Modélisation aéroacoustique pour étudier la capacité phonique des Néandertaliens

Aeroacoustic modelling to investigate the phonic ability of Neanderthals

• Auteur / Autrice : Honorine Bertrand
• Direction : Anca-Claudia Belme, Amélie Vialet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert

Mots clés

Mots clés libres

Simulation numérique

Aéroacoustique

Turbulence

Fricatives

Appareil vocal

Numerical simulation

Aeroacoustics

Turbulence

Fricative

Vocal apparatus

Résumé

Contexte : La question de l'émergence phylogénétique de la parole chez l'humain fait l'objet de débats vifs et forts. Il remet en question les capacités cognitives et physiques des hominidés fossiles à articuler la parole. Depuis 4 ans, notre groupe de recherche multidisciplinaire « Origines de la parole » soutenu par l'ISCD de Sorbonne Université s'est concentré sur l'investigation quantitative des aspects physiques du débat. Plus précisément, nous nous appuyons sur la conception de modèles biomécaniques des voies vocales des hominidés fossiles et sur l'évaluation de leur capacité à articuler des sons distinctifs nécessaires à l'émergence du langage parlé. Une première et importante étape a été franchie avec la validation d'un modèle prédictif 3D par éléments finis pour la morphologie de la langue qui a été construit en utilisant une approche d'enregistrement de maillage avec des images CT 3D de la tête et du cou. Dans [1], nous avons montré que cette méthode était capable de prédire avec précision la langue d'un babouin femelle en utilisant les données combinées d'un modèle de langue biomécanique de référence d'un humain vivant à partir des seules structures osseuses. Actuellement, les résultats préliminaires nous ont permis de générer la première prédiction de la langue d'un hominidé fossile. Néanmoins, l'évaluation qualitative de la langue prédite (pour le babouin ou l'hominidé fossile) ne fournit pas à elle seule d'informations sur la production de parole voisée. Le processus de production vocale est un processus complexe. En effet, la principale source sonore dans le conduit vocal est la modulation du flux d'air glottal par les cordes vocales qui s'ouvrent et se ferment périodiquement. Le mouvement des cordes vocales dépend de la pression exercée sur leurs surfaces en raison du flux d'air. À son tour, le flux d'air à travers le conduit vocal est modifié par la présence et le mouvement de structures laryngées statiques et dynamiques (voir [2]). Ce flux d'air entre ensuite dans la cavité buccale où il est dévié par le mouvement de la langue. Objectif : Le but de ce projet de thèse est d'étudier la capacité phonique en utilisant l'interaction de la langue activée avec le flux d'air généré dans le conduit vocal. Un modèle aéroacoustique permettant de modéliser la génération et la propagation des ondes dans le système supra-glottique (le conduit vocal) en utilisant les principes de la mécanique des fluides et leur interaction avec les structures sera exploité. Nous visons particulièrement à étudier des modèles aéroacoustiques précis capables de prédire des consonnes dans une géométrie aussi complexe puisque dans ce cas, l'interaction fluide-structure est au cœur de la prédiction sonore. Nous nous concentrerons dans un premier temps sur l'étude et la validation de notre modèle aéroacoustique sur les coupes 2D sur la langue du babouin obtenu dans [1] en utilisant des équations incompressibles de Navier-Stokes résolues numériquement dans le solveur Basilisk [4]. L'objectif final de cette étude est d'étendre cette analyse à la langue biomécanique de l'hominidé fossile. Cet objet de recherche se définit sur les outils et compétences mobilisés au sein de l'ISCD et répond aux objectifs du projet scientifique « Origines de la parole ». Dans ce contexte, le doctorant bénéficiera de matériel d'étude original tel que des données expérimentales et simulées à des fins de validation et de vérification. Bibliographie : [1] Alvarez P, El Mouss M, Calka M, Belme A, Berillon G, Brige P, et al. Predicting primate tongue morphology based on geometrical skull matching. A first step towards an application on fossil hominins, PLoS Comput Biol 20(1): e1011808. https://doi.org/10.1371/ journal.pcbi.1011808, 2024 [2] S. L. Thomson, L. Mongeau, S. H. Frankel. Physical and numerical flow-edited vocal fold models. 3rd International Workshop MAVEBA, 2003, 147-150. [3] Hajczak, A. (2020). Méthodes numériques d'identification des sources de bruit aérodynamique pour les trains d'atterrissage. Sorbonne université. [4] van Hooft, J.A., Popinet, S. A fourth-order accurate adaptive solver for incompressible flow problems. Journal of Computational Physics , 2022, 462, 111251 http://basilisk.fr/

Context: The issue of the phylogenetic emergence of speech in humans is the focus of lively and strong debates. It questions both cognitive and physical capacities of fossil hominins to articulate speech. For the past 4 years, our multi-disciplinary research group “Origins of Speech” supported by ISCD in Sorbonne University has focused on the quantitative investigation of the physical aspects of the debate. More precisely, we rely on the design biomechanical models of fossil hominins' vocal tracts and on the assessment of their capacity to articulate distinctive sounds as is required for the emergence of spoken language. A first and important step has been reached with the validation of a predictive 3D finite-element model for tongue morphology which has been built using a mesh registration approach with 3D CT images of the head and neck. In [1] we have showed that this method has been able to accurately predict a female baboon tongue using combined data from a reference biomechanical tongue model of a living human from bony structures alone. Currently, preliminary results has allowed us to generate the first prediction of tongue for a fossil hominin. Nevertheless, the qualitative assessment of the predicted tongue (for baboon or fossil hominin) alone does not provide information on the production of voiced speech. The process of voice production is a complex process. Indeed, the primary source of sound in the vocal tract is the modulation of the glottal airflow by the vocal folds opening and closing periodically. The motion of the vocal folds depends on the pressure loading on their surfaces due to the airflow. In turn, the airflow through the vocal tract is altered by the presence and motion of static and dynamic laryngeal structures (see [2]). This airflow then enter the oral cavity where it is deviated by the tongue mouvement. Objective: The aim of this PhD project is to study the phonic ability using the interaction of the activated tongue with the airflow generated in the vocal tract. An aeroacoustic model [3] which allows modeling the generation and propagation of waves in the supra-glottic system (the vocal tract) by using the principles of fluid mechanics and their interaction with structures will be exploited. We particularly aim in investigating accurate aeroacoustic models capable to predict consonants in such complex geometry since in this case the fluid-structure interaction are central to the sound prediction. We will first focus on studying and validating our aeroacoustic model on 2D cuts on the baboon tongue obtained in [1] using incompressible Navier-Stokes equations solved numerically in Basilisk solver [4]. The final aim of this study is to extend this analysis to the biomechanical tongue of the fossil hominin. This research subject is defined on the tools and skills mobilized within the ISCD and meet the objectives of the scientific project ''Origins of Speech''. In this context, the PhD student will benefit from original study material such as experimental and simulated data for validation and verification purposes. Bibliography: [1] Alvarez P, El Mouss M, Calka M, Belme A, Berillon G, Brige P, et al. Predicting primate tongue morphology based on geometrical skull matching. A first step towards an application on fossil hominins, PLoS Comput Biol 20(1): e1011808. https://doi.org/10.1371/ journal.pcbi.1011808, 2024 [2] S. L. Thomson, L. Mongeau, S. H. Frankel. Physical and numerical flow-edited vocal fold models. 3rd International Workshop MAVEBA, 2003, 147-150. [3] Hajczak, A. (2020). Méthodes numériques d'identification des sources de bruit aérodynamique pour les trains d'atterrissage. Sorbonne université. [4] van Hooft, J.A., Popinet, S. A fourth-order accurate adaptive solver for incompressible flow problems. Journal of Computational Physics , 2022, 462, 111251 http://basilisk.fr/