélie (et ses ramiations Paul etFrançois
"je joue ave le feu") et ses névroses (mais si Maman, on y roit aux maisons éolos!),
Marpouf alias Marion pour son point nal et sa non-maîtrise du temps qui passe trop
vite mais que bientt il passera plus lentement un jour 'est sûr, D'Joujou alias Julien
pour son alme légendaire,ses boites de hewing-gum,son soutien àtous lesonerts de
la Vérue ou presque et ses remixs, Le Taré alias Xavier G. pour sa tehnique de sortie
d'unepièe(ah larotationinverse...)etsaméthodede montaged'unmurprovisoiredans
son bureau, Chpower aliasQuihe aliasLuie pour sa releture attentive de ette thèse,
toutesses disussions queseulslesmurs de lasallemanipretiendront,etpour tesdix ans
de ûte (pastraversière,et en plus'est pas dix mais quinzeans...) quiont partiipéàla
renommée de lahanson "C'est ça ouais", Maman aliasClaire, son Totor et son Kémar,
enespèrantquetune teasseras pas labouhe àtropjouerdelarinettebasse(pareque
les gens ils aiment bien la larinette basse...). Ah j'oubliais, meri à vous les maquettes
en aouthou naturel (bio?)...
Meri à La Vérue, 'est à dire Antoine, Brie, Polo, Marpouf, Nio,Maskelsme, qui font
ouontfait qu'on va devenir un supergroupesuperfort supergénialqui va révolutionner
lemonde de la musique pas arrée.
Meri à vous les Stapmoles Rud et Poy, pour m'avoir permis de faire des études si
looooooooooonnnnnnnnnnguuuuuuuueeeeeeeeeee,maisattendez'estpasenoreterminé.
Meri à Mole etMeuto, et 'est pas grave sivous avez raté lasoutenane, j'ai la vidéo!!!
Vous pourrezlapasser en boule. Meri àBuf, Alex etlamini-Marion,etje rappelleque
je rois quevotre hangar en botte de paille n'attend que moipour être onstruit...
Enn et pour terminer, meri à toi ma Boulette pour ton "soutien logistique" et mo-
ral durant toute ette drle de période (surtout la n de la rédation ave mes horaires
7H/20H), meri d'avoir aepté d'avoirsouvent tort, etde pas trop avoir foutule bordel
quand j'ai servià rien! Meri d'avoirtoujours été "toute gentille".
Tout au long de e manusrit, diérents termes font référene à une dénition xe.
Ainsi,lorsquenous parlonsde réalité,ils'agitde laréalitéphysiologiquede l'êtrehumain.
Demême,lestermes modèle/modélisation sontemployésuniquementpour faireréférene
à des desriptions théoriques (modèle de ordes voales, modèle d'éoulement, modélisa-
tion aoustique, ...).Le dispositif expérimentaln'est don pas onsidéré ommelaréalité
physiologiquemais omme un ensemblede maquettes des diérentes parties de l'appareil
phonatoire humain (maquettes de "ordes voales", réservoir de pression ("poumons"),
résonateurs aoustiques ("trahée" et "onduit voal")). Lorsque nous érivons "ordes
voales",les guillemetssignient qu'ilest question de lamaquette.
Une listede symboles utilisés dans lesdiérentshapitresest donnée en annexe A.
1 Introdution 19
1.1 Contexte général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.1 Desriptionde l'appareilphonatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.2 Enjeuxde e travailde reherhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 Des modèles de ordes voaleset des degrés de libertés . . . . . . . . . . . 22
1.2.1 Modèles ontinus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.2 Modèles distribués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.3 Lesinterations ave l'éoulement etles résonateurs aoustique. . . 24
1.2.4 Modèles paramétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3 Des dispositifs expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.1 Des mesures sur l'humain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.2 Des maquettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.3 Pour validerles desriptionsthéoriques . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4 Objetif etplan de lathèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2 Théorie 29 2.1 Desription théorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.1 Desriptionde l'éoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.1.3 Equationsonstitutivesduomportementd'unuidenew-
tonien inompressible. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.1.4 Desriptionsdel'éoulementutiliséesdansleadredenos travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.2 Modélisationaoustique du onduit voalet de latrahée . . . . . . 38
2.1.2.1 Hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.2.2 Propagation des ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.2.3 Impédaned'entrée du onduitvoal,as d'un résonateur de setionuniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.2.4 Rayonnement en sortie du résonateur . . . . . . . . . . . . 40
2.1.3 Modèles méaniques de ordes voales . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.3.1 Modèlesdistribués, généralités . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.3.2 Modèle àdeux masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.3.3 Les dérivées/simpliationsdu modèle àdeux masses . . . 46
2.2 Traitements,Outils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.1 Analyse dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.1.1 Disrétisation du système d'équations, résolution pas à pas 48 2.2.1.2 Propagation aoustique dans un modèle de onduitvoal disrétisé et onditions aux limitesdes résonateurs . . . . 49
2.2.2 Analyse de stabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.2.1 Calul des positions d'équilibre . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.2.2 Linéarisation des équations du système . . . . . . . . . . . 55
2.2.2.3 Représentation d'état du système . . . . . . . . . . . . . . 58
2.2.2.4 Analyse de valeurs propres du système . . . . . . . . . . . 59
2.2.2.5 Pression de seuil et fréquene fondamentale des osillations 60
3 Validation Expérimentale 63
3.1 Historique, maquettes utiliséeslorsdes travaux préédents . . . . . . . . . 64
3.1.1 Maquettes rigides,éoulementonstant . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.2 Maquettes rigides,éoulementosillant . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.3 Maquettes rigidesmobiles, éoulement onstant . . . . . . . . . . . 65
3.1.4 Maquette déformable, appliationsaux lèvres de tromboniste . . . . 66
3.2 Desription générale du dispositif expérimental. . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1 Maquette de l'appareilphonatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1.1 Leréservoirde pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1.2 Lesmaquettes de ordes voales. . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.1.3 Lesrésonateurs aoustiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1.4 Comparaisondesordresdegrandeursentrehumainetma- quette de l'appareilphonatoire . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2 Dispositif de mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.2.1 Mesures de lapression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2.2 Mesures optiquesdu déplaement . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2.3 Aquisition des signaux provenant des apteurs . . . . . . 77
3.2.2.4 Aquisition d'imagesprovenant de laaméra. . . . . . . . 77
3.2.3 Protoole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.3.1 Amorçagedes osillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.3.2 Régimeétabli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3 Validationdes modèles théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 Liensentrelesmaquettes etlesdesriptionsthéoriques del'appareil phonatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
voales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.1.3 Tableau Réapitulatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.2 Eet du ouplage aoustique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.2.1 Mesure expérimentale de l'inuene de la harge aoustique 86
3.3.2.2 Préditionthéoriquedel'eetduouplageaoustique aval
et omparaisonmesures/théorie, modèle à deux masses . . 89
3.3.2.3 Préditionthéoriquedel'eetduouplageaoustique aval
et omparaisonmesures/théorie, modèle à une masse . . . 93
3.3.2.4 Conlusion sur l'eet du ouplage aoustique . . . . . . . 94
3.3.3 Inuene de la variationdes aratéristiquesméaniques . . . . . . 95
3.3.3.1 Mesuresexpérimentalesdel'eetdelavariationdelapres-
sion interneP
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.3.2 Prédition théorique de l'inuene de la variation des a-
ratéristiques méaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.3.3.3 Inuenedu modèled'éoulementsurlespréditionsthéo-
riques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3.3.4 Prise en ompted'une formeplus réaliste de la géométrie . 103
3.3.3.5 Conlusion sur l'eet de la variation des aratéristiques
méaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.3.4 Inuene de l'ouverture initiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.3.4.1 Mesures de l'ouvertureinitiale aurepos . . . . . . . . . . 107
3.3.4.2 Mesures des pressions de seuil et fréquene d'osillation . . 107
3.3.4.3 Préditions théoriquesdes pressions de seuil etfréquenes
fondamentales d'osillations . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4 Résumé de la partie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4 Appliations: synthèse de voix et pathologies 113
