Investigations of the acoustics of the vocal tract and vocal folds in vivo, ex vivo and in vitro

La parole et le chant ont une importance capitale dans la culture humaine. Cependant les phénomènes physiques de production et de contrôle de la voix sont encore mal compris, et leurs paramètres mal connus, principalement en raison de la difficulté d'y accéder in vivo. Dans le modèle source-filtre simplifié, la source sonore est produite par l'oscillation des plis vocaux à une fréquence fondamentale et ses multiples ; les résonances du conduit vocal filtrent l'enveloppe spectrale du signal pour produire des voyelles. Dans cette thèse, les propriétés de la source et du filtre sont étudiées et une expérience in vitro examine l'influence du filtre sur la source. L'influence des paramètres de contrôle aérodynamiques ou mécaniques sur la fréquence fondamentale est étudiée ex vivo en utilisant des larynx humains excisés. Quatre types de discontinuités ou d'hystérésis sont observés. En dehors de ces zones de bifurcation, la fréquence fondamentale est approximativement proportionnelle à la racine carrée de la pression sous-glottique, ce qui a des implications pour le chant et de la parole, en particulier dans les langues tonales. De plus, le flux d'air qui traverse la glotte provoque un rétrécissement du conduit aryépiglottique sous l'effet de forces de pression aérodynamique, et peut initier l'oscillation des plis ventriculaires et/ou aryépiglottiques sans contrôle musculaire. L'impédance acoustique de conduits vocaux fut mesurée in vivo sur un intervalle de9 octaves en fréquence et de 80 dB en amplitude, avec la glotte fermée puis pendant la phonation. Les fréquences, amplitudes et largeurs de bande des résonances acoustiques et des résonances mécaniques des tissus autour du conduit vocal sont estimées. Lorsque la glotte est fermée, les largeurs de bande et les pertes d'énergie correspondantes dans le conduit vocal sont largement supérieures aux pertes viscothermiques d'un cylindre rigide lisse, et sont encore plus importantes pendant la phonation. En utilisant un modèle simple de conduit vocal et les mesures effectuées en inspirant, des résonances acoustiques du système sous-glottique sont également estimées. Les effets possibles de la charge aéroacoustique du filtre sur la source sont mis en évidence dans une expérience sur une maquette de plis vocaux constituée de boudins de latex remplis d'eau couplés à un tuyau rigide. La modification de la charge acoustique en aval des plis vocaux, par insertion d'une paille à l'extrémité du conduit, modifie la fréquence fondamentale de vibration des plis. Ce résultat est discuté dans le contexte des méthodes de rééducation orthophonique à la paille couramment utilisées en thérapie de la parole.Speech and singing are of enormous importance to human culture, yet the physics that underlies the production and control of the voice is incompletely understood, and its parameters not well known, mainly due to the difficulty of accessing them in vivo. In the simplified but well-accepted source-filter model, non-linear vocal fold oscillation produces a sound source at a fundamental frequency and its multiples, the resonances of the vocal tract filter the spectral envelope of the sound to produce voice formants. In this thesis, both source and tract properties are studied experimentally and an in vitro experiment investigates how the filter can affect the source. The control of fundamental frequency by either air supply or mechanical control parameters is investigated ex vivo using excised human larynges. All else equal, and excluding the four types of discontinuity or hysteresis observed, the fundamental frequency was found to be proportional to the square root of subglottal pressure, which has implications for singing and speech production, particularly in tonal languages. Additionally, airflow through the glottis causes a narrowing of the aryepiglottic tube and can initiate ventricular and/or aryepiglottic fold oscillation without muscular control. The acoustic impedance of the vocal tract was measured in vivo over a range of 9 octaves and 80 dB dynamic range with the glottis closed and during phonation. The frequencies, magnitudes and bandwidths were measured for the acoustic and for the mechanical resonances of the surrounding tissues. The bandwidths and the energy losses in the vocal tract that cause them were found to be five-fold higher than the viscothermal losses of a dry, smooth rigid cylinder, and to increase during phonation. Using a simple vocal tract model and measurements during inhalation, the subglottal system resonances were also estimated. The possible effects of the filter on the source are demonstrated in an experiment on a water-filled latex vocal fold replica: changing the aero-acoustic load of the model tract by inserting a straw at the model lips changes the fundamental frequency. This result is discussed in the context of straw phonation used in speech therapy