Le champ de vitesse et de pression le long des cordes vibrantes était étudié à l'aide d'un modèle numérique et par observation expérimentale. Le modèle mathématique, basé sur les équations de Navier-Stokes 2D incompressibles discrétisées avec la méthode des éléments finis en formulation d'Euler-Lagrange arbitraire, était programmé dans le langage Fortran, à l'aide de la librairie numérique Mélina. Dans les résultats des simulations numériques on peut observer le développement du jet derrière la glotte et l'évolution des tourbillons de recirculation lors du cycle d'oscillation des cordes vocales. Le modèle physique en échelle 4: 1 fournit les signaux d'accélération, pression supraglottale et le signal acoustique émis par un corps élastique, qui vibre dans le paroi du canal aérodynamique grâce au couplage avec l'écoulement. Sur le même modèle, le champ de vitesse dans le domaine supraglottale était mesuré par la PIV synchronisé avec les oscillations.

On a pour but de faire de la modèlisation des plis vocaux avec des modèles physiques, et les vérifier en utilisant une maquette des plis vocaux. Cette recherche va contribuer à notre connaissance des mécanismes biomécaniques pendant la phonation normal aussi que pour la voix pathologique, et caracteriser la dificilité de la phonation sous certain conditions.On commence en montrent les calculs analytiques qui sert dans les modèles theoriques, qui sont des phénomènes mécanique et aerodynamique du bas. En suite on examine le réponse du modèle liée aux variations des paramètres pertinent à la voix normal aussi que pathologique. On fait aussi des simulations pour evaluer la stabilité en silico.On fini en comparant nos prédictions theoriques contre des données d'une maquette de plis vocaux compsée du latex et de l'eau aussi que le conduit vocal. / The goal of this thesis is to mathematically model and experimentally investigate theories of human larynx function using physical models and mechanical replicas. This research will help improve our knowledge of the biomechanics involved in normal voicing as well as in pathological voice in order to predict and characterize the ease of phonation under different conditions.We review the analytical calculations involved in the theoretical vocal folds model based on mechanical and aerodynamic phenomena within the glottis and vocal tract. We then explore the models response to variation of physical parameters pertinent to pathological and normal vocal conditions. We then evaluate the stability of the models computationally.The theoretical predictions are then compared to measurements performed on a latex-and-water mechanical replica of the larynx and of the vocal tract.

Cette thèse présente la conception, la fabrication et la commande d’un microrobot parallèle à deux Degrés de liberté (rotations θ1 et θ 2) qui est dédié pour la microchirurgie laser des cordes vocales.Ce travail a été développé dans le cadre du projet européen “Micro-Technologies and Systems for Robot-Assisted Laser Phonomicrosurgery” intitulé μRALP. D’une part, les aspects médicaux et biologiques ont permis d’extraire un cahier des charges pour le microrobot. D’autre part, l’ état de l’art a permis d’identifier et d’apporter une solution aux verrous technologiques pour satisfaire toutes les requêtes. Ce travail a proposé le développement de deux microrobots indépendants avec des structures parallèles. Bien qu’ayant le même objectif qui consiste à guider deux faisceaux lasers de manière précise vers les cordes vocales, chaque microrobot aune structure cinématique différente. Un miroir placé sur la plateforme de chacun des microrobots permet le guidage des faisceaux, en effectuant la réflexion et le changement de direction. La technique“Smart Composite Microstructures” a été utilisée pour microfabriquer les deux microrobots. En outre, les mouvements ont été réalisés grâce a à l’utilisation d’actionneurs piézoélectriques. Enfin, la précision attendue par la chirurgie des cordes vocales a été atteinte en associant la commande par asservissement visuel et la pré-compensation des non linéarités et des oscillations mal amorties / This thesis reports the design, fabrication and control of a parallel microrobot with two degrees offreedom in rotation, that is destined to perform laser microsurgery on vocal folds. This work has beendeveloped in the frame and in the context of the European project Micro-Technologies and Systemsfor Robot-Assisted Laser Phonomicrosurgery entitled μRALP.On the one hand, needs and limits of medical aspects have been abstracted to create the microrobotspecifications. On the other hand, the state-of-the-art has identified the technological stumblingblocks and has allowed to led to our proposition to satisfy the specifications. This work has envisagedthe fabrication of two independent parallel microrobotic structures. Each proposed microrobot hasa different kinematic structure, however they have the same objective that is to guide a laser beamonto the vocal folds. To this purpose, a mirror is placed on the end-effector of both microrobots inorder to reflect and guide the laser beam. Smart Composite Microstructures fabrication techniquewas used to fabricate the two microrobots. Moreover, piezoelectric cantilever actuators have beenused to generate the required rotations. Finally, the expected precision for laser microsurgery of thevocal folds was reached by coupling the feedforward compensation of nonlinearities and vibrations ofthe actuators with visual feedback control of the parallel kinematic mechanism.

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Les travaux de cette thèse portent sur la compréhension des phénomènes physiques sous-jacents à la production normale ou pathologique de la voix. Certaines formes de pathologies pouvant concerner des affections structurelles des cordes vocales (polypes, paralysie, ...) et altérer de façon plus ou moins conséquente la mise en vibration des cordes vocales. Une partie de ces travaux porte ainsi sur l'observation expérimentale de la production de parole pathologique, grâce notamment à la mise au point d'une maquette auto-oscillante de cordes vocales artificielles. Celle-ci reprend la structure de latex remplie d'eau sous pressions des maquettes déjà développées au Gipsa-lab mais permet une plus grande indépendance des paramètres de contrôle. Un accent particulier des manipulations expérimentales est également porté sur la caractérisation mécanique des structures vibrantes, dont la connaissance est indispensable à la reproductibilité et la répétabilité des mesures ultérieures sur la maquette, ainsi qu'à l'analyse des résultats expérimentaux avec couplage aéroacoustique et la validation de modèles numériques associés.D'un côté, un calcul du comportement vibratoire des maquettes basée sur une méthode éléments finis a été mise oeuvre. Le modèle numérique développé utilise ainsi une formulation du couplage hydro-élastique entre le latex et l'eau qui constituent les maquettes et offre la possibilité de prendre en compte les grandes déformations et les pré-contraintes liées au gonflement du latex soumis à une forte pression d'eau. Finalement, un modèle d'écoulement glottique couplé à un modèle mécanique distribué de type "masse-raideur" a été utilisé et étendu pour simuler des comportements pathologiques tels que des asymétries (entre les deux cordes vocales et au sein d'une corde) ou la présence d'une masse ajoutée (kyste, polype). Un procédure d'optimisation de ce modèle sur une configuration expérimentale de référence permet alors de comparer les calculs aux observations des seuils d'oscillation sur les maquettes en présence d'une masse ajoutée. / My PhD work has focused on understanding physical phenomena related to speech production in healthy and pathological conditions. Some pathologies affect the structure of the vocal folds which could lead to a more or less substantial alteration of their vibrations. Part of this work is experimental modeling of speech production applied to pathologies, with the development of a self-oscillating vocal fold replica. This replica is made of water-filled latex, such as have already been developed at Gipsa-lab, but it allows a larger independence within its control parameters and it can be used to reproduce pathological conditions. A particular interest is brought to mechanical characterization of these vibrating structures. This characterization is of primary importance when it comes to repeatability and reproducibility of measurements, as for the analysis of experimental results with aeroacoustic coupling and the validation and improvements of corresponding numerical models.Simulations of the vocal fold vibrating behavior based on the finite element method have been developed. The model uses a formulation of the hydro-elastic coupling between the latex and the water which the replica is made of. It also offers the possibility to take into account the large deformations and the prestress within the latex induced by water pressure. Another numerical approach is made using a theoretical laryngeal flow model coupled with a distributed mass-spring model and a set of resonators. Calculations of the dynamical system stability offer the possibility for comparisons with the experimental setup through a finite set of parameters. This model is adapted to simulate pathological conditions such as asymmetries and the presence of growths (cysts, polyps). Finally, an optimization calculation of this model on an experimental reference configuration of the replica allows us to compare the calculations with the measurements on this replica with the presence of a polyp.

L’analyse du signal de parole offre un moyen privilégié pour l’évaluation clinique de la qualité de la voix en vue d’un diagnostique et d’une documentation quantitative des pathologies du larynx. Une analyse acoustique présente plusieurs avantages. En plus du coût peu élevé du système d’évaluation, elle est simple à mettre en œuvre, présente un caractère non invasif et documente quantitativement le degré d’enrouement perçu par le clinicien.<p>L’objectif de l’analyse du signal acoustique est d’extraire des indices pertinents permettant de déterminer les caractéristiques de la voix afin de renseigner sur l’état du larynx du locuteur. Dans ce contexte, plusieurs indices acoustiques sont utilisés pour caractériser la parole produite par des locuteurs dysphoniques. Un nombre de ces indices reflète la déviation du signal de parole voisée par rapport à la périodicité parfaite. Les causes de ces dyspériodicités sont diverses :vibrations non modales des cordes vocales, bruit de modulation comprenant les variations cycle à cycle de la durée de cycle (jitter) et de l’amplitude (shimmer) dues aux perturbations externes, bruit additif dû à une turbulence excessive, etc.<p>Les indices acoustiques des dyspériodicités vocales sont souvent obtenus à partir de fragments stationnaires de voyelles soutenues. La raison en est que les voyelles sans attaques et déclins sont faciles à analyser parce que les hypothèses de cyclicité et de stationnarité utilisées par les méthodes d’analyse sont valables pour beaucoup de locuteurs. En effet, les voyelles soutenues peuvent être supposées avec une bonne précision comme produites en maintenant invariant dans le temps les caractéristiques de la source vocale, du conduit vocal et des articulateurs et, donc, les paramètres des perturbations et du bruit sont facilement calculés pour les voyelles soutenues.<p>La plupart des cliniciens considèrent la parole continue plus informative que les voyelles soutenues. Plusieurs arguments en faveur de l’analyse de la parole continue peuvent être avancés. La vibration des cordes vocales doit commuter continuellement pour donner lieu à l’apparition ou l’extinction du voisement, le voisement doit être maintenu alors que l’impédance supra-glottique change constamment, plus particulièrement durant les obstruents, et le larynx doit descendre et monter continuellement. Le larynx fonctionne donc dans des conditions non stationnaires et très variables. La parole continue contient donc les caractéristiques dynamiques de la source de la voix et du conduit vocal tels que l’attaque et le déclin et les variations dans la fréquence fondamentale et l’amplitude. De même, il semble que les locuteurs compensent moins pour leurs problèmes de voix lors de la production de la parole continue que lorsqu’ils produisent des voyelles soutenues.<p>Les méthodes de traitement du signal de parole pour la caractérisation des troubles de la voix sont basées sur les hypothèses de stationnarité et de périodicité locales qui conduisent à des approches heuristiques permettant de détecter et d’isoler les périodes fondamentales ou les harmoniques spectrales. Comme conséquence, des erreurs d’insertion ou d’omission se produisent souvent lors de l’analyse des signaux fortement perturbés. Ces erreurs biaisent numériquement les indices acoustiques. Les mesures objectives ne sont donc fiables que lorsque l’analyse est effectuée sur des voyelles soutenues produites par des locuteurs faiblement ou modérément enroués.<p>La précision des méthodes d’analyse dans le cadre de l’estimation des dyspériodicités vocales est une caractéristique fondamentale. En effet, les perturbations cycle à cycle des durées de cycle peuvent être inférieures à 1 % alors que les perturbations cycle à cycle de l’amplitude peuvent être inférieures à 10 %. Donc, les méthodes de traitement doivent être appliquées avec précaution vis à vis de la précision de mesure pour ne pas biaiser les valeurs numériques. Le bruit de quantification par exemple peut affecter la précision d’estimation s’il n’est pas pris en considération.<p>Cette thèse se focalise sur le développement de méthodes robustes d’analyse acoustiques du signal de parole continue en vue de la caractérisation des troubles de la voix, la définition et l’évaluation d’indices acoustiques pour quantifier les dyspériodicités vocales et le développement d’une méthode d’évaluation perceptive fiable permettant de mesurer et comparer les performances des différentes méthodes d’analyse développées.<p>Les méthodes développées sont de deux types :des méthodes d’analyse par bloc qui opèrent sur des trames de courte durée du signal et des méthodes adaptatives qui permettent d’analyser le signal à chaque échantillon en tenant compte de son caractère non stationnaire.<p>Deux indices acoustiques sont utilisés pour quantifier les dyspériodicités vocales dans le signal de parole. Le premier indice, utilisé conventionnellement dans le cadre de l’évaluation objective de la qualité de la voix, est le rapport signal à dyspériodicité global. La valeur numérique de l’indice global est principalement déterminée par les segments vocaliques et donc il peut masquer certains évènements locaux, notamment dans le cas de l’analyse de la parole continue. Le second indice proposé comme alternative à l’indice global est le rapport signal à dyspériodicité segmental. Il a pour objectif de donner une plus forte pondération aux segments bruités de faibles niveaux qui sont peu pondérés dans le calcul de l’indice global.<p>La méthode d’évaluation perceptive développée est basée sur la comparaison de paires de signaux. Elle permet d’obtenir des résultats fiables même lorsque l’évaluation est réalisée par des auditeurs naïfs n’ayant pas d’expérience dans l’évaluation de la qualité de la voix et permet une grande concordance inter-juges et intra-juges. Les performances de la méthode d’évaluation perceptive basée sur la comparaison de paires de signaux sont comparées à celles de la méthode conventionnelle utilisée en milieu clinique.<p>Les performances des différentes méthodes d’analyse et des indices acoustiques sont mesurées en les testant sur des corpus comprenant des voyelles soutenues et de la parole continue. Les stimuli sont produits par des locuteurs normophoniques et dysphoniques et comprennent une large gamme de pathologies.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished