Thèse Étude Théorique et Expérimentale de l'Aéroacoustique dans des Guides d'Ondes Déformables à Géométrie Variable Temporelle Application à la Production de la Parole H/F

Université Grenoble Alpes

Alors que la physique sous-jacente à l'acoustique des voyelles soutenues ou à la production de bruit de fricatives dans des guides d'onde stationnaires rigides constitue un champ de recherche bien établi, l'étude physique de la production sonore associée à des guides d'onde à géométrie variable dans le temps reste encore peu explorée dans la littérature.
Ce travail de doctorat porte donc sur une étude théorique et expérimentale de l'aéro-acoustique des guides d'onde dynamiques, dans des conditions (elasticité, géométrie et écoulement) pertinentes pour la production des sons de la parole humaine.
Plus précisément, ce travail vise à étudier l'influence de la variation temporelle des guides d'onde déformable à la fois sur la propagation des ondes, sur les mécanismes de génération des sources sonores (interaction fluide-structure ou aéro-acoustique) ainsi que sur les interactions entre sources sonores (coexistence, couplage, etc.). À cette fin, des études expérimentales systématiques sont menées afin de caractériser l'influence de la dynamique du guide d'onde (aire, forme de la section transversale) et des propriétés des parois (rigides ou déformables) sur la dynamique des mécanismes de production et sur la propagation du son. Les données expérimentales recueillies sont nécessaires à la mis en place et à la validation de modèles quasi-analytiques de production et de propagation acoustiques.

Dans le cadre de la production de la parole humaine, l'acoustique des guides d'ondes a été largement étudiée pour des géométries stationnaires et en l'absence d'écoulement. Néanmoins, la production des sons de la parole implique des phénomènes d'articulation et un écoulement d'air, qui sont omis dans la majorité des études portant sur la physique de la production de la parole. L'originalité du doctorat proposé est donc double : il s'agit, d'une part, d'étudier l'influence de propriétés de guide d'ondes variant dans le temps (aire, formes de section transversal, rigidité) sur la propagation des ondes acoustiques, et d'autre part, de prendre en compte la propagation et la génération des ondes en présence d'un écoulement d'air. Ce dernier aspect implique d'analyser l'influence de la dynamique du guide d'ondes sur la génération et l'interaction de différentes sources sonores - par exemple celles résultant d'interactions fluide-structure pour les sons voisés ou de nature aéro-acoustique pour les fricatives - ainsi que l'influence des propriétés des parois du guide d'ondes sur la propagation du son et ses interactions.

Within the context of human speech productions, waveguide acoustics is well studied for steady geometries and in absence of flow. Nevertheless, human speech sound production involves articulation and respiratory airflow, which are omitted from most studies dealing with the physics of speech production. As such, the originality of the proposed PhD is two-fold in addressing firstly the influence of time-varying waveguide properties (area, cross-section shapes, elasticity) on acoustic wave propagation and secondly in accounting for wave propagation and generation in presence of airflow. This last aspect implies to address the influence of waveguide dynamics on the generation and interaction of different sound sources - e.g., due to a fluid-structure interaction for voiced sounds or of aero-acoustic nature for fricatives - as well as the influence of waveguide's wall properties on sound propagation and interaction.

Il est envisagé de mener une étude théorique et expérimentale systématique des phénomènes aéroacoustiques dans des guides d'ondes rigide et déformable à géométrie variable, avec et sans écoulement, et dans différentes gammes de fréquences (jusqu'à 4 kHz et jusqu'à 10 kHz). Les conditions d'écoulement et de géométrie étudiées couvrent celles observées lors de la production des sons de la parole humaine et de la respiration.

It is sought to perform a systematic theoretical and experimental investigation of aeroacoustic phenomena in time-varying rigid and deformable waveguides without and with airflow and in different frequency ranges (up to 4kHz and up to 10 kHz). Investigated flow and geometrical conditions span those observed in human speech sound production and respiration.

La méthodologie proposée repose sur l'exploitation d'un cadre théorique récemment établi, qui considère l'utilisation de guides d'ondes comprimés (squeezed waveguides) et déformables pour l'étude de la propagation des ondes pertinente pour les voyelles soutenues (Eliraki et al., 2026). L'objectif est d'étendre ce cadre à la propagation des ondes dans des guides d'ondes à géométrie variable dans le temps, représentatifs de configurations de voyelles concaténées, dans un premier temps sans écoulement puis, dans un second temps, en présence d'un écoulement d'air. Il est à noter que le dispositif expérimental utilisé pour valider ce cadre dans le cas de guides d'ondes stationnaires est également adapté à la caractérisation et à la validation de la propagation des ondes dans des guides d'ondes à géométrie variable, avec ou sans écoulement. Les caractéristiques temporelles des déformations du guide d'ondes sont extraites de données d'IRM dynamique récemment décrites dans la littérature. Dans un premier temps, la gamme de fréquences considérée est limitée à 4 kHz, les modes acoustiques d'ordre supérieurs pouvant être négligés pour la production des sons vocaliques. Dans une seconde étape, lorsque la génération de sources sonores aéro-acoustiques est étudiée, la gamme de fréquences sera étendue jusqu'à 10 kHz. L'objectif est de confronter des modèles quasi-analytiques de génération et de propagation du son aux données expérimentales recueillies.

The proposed methodology relies on exploiting the recently established framework which considers the use of squeezed deformable waveguides to study wave propagation pertinent for sustained vowels (Eliraki et all., 2026). It is aimed to expand this framework to wave propagation to time-varying waveguides pertinent for concatenated vowel configurations firstly without and secondly with airflow. It is noted that the experimental setup used to validate the framework for steady waveguide configurations is suitable to characterize and validate wave propagation through time-varying waveguides without and with flow. Temporal characteristics of waveguide deformation are taken from dynamic MRI data recently described in literature. At first the frequency range up to 4 kHz is considered as higher order acoustic mode propagation can be neglected for vowel sound production. In a second stage, as aero-acoustic sound source generation is studied the frequency range will be extended to 10 kHz. It is aimed to confront quasi-analytical model of sound generation and propagation with gathered experimental data.