Theoretical and experimental study of vocal tract acoustics
Etude expérimentale et théorique de l'acoustique du conduit vocal
Résumé
The vocal tract acoustics is often described with a simple one dimensional
plane wave approach. However, this is not satisfying when at high frequency (from about 5
kHz) three dimensional variations of the acoustic field are present. The multimodal acoustic
theory has been implemented in order to account for the three dimensional aspects of the
vocal tract acoustics. An experimental setup has been designed to measure accurately
transfer functions, pressure field maps and directivity patterns of vocal tract replicas. The
experimental data obtained have been compared with simulations performed with the implemented
theory and with a finite element method. The three dimensional acoustic fields and
the directivity patterns were successfully predicted by both simulation methods. It has been
observed that the propagation of higher order acoustical modes, induces three dimensional
variations of the acoustic field, generates anti-resonances and additional resonances, and
significantly affects the directivity of the radiated sound. The eccentricity of the vocal tract
shape appears as critical for the excitation and the propagation of the higher order acoustical
modes. It is concluded that at high frequency (above 5 kHz), the transfer function of the
vocal tract can have significant variations within short frequency intervals (of the order of
100 Hz) and within small angular regions (of the order of 30) which need to be taken into
account in the studies of speech which focus on high frequencies.
L'acoustique du conduit vocal est souvent décrite avec de simples modèles ondes
planes à une dimension. Cependant, cela n'est pas satisfaisant quand, à haute fréquence
(à partir d'environ 5 kHz), des variations tridimensionnelles du champ acoustique sont
présentes. La théorie acoustique multimodale a été implémentée pour prendre en compte les
aspects tridimensionnels de l'acoustique du conduit vocal. Un système expérimental a été
conçu pour mesurer avec précision des fonctions de transfert, des champs de pression et des
diagrammes de directivité sur des maquettes de conduits vocaux. Les données expérimentales
obtenues ont été comparées avec les simulations réalisées avec la théorie implémentée et avec
la méthode des éléments finis. Le champ acoustique tridimensionnel et les diagrammes de
directivité ont été prédis avec succès par les deux méthodes de simulation. Il a été observé que
la propagation de mode acoustique d'ordre supérieur induit des variations tridimensionnelles
du champ acoustique, génère des antirésonances et des résonances additionnelles, et affecte la
directivité du son rayonné de façon significative. L'excentricité de la forme du conduit vocal
apparaît comme critique pour l'excitation et la propagation des modes d'ordre supérieur. Il
est conclu qu'à haute fréquence (au-delà de 5 kHz), la fonction de transfert du conduit vocal
peut avoir des variations significatives dans de petits intervalles de fréquences (de l'ordre
de 100 Hz) et dans des régions angulaires restreintes (de l'ordre de 30). Ces variations
nécessitent d'être prises en compte dans les études de la parole qui se focalisent sur les hautes
fréquences.
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