Lumped Power-Balanced Modelling and Simulation of the Vocal Apparatus : a Fluid-Strucutre Interaction Approach - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Lumped Power-Balanced Modelling and Simulation of the Vocal Apparatus : a Fluid-Strucutre Interaction Approach

Modélisation et simulation en constantes localisées et à bilan de puissance garanti de l'appareil vocal : une approche interaction fluide-structure.

Victor Wetzel
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1147291
  • IdRef : 26339753X

Résumé

This work addresses the physical modelling and simulation of the vocal apparatus with a focus on the articulated vocal tract. The objective is to model both the propagation of acoustic waves and the fluid flow interacting with the tissues along the upper airways. Getting back to the basic principles of fluid mechanics and of thermodynamics, this thesis combines a set of hypotheses, approaches and tools to produce a nonlinear lumped-parameter model of the vocal tract that accounts for acoustic propagation, but also for side branching (e.g., nasal coupling) and for articulation (with hard and soft moving tissues). This work is carried out in the time-domain using the port-Hamiltonian system framework, that ensures the energy consistency and passivity of the models. Using electrical equivalent circuits, we provide new interpretations on Fluid-Structure Interactions (FSI) while preserving the modularity, physical interpretability and scalability of classical lumped-parameter models of the state-of-the-art. Power-balanced numerical simulations for simple co-articulations demonstrate the significant impact of the energy-consistent modelling of time-varying tracts on audible signals, while reproducing expected properties (acoustical resonances, transient effects, mass convection). As a corollary work, we propose a similar lumped passive models of junction (of various complexity) between three tracts or pipes, that could be also used in musical acoustics for wind instruments. At last, we revisit the theoretical framework of the so-called indicator (or color) functions and level set methods for the time-space modelling of pHs with time-varying domains.
Cette thèse traite de la modélisation et de la simulation de l'appareil vocal, et notamment du conduit vocal articulé. L'objectif principal est de décrire, de manière concomitante, la propagation des ondes acoustiques et l'écoulement de l'air en interaction avec les tissus des voies aériennes. Cette thèse combine des hypothèses, des approches et des outils issus de la mécanique des fluides et de la thermodynamique pour produire un modèle non linéaire à constantes localisées. Ce modèle prend en compte la propagation acoustique, la présence de dérivations (pour la cavité nasale par exemple) et les mouvements dus aux phénomènes articulatoires.Ce travail est effectué dans le domaine temporel, dans le cadre des systèmes Hamiltoniens à ports (sHp) qui garantit l'obtention de modèles passifs et énergétiquement bien posés. Nous démontrons, à l'aide de circuits électriques équivalents, que ce modèle apporte de nouvelles interprétations sur les interactions fluides-structures tout en préservant la modularité et l'interprétabilité des modèles de l'état de l'art. Nous démontrons, à l'aide de simulations pour des coarticulations simples, l'impact de notre modélisation du mouvement des articulateurs sur le signal de sortie audible, tout en reproduisant les comportements attendus (résonances acoustiques, transitoires, convection de masse). En utilisant la même méthodologie, nous proposons de nouveaux modèles de jonction entre trois tronçons ou tubes, pouvant être appliqués à la voix et à l'acoustique des instruments à vent. Enfin, nous proposons une formulation Hamiltonienne à ports des fonctions indicatrices pour la modélisation de sHp dont le domaine spatial dépend du temps.
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WETZEL_Victor_these_2021.pdf (5.14 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03715371 , version 1 (06-07-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03715371 , version 1

Citer

Victor Wetzel. Lumped Power-Balanced Modelling and Simulation of the Vocal Apparatus : a Fluid-Strucutre Interaction Approach. Acoustics [physics.class-ph]. Sorbonne Université, 2021. English. ⟨NNT : 2021SORUS427⟩. ⟨tel-03715371⟩
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