Etude, analyse et modélisation physique de la production de la parole avec applications aux troubles liés à une surdité profonde

Language learning requires specific muscle control of all organs that contribute to speech production. Voiced sounds production, which results from vocal folds self oscillation, is especially influenced by the whole phonatory apparatus, from diaphragm to lips. The general background of this thesis is the physical modeling of speech production and the objectives are motivated by a better comprehension of physical phenomena occurring in voiced sounds production. In the frame of this work, studies are focused on cases where speech production control is impaired, for example when the speaker suffers from an important hearing loss. In this situation, physical interactions can play an important role in speech production disorders emergence. The approach adopted here is first to observe the studied phenomena thanks to invivo measurements then to describe them thanks to theoretical models. Thereafter, the models are validated by comparing theoretical results with measurements performed on a replica of the phonatory apparatus. Finally, numerical simulations in the time domain, based on a two-mass model, allow to apply physical models to specific speech production occurrences.The first study deals with fundamental frequency jumps that are observed during an unvoluntary transition between two different laryngeal mechanisms in case of vowel production.Experimental and numerical results highlight that a transition between two different laryngeal mechanisms is a symptom of the laryngeal system bifurcation, and that such bifurcation occurs during a variation of the vocal folds stiffness, the subglottal pressure,the prephonatory glottal area or the acoustic resonators length. The theoretical models allow to simulate the fundamental frequency jumps that are observed experimentally. They are used to study the different motor strategies responsible for these frequency jumps.The second study deals with plosive consonants production, and in particular with the effectsof a vocal tract occlusion on voicing offset and onset. Simulations of vowel – voiceless plosive - vowel production highlight that passive expansion of the supraglottal cavity is responsible for the voicing extension after vocal tract closure, and that increase of the vocal tract length leads to a shorter delay between the vocal tract occlusion release and the voicing onset. These results highlight that the articulation plays an important role in voicing (voiced or voiceless) and in voice-onset-time value for a voiceless plosive.L’apprentissage du langage parlé nécessite un contrôle musculaire très précis des différents organes intervenant dans la production de la parole. La production de sons voisés, qui résulte de l’auto-oscillation des cordes vocales, est notamment influencée par l’ensemble du système phonatoire, du diaphragme jusqu’aux lèvres. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s’inscrivent dans un contexte de modélisation physique de la parole. Les objectifs s’articulent autour de la compréhension des phénomènes physiques gouvernant la production de sons voisés. Les études sont appliquées à des cas pour lesquels le contrôle de la production est fortement altéré, lorsque le locuteur souffre de pertes auditives importantes. Dans ce cas de figure, les interactions physiques peuvent jouer un rôle important dans l’apparition de troubles de la production. La démarche adoptée consiste alors dans un premier temps à observer les phénomènes étudiés au moyen de mesures in vivo puis à proposer des modèles théoriques mécanique, aérodynamique et acoustique permettant de les décrire. Ensuite, les modèles sont validés en comparant avec des mesures réalisées sur une maquette de l’appareil phonatoire. Finalement,des simulations numériques temporelles basées sur un modèle à deux masses pour décrire le comportement mécanique des cordes vocales, permettent de tester les modèles physiques pour des cas concrets de production. La première étude se concentre sur les sauts de fréquence fondamentale qui accompagnent les transitions involontaires entre deux mécanismes laryngés lors de la production d’une voyelle. Les travaux expérimentaux et numériques montrent qu’une transition de mécanisme laryngé est la manifestation d’une bifurcation du système laryngé et que ces bifurcations se produisent lors d’une variation de la raideur des cordes vocales, de la pression sous-glottique, de l’aire glottique initiale ou bien de la longueur des résonateurs acoustiques. Les modèles théoriques permettent de reproduire les sauts de fréquence fondamentale observés expérimentalement. Ils sont utilisés pour étudier les différentes stratégies motrices responsables de ces sauts de fréquence. La deuxième étude porte sur la production de consonnes plosives, en particulier sur les effets de la réalisation d’une occlusion du conduit vocal sur l’arrêt puis l’apparition de l’oscillation des cordes vocales. Les simulations de séquences voyelle - plosive bilabiale non voisée (/p/)-voyelle effectuées montrent que l’expansion passive de la cavité supraglottique est à l’origine du maintien de l’auto-oscillation des cordes vocales après la fermeture du conduit vocal et que l’augmentation de la longueur du conduit vocal a pour effet de réduire le délai entre le relâchement de l’occlusion et l’apparition de l’oscillation des cordes vocales. Ces résultats impliquent que l’articulation joue un rôle considérable sur le mode de voisement (voisée ou non voisée) de la consonne et sur la valeur du Voice Onset Time pour une consonne plosive non voisée