PPhhyyssiioollooggiiee ddeess llèèvvrreess eett ddeess ccoorrddeess vvooccaalleess

Malte Kob Hôpital de phoniatrie, othophonie et dysfonctionnements de communication

Université d’Aix la Chapelle – RWTH, Allemagne

L’étude de la voix et de la phonation sont très intéressantes pour de multiples raisons.

• Tout d’abord, la voix porte la parole, elle est donc une condition de communication verbale dans la société humaine.

• Elle intéresse également le domaine de la criminalistique pour qui son unicité peut permettre d’identifier une personne.

• Une meilleure compréhension de la phonation est indispensable pour développer et améliorer les systèmes de reconnaissance ou de synthèse vocale.

• Enfin, la médecine s’intéresse de près à la connaissance de la production de la voix et de la parole, afin de pouvoir mieux diagnostiquer les troubles de la parole et de pouvoir développer des prothèses par exemple pour les patients ayant subi une laryngectomie.

Introduction: Par définition, la Physiologie est la science qui décrit le fonctionnement des organismes vivants Dans cette présentation, il sera particulièrement question de l’anatomie et du fonctionnement des lèvres et des cordes vocales (CV), plutôt que de questions acoustiques, articulatoires ou musicales. Il est possible d’extraire une grande quantité d’informations à partir de la dissection d’organes excisés. En particulier, l’étude physiologique de l’appareil vocal à permis de progresser sur sa compréhension, en rompant avec d’anciennes conceptions comme celle par exemple qui considérait que les lèvres vibraient par excitation nerveuse ou par contraction musculaire. La physiologie des lèvres et des CV est particulièrement intéressante car elle doit prendre en compte de multiples aspects de la voix : –Les aspects respiratoires –La Communication non-verbale et verbale (parole) –La combinaison des aspects physiques, biologiques, cliniques, musicaux et liés à la parole.

Physiologie de la voix humaine

Fig1: Schématisation de l’appareil phonatoire

L'appareil vocal humain peut se présenter idéalement comme un système source-filtre avec notre poumon comme réservoir énergétique : - l'air sort des poumons et s’écoule dans le conduit vocal. Le son est produit

lorsque le souffle passant au travers des cordes vocales les fait vibrer et est ainsi modulé par leur vibration.

- Le conduit vocal couvre le secteur de pharynx ainsi que les sinus nasal et buccal. Il représente un secteur de résonance, de sorte que le son rayonné au niveau des lèvres est le résultat d’un filtrage du signal généré au niveau de cordes vocales.

Fig2 : Explications de ce système source-filtre du point de vue traitement de signal

0 0.01 0.02 0.030

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time [s]

Sou

nd

pres

sure

[a.u

.]

0 5000 1000020

40

60

80

Frequency [Hz]

Sou

nd

pres

sure

leve

l [d

B]

0 0.005 0.01-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Time [s]

0 5000 10000-60

-40

-20

0

Frequency [Hz]

0 0.01 0.02 0.03-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

Time [s]

0 5000 10000

0

20

40

60

Frequency [Hz]

Source Filter

*

.

° •

° •

° •

Product

Time domain

Freq. domain

En bas à droite de la figure 2, on peut observer le spectre du signal obtenu après filtrage d’un signal glottique (pouvant être décomposé d’après Fourier en une somme de sinusoïdes de différentes fréquence) . En bas à gauche, le spectre du signal glottique présente une continuité sspectrale, avec comme fréquence fondamentale la fréquence d'oscillation des lèvres , et avec une décroissance des harmoniques aiguës de 12 dB par Octave. Le décibel exprime une mesure relative et décrit le rapport entre le niveau de pression absolu du son sur une base de numération ferme, cette base étant déterminée sur le seuil d'audition humain (0.00002 PA). Une différence d’amplitude de 6 dB entre deux sons correspond alors à un doublement de l'intensité. Une octave, quant à elle, correspond à un doublement de la fréquence. Le son naît de fluctuations de pression. Ces ondes se propagent dans l'air avec une vitesse de 352 m/s ( pour t = 310 k= 37°C) et sont perçues par notre oreille. Le filtre, autrement appelé fonction de transfert du conduit vocal, est représenté en bas au milieu de la figure 2. Il présente des maxima au niveau des fréquences de résonance, appelés formants. La fréquence, l’amplitude et la largeur de bande de ces formats permettent de décrire le timbre du son et sont spécifiques pour les sons voisés ou non. Nous reviendront par la suite plus en détails sur cette notion de formants. Physiologie des lèvres Les lèvres présentent de nombreuses fonctions : –Elles permettent de contrôler l’ouverture de la bouche pour respirer ou se nourrir –Elle permettent l’articulation, de siffler ou de jouer d’un instrument musical –Elle participent de façon très importante au rayonnement de la voix –Enfin, elles rentrent en jeu dans les expressions du visages et la communication non-verbale

Fig3 : Les lèvres permettent parmi d’autres fonctions de jouer d’un instrument de musique

L’organisation des muscles faciaux contrôlant les lèvres est très complexe, comme on peut le voir sur la figure 4. Il existe plusieurs couches différentes. Certains muscles comme ceux du cou sont attachés assez loin du visage. Certains muscles sont toujours en étirement. Enfin, on observe que les muscles « directs » se terminent juste à la surface des lèvres. Tous ces muscles s’entraînent et se contrôlent comme n’importe quel autre muscle. Ils sont propres à chaque individu, contribuant à l’individualité de chaque visage.

Fig4 : Coupes anatomiques des lèvres. (Source: Sobotta Atlas 1998)

Anatomie du larynx Le larynx a également plusieurs fonctions : • Modulation du débit d’air du poumon vers le conduit vocal • Oscillation régulière: voix sonore • Génération du bruit où d’impulsions: voix non sonore (consonnes)

Fig5 : Coupes anatomiques du Larynx. (Source: Sobotta Atlas 1998) Sur la coupe anatomique de droite de la figure 5, on peut voir la trachée, les cordes vocales assez largement ouvertes, avec les cordes ventriculaires autour ( ????), et même les fausses cordes vocales au-dessus.

Muscles intra laryngés Ces muscles servent à la fois: – à l’abduction/ l’adduction des cordes vocales pour contrôler la respiration ou la phonation aspiration/phonation. Ce mouvement doit être bine distingué de l’oscillation vibratoire des cordes vocales. – au contrôle de la distance et de la tension des CV. En effet, ces paramètres déterminent la qualité de la voix (pressée, soufflée, enrouée…etc)

Fig6 : Représentation des muscles intra laryngés. (Source: Netter Atlas 1997) Les cordes vocales Structure

Fig7 : Position et insertion des CV Fig8 :Couches des CV (Source: Hirano 1968)

Quelques détails sur la structure des cordes vocales et sur les muscles qui contrôlent leur position et leur tension: Les cordes vocales sont constituées d’une structure hétérogène de tissus en plusieurs couches appelées Vocalis, ligaments et muqueuse.

Fig9 : Structure biomécanique des cordes vocales Contrôle Les muscles contrôlent pour la plupart l’ouverture/fermeture des cordes vocales pour la respiration ou le choix du registre (cricoïdiens et cricoatitenoidieens). Deux muscles sont importants pour contrôler la tension des cordes vocales : le Cricothyroideus (épais) et de façon moindre, le vocalis (fin). Enfin, le Transversus permet de chanter en voix de fausset.

Fig10 : Muscles contrôlant l’action des cordes vocales

Phonation. Le cycle de vibration des cordes vocales se décompose en plusieurs étapes : •la pression sous- glottique est plus forte que la résistance des cordes vocales (CV) •la pression écarte les CV et l'air passe à haute vitesse •la pression diminue, les forces élastiques et Bernoulli tirent les CV vers le centre •les CV se rapprochent et la glotte se ferme •le cycle recommence

Fig11 : Evolution schématique des cordes vocales durant une période d’oscillation (vue coronale)

Modes de vibration.

Fig11 : Simulation du mouvement des cordes vocales. A gauche: phonation normale. A droite: phonation dans la 2ème mode, provoquée par l’augmentation de deux masses

La durée du cycle de vibration des cordes vocales détermine la fréquence du son émis. Le quotient ouvert en phonation normale est haut en voix relâchée, faible en voix pressée Une vibration oblique introduit une asymétrie dans le quotient vitesse (???) , et des harmoniques aiguës. Lorsqu’on simule une phonation dans le 2ème mode, provoquée par l’augmentation de deux masses, le cycle d’ouverture et de fermeture glottique ne produit plus des fluctuations de pression sinusoïdales (ondes sonores), mais des impulsions / signaux transitoires. L’asymétrie du cycle de phonation génère un transfert d’énergie de l’écoulement pendant la vibration des cordes vocales.

Génération du jet et des vortices

Fig12 : Séparation du jet Fig13 :Génération des vortices. Source: A. Hirschberg et al.1995

Génération de bruit glottal

Fig14: Bruit d‘aspiration (Aspirationsrauschen) Fig15 :génération périodique des vortices dans la région supraglottale

U: volume flow v: flow velocity d: diameter of glottal area A St: Strouhal number Variation de la fO Le mouvement des cordes vocales peut être visualisé grâce à la stroboscopie. La cinématographie ultrarapide permet d’acquérir des images à une fréquence d’environ 200 Hz. En diffusant les images toutes les 5 ou 10 périodes, et en changeant un peu la phase , on obtient une impression de ralenti cinématographique qui permet d’observer la vibration des cordes vocales.

Paramètres glottiques Ces paramètres sont très différents selon les individus Sur le tableau de la figure 16 sont représentées les valeurs typiques de la géométrie glottale et du débit.

Figure 16 : valeurs typiques de la géométrie glottale et du débit

Le temps d’ouverture de la glotte est typiquement de 2-4 ms.

Trachée Conduit vocal

Figure 17 : Géométrie de la glotte

Attributs de la voix La hauteur de la voix est lié à la fréquence de vibration des cordes vocales. La fréquence fondamentale varie avec l’âge et le sexe. Il existe plusieurs registres de voix –la voix de poitrine : En voix parlée, cette voix se situe dans les basses fréquences, les cordes vocales sont alors relativement relâchées et leurs vibrations assez amples. Le muscle vocal est actif dans ce registre. –la voix de Fausset : En voix chantée, cette voix est produite à des fréquences plus hautes. Les cordes vocales sont alors allongées mais fines en raison du relâchement du muscle vocal et de l’activation du muscle crico- thyroïdien –la voix mixte : il s’agit d’une harmonisation entre les deux autres registres. L’intensité de la voix varie avec la résistance des cordes vocales et la pression sous- glottique.

La voix chantée Les chanteurs sont classés selon la plage fréquence fondamentale: Basse, Baryton, Ténor, Alto, Mezzo-Soprano et Soprano. Il existe de nombreux styles musicaux dans lesquels les voix ont des timbres différents: chant lyrique, asiatique, chant overtone etc. On recense également plusieurs moyens d’expression: vibrato, jeu sur la dynamique, sur le formant du chanteur ... L’intensité vocale peut aller de 60 à 110 dB.

Fig18 : Classification des chanteurs

Une voix spéciale. Undertone. Plusieurs possibilités existent pour générer une voix très basse: le fry, le growl, ou en actionnant simultanément les cordes vocales et les fausses cordes vocales (plica vestibularis). Ce dernier mode de phonation est aussi appelé « vocal-ventricular mode” (VVM).

La voix parlée Visualisation des mouvements de la langue et des cordes vocales pendant la phonation. La voix pathologique On observe dans ce type de voix un mouvement irrégulier des CV, comme à la transition entre deux modes (1./2. Mode) L’apparition de nodules chez certains chanteurs est causée par une fatigue vocale intense. Elle se symptomatise par une augmentation bilatérale d’une partie des CV. Le changement d’élasticité et l’augmentation de la masse provoque un comportement quasi chaotique. L’oscillation n’est plus régulière.

Fig19 : nodule

Articulation •Des parties périodiques et étroites du signal représentent des harmoniques de la voix. •De plus larges bandes correspondent aux formants •Des parts apériodiques sont typiques des Plosives (/b/), des Fricative (/s/) et des Aspirations (/h/)