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Caractérisation et modélisation des cordes vocales – VOFOCAM

Caractérisation et modélisation des cordes vocales

Les cordes vocales sont des structures hétérogènes, contrôlées par la tension des ligaments et l'activité musculaire, qui participent de manière primordiale à la production de la parole. Elles peuvent s'altérer à la suite d'un effort ou par vieillissement, amenant à des troubles de la voix.

Enjeux et objectifs

Il est indispensable de se doter d'outils nécessaires à la compréhension qualitative et quantitative de l'état vibratoire des cordes vocales. À cette fin, des maquettes représentatives des phénomènes impliqués dans la production vocale ont été développées, pour lesquelles la répétabilité et la reproductibilité des résultats de recherche demandent une meilleure connaissance du comportement mécanique sous l'effet des divers paramètres de contrôle.

Une approche de caractérisation mécanique des matériaux et structures utilisés dans ces maquettes a été envisagée. Du point de vue expérimental, il s'agit de mettre en oeuvre les techniques de mesure récentes pour l'acquisition des déformations des membranes délimitant la glotte, en se basant sur la vélocimétrie laser pour la composante axiale et les techniques de monitoring vidéo pour les composantes trasnverses des déplacements des structures voisines de la constriction, en cours d'auto-oscillation comme en excitation forcée de faibles amplitude. Ces résultats seront comparés à ceux obtenus par la simulation numérique (par éléments finis) pour différentes prétension et épaisseurs des couches, et pression internes des plis vocaux. La prédictibilité des comportements donnera alors lieu à la modélisation simplifiée des structures reposant sur le nombre minimal de degrés de liberté nécessaire à la prise en compte d'un certain nombre d'asymmétries. Ce modèle fournira finalement un espace paramétrique pour l'étude des configurations pathologiques de phonation.

Les premiers résultats ont montré la capacité de la maquette à reproduire des comportements pathologiques, par présence unilatérale de kyste (rigides ou mous) conduisant à une mise en oscillation difficile (augmentation significative des pressions de seuils). D'autre part, les premiers modèles EF par plaques ont permis de simuler le gonflement des structures sous l'effet de la mise sous pression des couches de latex utilisées dans la maquette. L'analyse modale donne cependant lieu à des résultats peu convaincant qui ont amené à revoir et interpréter certains aspects de la modélisation.

Comme indiqué dans le document scientifique, il est prévu de se doter des outils de mesure vibrométrique (et adapter la maquette en conséquence) pour mieux appréhender la nature vibratoire des cordes vocales et apporter des éléments quantitatifs aux modèles dits complets, avant de chercher à isoler les degrés de libertés suffisants pour traduire les diverses asymétries présentes dans la configuration et produire un modèle a minima permettant l'étude quasi-analytique des pathologies.

Sur ce premier semestre, ces travaux ont donné lieu à une communication internationale, et un rapport de stage financé par l'ANR.

La production de sons voisés est le résultat d'une interaction complexe entre l'air expiré depuis les poumons, le conduit vocal situé entre le larynx et les lèvres, et les cordes vocales délimitant la glotte. L'écoulement pulsé généré par les auto-oscillations des structures au niveau de la glotte agit comme la source des ondes acoustiques qui vont porter une partie de l'information de parole. Les cordes vocales se comportent comme une valve qui s'ouvre et se ferme périodiquement, modulant ainsi l'écoulement d'air, et ce mouvement est entretenu par le transfert d'énergie au sein de l'interaction fluide-structure. L'existence de ces oscillations n'est cependant possible qu'en présence d'un jet formé en sortie de la glotte, de la dissipation de son énergie cinétique, et de caractéristiques adaptées des cordes vocales. Ces dernières sont formées de plusieurs couches qui sont contrôlées, de manière consciente ou non, par la tension des ligaments et l'activité musculaire, et sont soumises à l'action des forces de pression exercées par l'écoulement d'air à travers la glotte. Ces structures hétérogène complexes peuvent s'altérer, ce qui peut aboutir à des troubles de la voix.

L'objectif du projet VOFOCAM est de développer les outils nécessaires à l'observation et l'analyse de l'état fonctionnel des structures laryngées (cordes vocales et bandes ventriculaires). Des bancs expérimentaux, constitués de maquette de cordes vocales auto-oscillantes, comme celui mis au point au GIPSA-lab (UMR 5216 CNRS-INPG-Univ. Fourier, Grenoble) ont été conçus pour examiner, dans des conditions de reproductibilité, les particularités du jet glottique et de son interaction avec les structures mécaniques déformables et le résonateur acoustique qu'est le conduit vocal. Le projet proposé vise à équiper ces maquettes de l'instrumentation nécessaire à l'acquisition et à l'analyse des déformations des cordes vocales artificielles. De plus, en utilisant une large palette de matériaux, d'ajustement en position et en tension des cordes vocales artificielles, le projet aspire à construire et explorer un large ensemble de configurations qui soit, dans la mesure du possible, la plus représentative des voix normales et des pathologies laryngées, en s'appuyant sur des outils mathématiques capables d'intégrer la dimension spatiale des informations collectées. La construction d'un modèle réduit en mesure de représenter les asymétries antérieur-postérieur, gauche-droite et sub-supra glottique permettra la paramétrisation des motifs de vibrations observés sur le banc expérimental, ainsi que le développement d'une banque de données destinée notamment à la synthèse vocale et à la simulation de cas pathologiques. Finalement, le projet aspire à jeter les bases d'un système d'examen des cordes vocales humaines, par la transposition dans un cadre clinique des techniques expérimentales ici développées.

Coordinateur du projet

Monsieur Fabrice SILVA (Centre National de la Recherche Scientifique) – silva@crans.org

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS DR11 Centre National de la Recherche Scientifique

Aide de l'ANR 493 698 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2012 - 36 Mois

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