Description du sujet de thèse

Le projet de thèse s'inscrit dans le cadre de l'ANR AVATARS « Artificial Voice production: control of bio-inspired port-HAmilToniAn numeRical and mechatronic modelS » (2023-2027). Ce projet de recherche ambitieux et collaboratif entre plusieurs laboratoires français (IRCAM Paris, GIPSA-lab Grenoble, LMA Marseille, 3SR Grenoble et LPL Aix-en-Provence) et l'hôpital universitaire de Liège en Belgique a pour objectif général de développer une nouvelle approche de la production vocale humaine basée sur la modélisation physique, la théorie des systèmes non-linéaires et des conceptions innovantes en mécatronique et en science des matériaux, afin de reproduire le comportement vocal humain mesuré en voix saine et en voix pathologique et de parvenir à une compréhension plus approfondie de leurs spécificités. Le premier objectif est de concevoir des avatars vocaux théoriques et mécatroniques : des avatars numériques basés sur la modélisation physique et la simulation, et des avatars mécatroniques bio-inspirés basés sur le développement technologique et la robotique. Le deuxième objectif est d'analyser et de contrôler la phonation, en se concentrant sur les régimes oscillatoires impliqués dans les différentes qualités vocales et les registres en voix chantée, et de les valider en les comparant aux signaux biologiques humains in vivo. L'analyse des régimes (cartographies automatisées, analyse des bifurcations) vise à fournir un "manuel d'utilisation" des avatars. Les méthodes de contrôle visent à générer des gestes principaux pour atteindre des caractéristiques liées à l'expressivité et à l'articulation de la parole.

Ce projet de thèse ambitionne d'explorer les phénomènes physiques complexes mis en jeu dans la production vocale humaine et de reproduire le comportement vocal humain dans des expressions parlées et chantées sur un banc instrumenté. Un premier banc robotisé a déjà été développé (Henrich et al., 2022). Il consiste en un conduit laryngé contenant des plis vocaux souples et déformables couplé à un conduit vocal à géométrie variable. Ce banc a permis de caractériser le comportement vibratoire de plusieurs structures homogènes, conçues à base d'élastomères ou d'hydrogels, capables de mimer les propriétés mécaniques macroscopiques du pli vocal et d'osciller de façon auto-entretenue par interaction fluide-structure (Yousefi-Mashouf, 2022).
Au cours de cette thèse, l'impact du couplage acoustique (charge acoustique par un conduit vocal reproduisant des voyelles orales) sur l'auto-oscillation des plis vocaux biomimétiques existants sera exploré dans un premier temps. La charge acoustique consistera tout d'abord en des conduits vocaux à géométries simples représentant des voyelles, puis en des conduits morpho-réalistes imprimés en 3D à partir d'images IRM de ces mêmes voyelles. Finalement, en lien avec le développement par l'équipe mécatronique du laboratoire GIPSA-lab d'un conduit vocal robotisé capable d'articuler de la parole par actionnement de la mâchoire, de la langue et des lèvres, le comportement phonatoire sera caractérisé lors de séquences co-articulées.
Dans un second temps, des améliorations seront apportées au vibrateur. La structure, le type de matériaux et la géométrie des plis vocaux biomimétiques seront variés pour en explorer l'impact sur le comportement phonatoire. En particulier, des plis vocaux avec une structure fibreuse bi-couche seront élaborés et testés, sur la base de premiers résultats prometteurs (Yousefi-Mashouf, 2022).
La caractérisation du comportement auto-oscillant des plis vocaux biomimétiques en interaction fluide-structure-acoustique se fera par des mesures aérodynamiques de pression et débit d'air, des mesures acoustiques à partir de l'onde sonore rayonnée, et par analyse d'images obtenues par cinématographie ultra-rapide. La méthode optique de stéréo-corrélation d'images numériques sera également utilisée pour caractériser la déformation de la structure vibrante en 3D, en s'appuyant sur le savoir-faire du laboratoire 3SR et les caméras ultra-rapides présentes sur le banc. L'usage d'un silicone conducteur sera aussi envisagé pour permettre une mesure du contact glottique sur maquette par électroglottographie, technique très usitée de caractérisation de ce contact chez l'humain.

Contexte de travail

Le Gipsa-lab est un laboratoire de recherche mixte du CNRS, Grenoble-INP -UGA et de l'Université de Grenoble Alpes. Il est conventionné avec l'Inria et l'Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble. Il mène des recherches théoriques et appliquées sur l'AUTOMATIQUE, le SIGNAL, les IMAGES, la PAROLE, la COGNITION, la ROBOTIQUE et l'APPRENTISSAGE.
Pluridisciplinaire et à l'interface entre l'humain, les mondes physiques et numériques, nos recherchent se confrontent à des mesures, des données, des observations provenant des systèmes physiques, physiologiques, cognitifs. Elles portent sur la conception de méthodologies et d'algorithmes de traitement et d'extraction de l'information, de décisions, d'actions et de communications viables, performants et compatibles avec la réalité physique et humaine. Nos travaux s'appuient sur des théories mathématiques et informatiques pour le développement de modèles et d'algorithmes, validés par des implémentations matérielles et logicielles.
En s'appuyant sur ses plateformes et ses partenariats, Gipsa-lab garde un lien constant avec des applications dans des domaines très variés : la santé, l'environnement, l'énergie, la géophysique, les systèmes embarqués, la mécatronique, les procédés et systèmes industriels , les télécommunications, les réseaux, les transports et véhicules, la sécurité et la sûreté de fonctionnement, l'interaction homme-machine, l'ingénierie linguistique, la physiologie et la biomécanique…
De part la nature de ses recherches, Gipsa-lab est en relation directe et constante avec le milieu économique et la société.
Son potentiel d'enseignants-chercheurs et chercheurs est investi dans la formation au niveau des universités et écoles d'ingénieurs du site grenoblois (Université Grenoble Alpes).
Gipsa-lab développe ses recherches au travers de 16 équipes ou thèmes organisés en 4 pôles :
• Automatique et Diagnostic (PAD)
• Science des Données (PSD)
• Parole et Cognition (PPC)
• Géométries, Apprentissage, Information et Algorithmes (GAIA).
Le personnel accompagnant la recherche (38 ingénieurs et techniciens) est réparti dans les services communs répartis au sein de 2 pôles :
• Le Pôle Administratif et Financier
• Le Pôle Technique
Gipsa-lab compte environ 150 permanents dont 70 enseignants-chercheurs et 41 chercheurs. Il accueille également des chercheurs invités, des post-doctorants.
Gipsa-lab encadre près de 150 thèses dont environ 50 nouvelles chaque année. Toutes les thèses effectuées au laboratoire sont financées et encadrées par des enseignants-chercheurs et chercheurs dont 50 titulaires d'une HDR.
Enfin, une soixantaine de stagiaires de Master vient chaque printemps grossir les rangs du laboratoire.

Contraintes et risques

Contraintes : respect des horaires du laboratoire, travail sur plateforme mutualisée
Risques: travail avec vibromètre laser