HAL Id: tel-01162751
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01162751v3
Submitted on 18 May 2016
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
des maquettes de plis vocaux : applications à des configurations pathologiques
Nicolas Hermant
To cite this version:
Nicolas Hermant. Observation, modélisation et simulation des vibrations des maquettes de plis vo- caux : applications à des configurations pathologiques. Traitement du signal et de l’image [eess.SP].
Université de Grenoble, 2014. Français. �NNT : 2014GRENT111�. �tel-01162751v3�
Pour obtenir legrade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spéialité : Signal, Images, Paroles, Téléoms (SIPT)
Arrêtéministériel :7août2006
Présentée par
Niolas HERMANT
Thèse dirigée par Xavier PELORSON
préparée ausein du laboratoireGrenoble Image Parole Signal
Automatique (GIPSA-lab)
dans l'éoledotorale Eletronique, Eletrotehnique,
Automatique, Traitement du Signal (EEATS)
Observation, modélisation et
simulation des vibrations des
maquettes de plis voaux.
Appliations à des ongurations pathologiques
Thèse soutenue publiquementle 09 otobre 2014,
devant le jury omposé de :
Anna BARNEY
Université de Southamtpon, Rapporteur
Pierre-Yves LAGREE
UPMC Université Paris06, Rapporteur
Jérme ANTONI
INSA de Lyon, Président
Thomas HELIE
IRCAM, Examinateur
Xavier PELORSON
GIPSA-lab, Examinateur
Franz CHOULY
Laboratoire de Mathématiques de Besançon,Examinateur
Fabrie SILVA
GIPSA-lab, Examinateur
EEATS
Eletronique, Eletrotehnique, Automatique, Traitement du Signal
T H È S E
pour obtenir letitre de
doteur en sienes
de l'Université de Grenoble
Mention : SIPT
Présentée etsoutenue par
Niolas HERMANT
Observation, modélisation et simulation des vibrations des
maquettes de plis voaux.
Appliations à des ongurations pathologiques
Thèse dirigée par Xavier PELORSON
Grenoble Image Parole Signal Automatique (GIPSA-lab)
soutenue le09 otobre 2014
Jury :
Rapporteurs : Anna Barney - Université de Southampton
Pierre-Yves LAGREE - UPMC
Examinateurs : Jérme ANTONI - INSA de Lyon
ThomasHELIE - IRCAM
Enadrant : Franz CHOULY - LMB
Enadrant : FabrieSILVA - GIPSA-lab
Direteur : Xavier PELORSON - GIPSA-lab
mais s'il faut tout louer,
je vous dirais que deux fois deux inq est aussi une hose harmante.
Dostoïevski, Lesarnetsdusous-sol
Remeriements
Je remerie mon direteur de thèse Xavier Pelorson pour m'avoir enadré pendant es
années, pour lalibertéqu'ilm'a aordéedansl'orientation de mesaxesde travailetenn pour
m'avoir permis d'ahever es travaux dans de bonnes onditions. Je remerie Anna Barney et
Pierre-YvesLagréed'avoiraepté d'êtrelesrapporteursdemontravailde thèse,ThomasHélie
d'avoir été examinateur lors de la soutenaneet enn Jérme Antoni d'avoir présidémon jury
de soutenane.
Je tiensàsoulignerl'enadrement etlesoutienpréieuxdeFabrieSilvaetdeFranzChouly.
L'intérêt qu'ils ont susité vis à vis de mes travaux de thèse, la persévérane dont ils ont fait
preuve fae à mes inompréhensions et la métiulosité de leur approhe ont apporté de la
profondeur à ette thèse. J'ai trouvé très agréable de pouvoir éhanger et apprendre ave eux
et je les remerie pour leur immense disponibilité et leur patiene quand il s'agissait de me
réexpliquer enore et enore e qui avait du mal à entrer dans ma tête. Meri notamment à
Fabrie d'avoir pris le temps et les nombreuses feuilles de brouillon A3 pour développer des
aluls matriielsbarbares,ça meferades jolisposters.
Un grosmeriàtouseuxquisont passéspar lebureau"TopAlaDéonne"et n'ontpaseu
d'autre hoix quede mesupporter jours après jours ave mes humeurs et mes goûts musiaux
(parfois douteux). Je penseen tout premier lieu à LouLou qui aurasouert leplus longtemps
de ma présene mais qui se sera allègrement venger en me faisant régulièrement éouter les
"progressions" de sa synthèse de prout. Viennent ensuite Noel le kangourou tranquille qui
"envoielepate",Paulquiauralalourdetâhedefairesurvivrel'espritTADmalgréunesolitude
inhabituelle dans le bureau. Enn, on ne saurait oublier le John, Kelem, Balbine, Julie et... le
Topon quiont touspartiipéa forger leTAD.
Je remerie Nathalie, Thomas et Maëva pour le soutien qu'ils m'ont apporté pendant es
annéesvisàvisdemesvasteslaunesdansledomainedelaparoleainsiquesurmesnombreuses
remises en ause sientiques et parfois personnelles. Meri aux talents de vendeur de rêve
deThomasquim'aurontpermisd'obteniruneboursepoureetuerunpetitéhangeàMontréal.
Je remerie l'équipe des RAB onstituée de Ruty et Mister BigField pour leur superbe
passation de pouvoir, leurs onseils aussi préieux qu'inutiles. Grâe à eux je sais que la thèse
donne du bonus. Meri, "vous servez à rien". Je tiens à remerier d'autres dotorants de la
"génération" d'avant ave qui j'ai eu, ertes, moins d'éhanges mais tout autant agréables, je
pense notamment à Marion Dohen, Luie Bailly et Luile Rapin. Je remerie l'ensemble des
dotorants du DPC, en ommençant par eux de l'équipe GAMA (solidarité oblige) Yo, Bo,
Rémi,Jesseetlesautres(enoubliant probablement dumonde) Benjamin,Kristina, Guillaume,
Olha, Audrey, Rosario, Diandra, Maël, et... les autres... mais sans oublier l'immense Javier
dontje n'oublieraijamaislatehnique deséhage deordes voales aupistolet à airomprimé,
grandiose!
tiquedeLu Mongeau àMGillen ommençant par LuMongeau quia aeptéde m'aueillir
pour un projet de inq moisau sein de son laboratoire. Je remerie très haleureusement tous
lesdotorantsave quij'aieuleplaisir etleprivilèged'éhangerlàbasettoutpartiulièrement
Amir, Hani, Hossein,Neda, Siavash et Yasser. J'ai eu énormément de plaisir à partager un 12
m 2
sans fénêtre à 12 pendant inq mois... (et là je suis sérieux...) et d'apprendre énormément de vous.Cette expérienea ététrès très enrihissante.Enn, je remerie très profondément mafamille et tousmes amisprohesqui m'ont épaulé
pendant es quatreannées, qui n'ont jamais esséd'êtreprésent pour moi quandj'avais besoin
d'euxetquinesesontjamaisvexésdemesindisponibilitésàrépétitionpourausede"travailler
surmathèse".
J'adresse, enpoint d'orgue à es remeriements, une pensée très spéiale à Lau qui m'aura
permisdevivreunedernièreannéedethèsedesplusdouesetsurtoutlanderédationlaplus
exotiquequel'on puisseimaginer.
Introdution 1
1 Les plis voaux : état des onnaissanes 5
1.1 L'appareil phonatoire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Anatomiedu larynx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Prodution voale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 ...et pathologiesordales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Méthodesd'observations expérimentalesdesvibrations desplis voaux . . . . . . 12
1.2.1 Observations in-vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2 Observations ex-vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.3 Observations in-vitro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Etatde l'artdeséléments nisauxmodèlesdistribués . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1 Desmodèlesontinus ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 ...auxmodèles distribués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 Observations expérimentales surmaquettes in-vitro 19 2.1 Montage expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.1 Dispositifin-vitro del'appareil phonatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.2 Présentation desdiérentes maquettesdéformables desplis voaux . . . . 21
2.2 Mesurede laréponseméanique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 Dispositifexistant etlimitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Diérentesexitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 Diérentsobservables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.4 Extration desparamètres méaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.5 Inuenedesparamètres expérimentaux surlaréponseméanique . . . . 34
2.2.6 Comparaison desrésultatsdesdiérents dispositifs . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.7 Conlusionsurlamesure delaréponseméanique . . . . . . . . . . . . . 51
2.3 Mesuresdesseuils d'osillationen fontion deparamètres . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.1 Desription dudispositifde mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.2 Inuenede l'épaisseur delatex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3.3 Inuenedu liquideà l'intérieur desmaquettesde plis voaux . . . . . . . 56
2.3.4 Conlusionsurlamesure desseuilsd'osillation . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4 Etude expérimentale d'un as pathologique : Inuene d'une masse pontuelle pour simuler l'eet d'unpolype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.1 Expérienes préliminaires :Eet dupositionnement du polype. . . . . . . 60
2.4.2 Lesdiérents typesde"polypes" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.3 Mesuresde l'aireglottique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.4 Mesuresdesréponses méaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.5 Mesuresdesseuils d'osillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 Modélisation élémentsnis du ouplagehydro-élastique des plivoaux arti-
iels 75
3.1 Modélisationphysiqueduouplagehydro-élastiquedanslamaquettedesplisvoaux 76
3.1.1 Hypothèsesde modélisations 2D/3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.1.2 Domainesolide :problèmede l'élastodynamique . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1.3 Domaineuide :équationd'Euler linéarisée . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.1.4 Couplageuide-struture :problème d'hydro-élastiité . . . . . . . . . . . 83
3.2 Méthode élémentsnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2.1 Formulations variationnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2.2 Formulation matriielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.3 Adimensionnement d'unproblèmehydro-élastique similaire . . . . . . . . 88
3.3 Résultats numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3.1 Vibrationslibresde struture non-ouplée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3.2 Vibrationshydro-élastiques libres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4 Prise en omptedes non-linéaritésduproblème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.4.1 Matériau hyperélastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4.2 Formulation variationnelle deladéformation statiquenon-linéaire . . . . . 108
3.4.3 Analysemodaleave gonement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.4.4 Déformationstatiquesous lapressionde l'eau . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.4.5 Eetsde lapréontrainte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.5 Conlusiongénéralesur lamodélisationpar éléments nisetperspetives. . . . . 114
4 Modélisation physique des plis voaux par le modèle à deux masses 117 4.1 Modélisation méanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.1.1 Miseen équation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.1.2 Analysemodaledesstruturesvibrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.1.3 Lienentrelesparamètresdumodèleàdeuxmassesetlaréponseméanique expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.2 Dynamiquedu systèmeomplet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2.1 Equationd'état du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2.2 Analysede stabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.3 Étalonnage dumodèleà deuxmasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.3.1 Méthode d'optimisationglobale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3.2 Méthode d'optimisationloale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.3 Résultats del'optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.4 Etude de laprésened'unpolype surles résultatsdumodèle àdeux masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.4.1 Modiationsdesparamètres méaniques dumodèle . . . . . . . . . . . . 135
4.4.2 Modiationde l'ouverture glottiqueinitiale . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.4.3 Prise en ompte de la forme de la onstrition en présene d'une masse ajoutée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Conlusion 147
Bibliographie 151
A Annexes hapitre 2 159
A.1 Déformées spatialesdesmaquettesde plis voaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
A.2 Résultats desmesuresde seuils ave un polype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
B Annexes hapitre 3 163 B.1 Estimationd'énergie pourle problèmedesvibrations hydro-élastiques . . . . . . 163
B.2 Vibrationsélastiques linéaires:omparaison à unesolution analytique . . . . . . 164
B.3 Déformées modales élastiques ethydro-élastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
B.4 Linéarisation del'opérateur de rigidité
K N L
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169C Annexes hapitre 4 171 C.1 Modélisation del'éoulement glottique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
C.1.1 Caratéristiques de l'éoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
C.1.2 Miseen équation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
C.1.3 Modélisationduouplage aoustique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
C.2 Méthode d'optimisationloale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
La voix est un des supports de ommuniation les plus importants hez l'Homme. Sa dé-
gradation hez un individu est un problème ourant qui atteint sa apaité à interagir ave
son environnement soial. Les troubles de la voix onstituent ainsi un problème de santé pu-
blique, notamment pour lesprofessionnels de lavoix, ommeen attestepar exemple lerapport
INSERM-MGEN[MGEN2006℄ onernant les enseignants. En omplément de la pratique li-
nique etréadaptative, la modélisation physique permetune ompréhension globale des patho-
logies desorganes phonatoires,au premier titredesquelsles plis voaux. Deplus, l'avanéedes
onnaissanes du omportement bioméanique des plis voaux est un enjeu primordial quant
au développement d'outils dediagnostique, laoneption de prothèsedeplis voaux oude bio-
matériauxinjetablespermettant laréparation de iatriesordales par exemple.
L'observation, l'analyse et la modélisation des phénomènes physiques sous-jaents à la
produtiondeparole,etplusspéiquement dansleadredeestravauxdethèseàlavibration
desplisvoauxartiiels,tendentàuneompréhensionfondamentalepréisedeesphénomènes
dans des ongurations normales et patholoqiques. Cette ompréhension est néessaire pour
une onnaissane plus ne de labioméanique destissus etde laméanique des maquettes de
plis voaux, indispensablesà l'élaboration de loisde omportement plus réalistes.
Dans ette optique, es travaux de thèse présentent deux objetifs prinipaux : le premier
est d'aquérir une meilleure ompréhension méanique des maquettes latex/eau utilisées à la
foispar laommunautéde paroleetd'aoustiquemusiale;leseondestl'étudede l'eetd'une
masseajoutée ausein d'unplisur lesvibrations desmaquettesde plis voaux.
Autour de es deux objetifs, une démarhe tripolaire a été adoptée orrespondant à trois
axes dereherhe omplémentaires quisefoalisent surl'étudedesvibrations desmaquettes de
plis voaux:
Une exploration in-vitro du omportement vibratoire des plis voaux.
Ce premier axe s'artiule autour des observations expérimentales sur les répliques de plis
voaux développées au Gipsa-lab, depuis les travaux de Vilain [Vilain 2002℄ (inspirées par la
bouhe artiielle de Gilbert et oll. [Gilbert1998, Cullen 2000℄). En premier lieu de es ob-
servations expérimentales, la aratérisation vibratoire des maquettes, mesure déjà utilisée au
GIPSA-labparRuty[Ruty2007a℄,permetlaréponseenfréquenedelastruturevibranteàune
solliitationdonnéedontlaonnaissaneestindispensableàlareprodutibilitéetlarépétabilité
desmesures ultérieuressurlamaquette. Nousnousintéressonsalors àladesription delamise
aupointd'unnouveau dispositifd'exitationde lastruture vibrantedanslebut d'améliorerla
aratérisation méanique in-vitro desmaquettes deplis voaux. La omparaison ave d'autres
dispositifs d'exitation existants, ainsi quediérents moyens d'observation de lamesure seront
faitesan de pointer les avantages et inonvénients de haque tehnique et d'observerles limi-
tations de notre dispositif quant à la desriptionpréise et omplète desmotifs vibratoires des
