Excitateur et résonateur
Un système acoustique comporte généralement deux parties : un excitateur et un résonateur, qui est le volume dans lequel se propage l'excitation. L'excitateur délivre un signal source dont certaines composantes vont être affaiblies ou renforcées dans le résonateur, c'est sa fréquence de résonance. Elle varie selon le volume de la cavité et la surface de l'ouverture du résonateur.
L'appareil vocal humain est constitué d'un excitateur, le complexe glotte-cordes vocales, et d'un ensemble de résonateurs. Un des problèmes spécifiques à la phonation est que, souvent, le résonateur réagit sur l'excitateur et le signal source s'en trouve modifié.
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Les formants
Lorsqu'un excitateur entre en vibration, il fournit un signal, dont le résonateur va amplifier certaines composantes. On obtient alors des formants qui sont un facteur fondamental dans la caractérisation du timbre. Ils servent, justement, à « former » ce dernier.
Le nombre des formants, selon les caractéristiques du résonateur (volume, forme et ouverture), est variable : d'un seul à (théoriquement) une infinité. Néanmoins, du point de vue perceptif, seuls quelques-uns d'entre eux jouent un rôle central au niveau de la parole. Par exemple, on peut caractériser toute voyelle en ne prenant en compte que ses trois premiers formants. (Pour une réalisation de la voyelle [i] par exemple, les trois premiers formants pourraient se situer respectivement à 300, 2200 et 3000 Hz.)
En fait, un formant ne peut jamais être ramené à une fréquence fixe (sinon de manière conventionnelle, en effectuant une moyenne par exemple, comme pour la voyelle [i] ci-dessus). Il s'agit plutôt d'une bande de fréquences qui sera d'autant plus large que le système est amorti. Ces régions formantiques apparaissent très clairement sur les spectrogrames.
Pour définir les caractéristiques d'un résonateur (ce qu'on appelle, par abus de langage, sa fréquence), on envoie, à travers celui-ci, un bruit blanc, formé du mélange de toutes les fréquences. On verra alors clairement sur le spectrogramme du bruit coloré ainsi obtenu quelles zones fréquencielles seront amplifiées par le résonateur.
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Brève description de l'appareil phonatoire
Un élément important de notre appareil phonatoire est le système excitateur que constitue les cordes vocales. Il est mis en place par une architecture musculaire très complexe : les cordes vocales prennent appui sur le cartilage thyroïde (c'est-à-dire la pomme d'Adam) qui en oscillant peut les allonger ou les raccourcir, donc les tendre ou les détendre, ce qui permet des variations de hauteur dans le son émis. (En fait, la situation est plus compliquée : les cordes vocales sont fixées sur les cartilages arythénoïdes qui, en basculant sur le cricoïde, règlent l'ouverture de la glotte.)
Le corps sonore de l'appareil phonatoire, contenant les différents résonateurs, est une cavité extrêmement complexe et composite. On peut le découper en cinq parties :
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le pharynx (ou arrière-gorge) ;
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la cavité buccale en-deça de la langue ;
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la cavité buccale au-delà de la langue (qui peut ne former qu'une seule cavité avec la précédente, selon la position de la langue) ;
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la cavité labiale ;
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la cavité nasale, qui fonctionne et existe en parallèle à la cavité buccale.
Toutes les cavités communiquent entre elles par des ouvertures réglables. (En cas d'ingestion d'aliments, l'épiglotte se rabat pour boucher la trachée artère.) Grâce à cette musculature élaborée, le volume et l'ouverture des cavités peut varier très rapidement.
Figure 8 : Le corps sonore
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Production de la parole
On peut exciter le résonateur complexe qui fait partie de notre appareil phonatoire de différentes manières :
- par un spectre de raies « fabriqué » par les cordes vocales (exemple : [a]), c'est-à-dire un signal sonore périodique fourni par le larynx, dont le timbre sera modulé par le conduit vocal qui favorisera certaines zones fréquentielles (les formants) ; il s'agit du mode de réalisation des voyelles, des liquides et des semi-voyelles ;
- par de petites explosions, résultat du débouchage brusque des cavités à divers niveaux (exemple : [t]) ; on retrouve la définition classique des occlusives : une égalisation des pressions en amont et en aval d'une occlusion du chenal expiratoire produit un bruit bref ;
- par le bruit du passage de l'air pulmonaire au travers des organes phonateurs (exemple : [s]), c'est-à-dire qu'il se produit un bruit d'écoulement - friction - là où le chenal expiratoire est suffisamment rétréci (point de constriction).
Des détails complémentaires sur ces trois processus sont présentés ci-dessous.
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Excitation du conduit vocal
Excitation glottique du conduit vocal
Il convient de distinguer deux types d'excitation glottique :
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une forme apériodique : c'est-à-dire un chuchotement (un écoulement tourbillonnaire de l'air à travers les cordes vocales, accompagné d'une quasi-absence d'énergie dans les fréquences basses si on regarde le spectre) ;
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une forme (quasi-)périodique (on peut parler de quasi-périodicité, car il est bien rare que deux impulsions glottiques soient strictement identiques).
Les possibilités du larynx en tant que générateur acoustique sont très étendues.
Excitation du conduit vocal par une impulsion acoustique
On reconnaîtra ici le mécanisme de production des occlusives.
Les impulsions ainsi produites, c'est-à-dire les réalisations d'occlusives, sont « colorées » par l'ensemble des résonances du conduit vocal. Leur intensité varie peu, car elle est limitée par des facteurs mécaniques fixes ou peu variables : ces impulsions, très perceptibles en voix chuchotée ou faiblement voisée, deviennent difficiles à distinguer lorsque le niveau sonore de la parole augmente.
Notons au passage l'importance de la salive, dont les propriétés physiques, viscosité et tension superficielle, permettent d'assurer l'étanchéité de l'occlusion.
Excitation du conduit vocal en un point de constriction par un bruit d'écoulement
Il s'agit ici d'envisager toutes les productions de bruits riches en composantes aiguës qui excitent l'ensemble du conduit vocal - les constrictives (fricatives et spirantes).
On a pu observer que les cavités en aval de la constriction contribuaient d'avantage au signal que celles en amont. On remarquera également que les fricatives nasales sont très rares, l'abaissement du voile du palais rendant la production d'une friction très difficile.
Les fricatives peuvent être sourdes ou sonores. Mais dans le second cas, le « jet » est moins puissant puisqu'une partie de l'énergie aérodynamique est utilisée pour faire vibrer les cordes vocales ; qui plus est, le jet est alors pulsé, puisqu'il y a ouverture et fermeture de la glotte.
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