Amélioration de la qualité et de l’intelligibilité des microphones à conduction osseuse.

Improvement of the quality and intelligibility of bone conduction microphones.

• Auteur / Autrice : Julien Richard
• Direction : Sébastien Roth, Véronique Zimpfer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique appliquée
• Date : Soutenance le 19/11/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) - Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne [Dijon] / LICB
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Andeol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Roth, Véronique Zimpfer, Etienne Parizet, Patrick Chevret, Hervé Lissek
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Etienne Parizet, Patrick Chevret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Qualité

Son

Son -- Propagation

Mots clés libres

Microphone à conduction osseuse

Intelligibilité

Qualité sonore

Traitement du signal

Transmission des ondes

Signal de parole

Bone conduction microphone

Intelligibility

Sound quality

Signal processing

Wave transmission

Speech signal

Résumé

Dans des situations hostiles à la communication, comme les environnements bruyants ou lorsque le port d'un équipement obstrue la bouche et les narines, les moyens et méthodes de communication sont limités. Une solution ergonomique et prometteuse, imaginée au siècle dernier, est le microphone à conduction osseuse. Contrairement aux microphones classiques qui captent le son émis par la bouche et les narines, ce dispositif capte un signal qui n'entre pas en concurrence avec les bruits ambiants. Son potentiel à être couplé avec d'autres équipements en fait une solution intéressante. Cependant, le signal vocal enregistré par ce type de microphone souffre d'une qualité et d'une intelligibilité inférieures à celles d'un microphone aérien, ce qui limite son usage aux environnements extrêmes. Afin d'élargir l'utilisation de cette technologie, des recherches sont menées pour améliorer la qualité et l'intelligibilité du signal enregistré par les microphones à conduction osseuse. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans cette démarche.De nombreuses études portent sur le traitement des signaux captés par ce type de microphones, mais peu s'intéressent à la physique de la conduction osseuse appliquée à l'enregistrement de la parole. Dans un premier temps, une vérification de l'utilisation des méthodes d'évaluation de la qualité et de l'intelligibilité de la parole pouvant s'appliquer à ce type de signal, comme cela se fait dans la littérature, a été réalisée. Il a été constaté que les méthodes objectives utilisées ne reflétaient pas les évaluations subjectives, car le signal capté par conduction osseuse n'est pas un simple signal aérien filtré, mais un signal de nature différente. Par conséquent, une étude approfondie de la nature de ce signal a été menée pour orienter les futures améliorations.Le signal de parole enregistré par conduction osseuse a été montré comme étant le résultat de l'interférence de deux sources: les vibrations structurelles liées aux cordes vocales et les vibrations des parois du conduit vocal dues aux variations de pression à l'intérieur de celui-ci. Cette dernière a été corrélée à l'intelligibilité et à la qualité du signal, suggérant qu'une meilleure transmission entre le conduit vocal et le microphone à conduction osseuse améliorerait ces deux aspects. De plus, l'absence de propriétés de rayonnement dans le signal enregistré par ce microphone a été observée, ainsi que l'absence d'influence du degré d'ouverture de la bouche sur la transmission entre la cavité buccale et le microphone.Deux stratégies d'amélioration ont été explorées. La première concerne les moyens et méthodes d'enregistrement et a permis d'identifier les zones du visage où l'épaisseur du tissu adipeux est plus faible comme des emplacements optimaux pour le microphone. L'idée d'utiliser un matériau intermédiaire entre le sujet et le microphone a également été envisagée, mais nécessite des recherches supplémentaires. La seconde stratégie porte sur le post-traitement du signal enregistré par le microphone à conduction osseuse, en utilisant des traitements simples basés sur la physique. Plusieurs ``briques'' de traitement ont été développées, ciblant la reconstruction du rayonnement buccal, la modification du signal liée à la transmission de l'onde de la cavité orale vers le microphone, les vibrations des cordes vocales, ainsi que la position des articulateurs. Ces traitements ont été appliqués et ont permis d'améliorer la qualité et l'intelligibilité du signal enregistré. Dans le futur, ceux-ci pourront être combinés à des traitements complémentaires afin d'améliorer encore les performances des microphones à conduction osseuse et élargir, ainsi, le domaine d'application de cette technologie.

In unfriendly communication situations, such as noisy environments or when wearing equipment that obstructs the mouth and nostrils, communication methods and tools become limited. An ergonomic and promising solution, conceived in the last century, is the bone conduction microphone. Unlike traditional microphones, which capture sound emitted from the mouth and nostrils, this device records a signal that does not compete with surrounding noise. Its potential to be coupled with other equipment makes it an attractive solution. However, the speech signal recorded by this type of microphone suffers from lower quality and intelligibility compared to an air conduction microphone, limiting its use to extreme environments. In order to expand the use of this technology, research is being conducted to improve the quality and intelligibility of the signal recorded by bone conduction microphones. The work presented in this thesis aligns with this objective.Many studies focus on processing signals recorded by such microphones, but few investigate the physics of bone conduction applied to speech recording. Initially, an evaluation was conducted to determine whether methods for assessing speech quality and intelligibility, as used in existing literature, could be applied to this type of signal. It was found that the objective methods used did not reflect subjective evaluations, as the signal captured by bone conduction is not a filtered air-conducted signal but a different kind of signal. Therefore, an in-depth study of the nature of this signal was carried out to guide future improvements.The speech signal recorded via bone conduction was shown to result from the interference of two sources: structural vibrations related to the vocal cords and vibrations of the vocal tract walls caused by pressure variations inside the tract. The latter was correlated with signal intelligibility and quality, suggesting that better transmission between the vocal tract and the bone conduction microphone would improve both aspects. Additionally, the absence of radiation properties in the signal recorded by this microphone was observed, as well as the lack of influence of mouth opening degree on the transmission between the oral cavity and the microphone.Two improvement strategies were explored. The first focused on the recording methods and identified areas of the face with thinner adipose tissue as optimal locations for the microphone. The idea of using an intermediate material between the subject and the microphone was also considered, but further research is required. The second strategy involved post-processing the signal recorded by the bone conduction microphone using simple physics-based treatments. Several basic treatments were developed, addressing the reconstruction of oral radiation, the modification of the signal related to the transmission of the wave from the oral cavity to the microphone, vocal cord vibrations, and the position of the articulators. These treatments were applied to a signal recorded by a bone conduction microphone and improved the quality and intelligibility of the recorded signal. In the future, these treatments can be combined with additional processing techniques to further enhance the performance of bone conduction microphones and, consequently, broaden the scope of application for this technology.