Thèse de doctorat de l'Université Paris 6  -  Nathalie Henrich   (2001)
PhD thesis, University Paris 6  -  Nathalie Henrich   (2001)

Etude de la source glottique en voix parlée et chantée : modélisation et estimation, mesures acoustiques et électroglottographiques, perception

Study of the glottal source in speech and singing: Modeling and estimation, acoustic and electroglottographic measurements, perception



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Résumé

Les relations entre les paramètres de source glottique et la qualité vocale sont étudiées en voix parlée et chantée, par étude spectrale des modèles de signaux, par mesures acoustiques et électroglottographiques et par détermination des seuils différentiels. Les corrélats spectraux de ces paramètres sont évalués à partir des expressions analytiques temporelles et spectrales des modèles de signaux. Une augmentation de l'amplitude de voisement ou de la vitesse de fermeture entraîne une amplification spectrale globale. Le quotient ouvert et le coefficient d'asymétrie sont corrélés à la fréquence et la largeur de bande du formant glottique, ainsi qu'à l'amplitude de la pente spectrale. Le quotient de phase de retour affecte la pente spectrale en haute fréquence. L'estimation du quotient ouvert à partir de la différence spectrale entre les deux premiers harmoniques, H1-H2, est étudiée de façon théorique et expérimentale. Elle n'est pas adaptée aux signaux de voix chantée, où l'interaction entre source et filtre devient importante. L'utilisation des signaux électroglottographiques dérivés, qui permettent de détecter les instants d'ouverture et de fermeture glottique indépendamment du système supraglottique, est explorée et des méthodes de mesure de la fréquence fondamentale et du quotient ouvert sont proposées. Une base de données a été constituée, par enregistrement simultané des signaux acoustiques et électroglottographiques de 18 chanteurs entraînés sur des voyelles tenues, des sons filés ou des phrases parlées et chantées. Le quotient ouvert est analysé en fonction de l'intensité vocale et de la fréquence fondamentale, dans les deux principaux mécanismes laryngés de production vocale. Il présente des valeurs plus élevées en mécanisme II ( $0.5 \leq O_q \leq 0.95$) qu'en mécanisme I ( $0.3 \leq O_q \leq 0.8$) et la transition entre mécanismes s'accompagne d'un saut marqué de quotient ouvert. Il est fortement corrélé à l'intensité vocale en mécanisme I et à la fréquence fondamentale en mécanisme II et dépend de l'ouverture de la voyelle émise. Les seuils différentiels associés au quotient ouvert et au coefficient d'asymétrie sont mesurés. Le seuil différentiel relatif $\frac{\Delta O_q}{O_q}$ est de l'ordre de 14 % pour 20 sujets non-entraînés et 10 % pour 10 sujets entraînés. Il ne varie pas lors d'un changement de voyelle ou de fréquence fondamentale, mais dépend du paramètre d'amplitude et de la présence ou non d'un vibrato.

Mots clefs :

voix, source glottique, qualité vocale, électroglottographie, quotient ouvert, mécanismes laryngés, synthèse de voix chantée, perception.



Abstract

The dependence of qualities of the voice on parameters of glottal flow was studied in speech and singing, using spectral modelling and estimation, acoustic and electroglottographic measurements and psychoacoustic determinations of just noticeable differences (JND). The effects of glottal flow parameters on the voice signal were studied in the time and frequency domains using models of glottal flow. An increase of the amplitude parameters led to a spectral amplification. The open quotient and asymmetry coefficient were correlated to the frequency and bandwith of the glottal formant and the spectral tilt amplitude. The return phase quotient was correlated to the high-frequency part of the spectral tilt. Open quotient estimation using the first two harmonics difference, H1-H2, was studied theoretically and experimentally. This estimation is not adequate for singing, for which the interaction between source and filter is no longer negligible. The use of the derivative of electroglottographic signals to detect glottal opening and closure instants, independently of the effects of the supraglottal system, was investigated and methods were proposed for measuring fundamental frequency and open quotient. A data base of simultaneous EGG and acoustic signals was recorded for 18 trained singers who produced sustained vowels, crescendos and spoken and sung phrases. The open quotient was analysed as a function of fundamental frequency and vocal intensity and related to the main laryngeal mechanisms of voice production. It had larger values in mechanism II ( $0.5 \leq O_q \leq 0.95$) than in mechanism I ( $0.3 \leq O_q \leq 0.8$) and a jump of open quotient was noticed at the mechanism's transition. A high correlation was found with vocal intensity in mechanism I and with fundamental frequency in mechanism II. It was also dependent on the opening of the vowel. The JNDs were determined for the open quotient and the asymmetry coefficient. The relative JND, $\frac{\Delta O_q}{O_q}$, was about 14 % for 20 untrained subjects and 10 % for 10 trained ones. The JND did not vary with a change of vowel or fundamental frequency, but it depended on the amplitude parameter and whether or not a vibrato were present.

Keywords :

voice, glottal source, voice quality , electroglottography, open quotient, laryngeal mechanisms, singing voice synthesis, perception.


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