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Ecole d’été Sciences et voix chantée - Giens, 2009 – Maëva Garnier

Vibration et Résonance Maëva Garnier, Musical Acoustics Group, UNSW, Sydney

1. Vibration laryngée Rappelons tout d’abord le principe de la phonation humaine : les cordes vocales sont

deux replis constitués de muscles et de muqueuses. Leur vibration est aérodynamique 4, et ne peut avoir lieu que lorsqu’elles sont suffisamment rapprochées (grâce à

l’action des muscles aryténoïdiens contrôlant le degré d’adduction, Fig.1) et lorsque la

pression de l’air expiré est suffisante. Le débit d’air expiré va alors être modulé par

l’accolement-décollement périodique des cordes vocales, générant une onde

acoustique.

FIG. 1. Illustration du larynx, vu de dessus, en position phonatoire

39. L’image de droite représente une

vue du larynx en phonation, tel qu’il peut être observé par endoscopie.

Descripteurs acoustiques

Modèles et paramètres de source glottique

Le signal représentant ces variations du débit d’air en fonction du temps est appelé

onde de débit glottique (ODG). Ce signal et sa dérivée, l’onde de débit glottique

dérivée (ODGD), apportent de nombreuses informations sur le mode de vibration des

cordes vocale, en particulier

- sa fréquence (f0 = 1/T0)

- les instants d’ouverture et de fermeture glottique

- l’amplitude du voisement (Av)

Mais aussi

- la vitesse de fermeture glottique (E)

- le caractère plus ou moins abrupt de la fermeture (Ta=0 dans le cas d’une fermeture

abrupte)

- l’aspect plus ou moins sinusoïdal de la vibration (coefficient d’asymétrie

<m=Tp/Te)


Une synthèse bibliographique de ces paramètres et modèles de source glottique 27,10,22,37,8

peut être trouvée dans Henrich, 200114.

FIG. 2. Représention d’une période de l’ODG, de sa dérivée et des paramètres de source glottique

(Figure adaptée de Henrich, 2001 14)

Paramètres spectraux

Le contenu spectral de la voix est influencé par le mode de vibration des cordes

vocales 8,14

.

Le spectre de l’ODG, modélisable par un filtre passe bas du deuxième ordre est

d’autant plus riche en énergie haute fréquence que sa principale fréquence de coupure

Fg (appelée « formant » glottique par abus de langage) est élevée. Celle-ci est

influencée par le quotient ouvert (Oq) et le coefficient d’asymétrie (<m).

La modélisation du spectre de l’ODG peut être affinée en introduisant une fréquence

de coupure supplémentaire à haute fréquence (Fa), influencée par le caractère abrupt

de la fermeture glottique (donc par Qa = Ta / (T0-Te), le quotient de phase de retour).

Ainsi, la différence d’amplitude (H1-H2) entre les deux premiers harmoniques du

spectre de l’ODGD est affectée par les variations de Oq, <m et Qa.

Tp

Ta

Av

E


FIG. 3. Spectre de l’ODG et de sa dérivée et asymptotes correspondantes dans le cas d’une fermeture

non abrupte (Figure adaptée de Henrich, 2001 14)

Autres paramètres d’apériodicité ou d’inharmonicité de la vibration

La qualité vocale est également affectée par la périodicité et l’harmonicité de la

vibration.

Ainsi, le Jitter et le Shimmer permettent de rendre compte des variations de fréquence

et d’intensité d’un cycle vibratoire à l’autre tandis que le HNR (Harmonic to Noise

Ratio) décrit la répartition de l’énergie acoustique entre la partie harmonique et

inharmonique du spectre vocal rayonné.

Contrôle physiologique

Les cordes vocales sont mises en vibration de façon aéroacoustique. Différents

ajustements des muscles intrinsèques et extrinsèques permettent cependant de

contrôler certaines caractéristiques de la vibration, donc de modifier la qualité vocale.

Mécanismes laryngés

La littérature reconnaît l’existence de 4 mécanismes laryngés (Fig. 4), correspondant à

différentes configurations glottiques et à une implication différente du muscle laryngé

dans la vibration 29,28,16

.

FIG. 4. Spectrogramme du glissando ascendant réalisé par une soprane, montrant clairement la

transition entre ses 4 mécanismes laryngés 39.


Les études menées sur les deux mécanismes les plus utilisés dans la parole et le chant

(M1 et M2) ont montré comment ils se distinguent par

- l’épaisseur et la masse vibrante, reliée au couplage/découplage du muscle vocal

(Fig. 5)

- la longueur vibrante et l’amplitude de vibration

- l’activité du muscle vocal et du muscle crico-tyroïdien (Figs. 1 et 6)

ayant des conséquences sur différents paramètres glottiques (Oq, <m) et spectraux

(richesse du spectre en hautes fréquences) 15.

Peu d’information est encore disponible en revanche sur les mécanismes M018 et

M325. En particulier, les transitions M0/M1 et M2/M3 sont encore peu comprises et

ne semblent pas être de même nature que la transition M1/M2.

FIG. 5. Visualisation de l’épaisseur d’une cordes vocale (Figure tirée de Lacau St Guily & Roubeau

23.

Autres ajustements laryngés

Le changement de mécanisme laryngé n’est pas l’unique mode de variation du

comportement laryngé. D’autres ajustements musculaires (concomitants) influencent

le mode de vibration des cordes vocales.

- la contraction du muscle vocal influence la masse et la raideur des cordes vocales, et

par conséquent leur fréquence de vibration.

- la contraction du muscle cricotyroïdien contrôle la bascule du cartilage cricoïde

(Figs. 1 et 6) et l’étirement des cordes vocales (longueur, raideur), faisant également

varier la fréquence vibratoire

- la compression des cartilages aryténoïdes contrôle le rapprochement entre les cordes

vocales (Fig. 1), et influence par conséquent l’amplitude de vibration et leur temps

de contact.

D’autres ajustements musculaires influencent la vibration laryngée. En particulier,

l’amplitude de vibration et la vitesse de fermeture glottique tendent à augmenter avec

le débit d’air expiré1.

Les mouvements verticaux du larynx ou le rapprochement/éloignement des bandes

ventriculaires, influencent le mode de vibration des cordes vocales2 mais ces effets ne

sont pas encore bien compris.


Enfin, il faut rappeler que la vibration des cordes vocale n’est pas seulement

déterminée par les actions musculaires de l’individu, mais également en partie par

l’état physiologique des cordes vocales (température, hydratation, inflammation,

lésions, paralysie, …)34.

2. Ajustements du conduit vocal

L’onde générée par la vibration des cordes vocales se propage ensuite dans le conduit

vocal (composé des cavités supra-laryngées, pharyngées, buccales et nasales) dont la

forme est contrôlée par le mouvement des articulateurs (lèvres, langue, mâchoire,

voile du palais, mouvements verticaux du larynx).

FIG. 6. Vue d’ensemble du larynx et du conduit vocal (Coupe verticale) 39.

Effet de filtrage

Le conduit vocal a un effet de filtrage sur l’onde acoustique, en renforçant son énergie

autour des fréquences de résonances du conduit vocal (Fig. 7). Une partie de cette

onde acoustique est ensuite rayonnée vers l’extérieur par les lèvres et les narines.


FIG. 7. Représentation l’effet de filtrage par le conduit vocal.

La fréquence et l’amplitude des renforcements énergétiques du spectre vocal

(formants) sont perçues par l’auditeur et le renseignent sur les dimensions et la

configuration du conduit vocal du producteur.

- Le 1er formant est principalement affecté par la longueur du conduit vocal, par le

volume de la cavité pharyngée et par l’ouverture de la mâchoire24.

- La fréquence du 2ème

formant est affectée par les mouvements de recul et d’avancée

de la langue24.

- Celle du 3ème

formant est influencée par les mouvements d’étirement vs.

arrondissement des lèvres, ainsi que par le volume de la cavité supraglottique24.

- Enfin, le mouvements du voile du palais contrôlent le dégré de couplage acoustique

entre les cavités orales et nasales. Le couplage oro-nasal introduit des formants et

antiformants supplémentaires dans le spectre vocal (Fig. 9), également perçus par

les auditeurs 11, 6

.


FIG. 8. Configuration articulatoire et renforcements énergétiques du spectre (formants Fi) spécifiques

de chaque voyelle.

FIG. 9. Influence d’un couplage oro-nasal croissant sur la fonction de transfert du conduit vocal. R1 et

R2 représentent les deux premières résonances du conduit vocal sans couplage oro-nasal. N1 et AR

représentent la résonance et l’anti-résonance additionnelles introduites par le couplage.

Ces différentes informations sont intégrées par l’auditeur et lui permettent de

- reconnaitre les segments de parole produits 26,7,5

(Figs. 8 et 9)

- évaluer le « placement vocal » (voix «couverte», « en avant », « nasale ») 38,12

.

- évaluer l’âge et le genre du producteur (et pas uniquement à partir de la hauteur de

voix)30,19


- reconnaître le producteur (Certaines parties du conduit vocal sont en effet peu

ajustables, ce qui se traduit par des valeurs de F4 et F5 assez stables au sein d’un

individu, contribuant par conséquent à son « empreinte vocale » 21).

Cette propriété de filtrage du conduit vocal est utilisée par plusieurs techniques

vocales pour renforcer spécifiquement une zone ou une composante du spectre vocal

- le « formant du chanteur » est ainsi caractérisé par un renforcement large bande du

spectre vocal autour de 3kHz, où l’oreille humaine est particulièrement sensible. Il

est interprété comme le rapprochement fréquentiel des formants F3 à F5 par

abaissement du larynx et dilatation du pharynx 32.

- la perception d’une « seconde voix » dans le chant diphonique peut être expliquée

par l’amplification et l’ajustement fréquentiel de la 2ème

résonance du conduit vocal

sur un harmonique de la voix, qui permettent de renforcer considérablement

l’énergie de cette composante spectrale (Fig. 10).

FIG. 10. Renforcement successif par un chanteur diphonique des harmoniques H4 à H12, sans

changement de fondamental.

Interaction source-filtre

Contrairement au mode de fonctionnement de certains instruments (trombone,

didgeridoo, …), la fréquence de vibration des cordes vocales n’est pas déterminée par

la fréquence des résonances du résonateur (le conduit vocal). Pour cette raison, la

source glottique et le conduit vocal sont communément considérés comme

indépendants9.

Cependant, ils peuvent être reliés de différentes façons.


Tout d’abord, le conduit vocal n’est pas totalement fermé au niveau de la glotte. Le

mode de phonation influence l’ouverture glottique, et par conséquent les propriétés

acoustiques du conduit vocal, en particulier la fréquence de la 1ère résonance

3,33.

Ensuite, l’onde acoustique générée par la vibration des cordes vocales n’est pas

seulement filtrée puis rayonnée à l’extérieur mais une partie de cette onde est

réfléchie à l’intérieur du conduit vocal et échange de l’énergie avec la source

glottique. Concrètement, cela signifie que les variations de configuration du conduit

vocal peuvent influencer l’onde de débit glottique et les mouvements de vibration des

cordes vocales 35,36

. En particulier, l’ajustement d’une résonance du conduit vocal à

une fréquence légèrement supérieure à celle d’un des premiers harmoniques de la voix

(formant tuning) optimise l’efficacité de la production vocale.

Enfin, des travaux récents ont ainsi montré comment les chanteurs de différents styles

musicaux utilisent ce phénomène (consciemment ou inconsciemment) pour améliorer

leur efficacité, en ajustant leur articulation (ouverture de la mâchoire, abaissement du

voile du palais, recul de la langue…etc) de façon à coupler le résonateur avec la

source glottique 20,13,

17,31

(Fig. 11).

FIG. 11. Ajustements résonantiels observés sur une soprane dans le haut de sa tessiture : La 1ère

résonance R1 est ajustée sur le1er harmonique H1 de Mi4 (haut de la clé de sol) à Ré5 (contre-ré). La

2ème

résonance R2 est ajustée sur H1 au dessus de Fa5 (contre-fa des coloratures)13.

H2 H1


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