Efficient FEM model for human phonation

Abstract

Gesprochene Sprache ist die wichtigste und grundlegenste Art der menschlichen Kommunikation. Deshalb sind Menschen, die an einer Stimmerkrankung leiden, in ihrem Alltag und ihrer Lebensqualität starkeingeschränkt. Daher wird im Rahmen des Projektes "Numerical computation of the human voice source", wozu diese Arbeit beiträgt, ein numerisches Modell entwickelt, welches die Behandlung von Stimmerkrankungen unterstützen soll, indem es in der Lage ist, die Stimme aufgrund der Kehlkopfgeometrie und -charakteristik zu berechnen. Die numerische Effizienz, welche für einen klinischen Einsatz erforderlich ist, wird durch den Einsatz des hybriden aeroakustischen Ansatzes erzielt. Dieser unterteilt die Berechnung der Schallentstehung und -ausbreitung in eine Strömungs- und Akustiksimulation, wobei die für die zweitere erforderlichen akustischen Quellterme aufgrund der Strömungsergebnisse berechnet werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Akustiksimulation inklusive dem notwendigen Pre-Processing, wie die Quelltermberechnung und die konservative Interpolation. Um einen Überblick zu verschaffen, wird in dieser Arbeit eingangs die allgemeine Entwicklung und der Stand der Technik in der Modellierung der menschlichen Stimme vorgestellt. Danach werden die Arbeiten, auf denen das in dieser Arbeit verwendete Modell basiert, präsentiert. Nach der Erläuterung der angewandten Methodik wird dann näher auf das verwendete numerische Modell eingegangen, welches vorerst einen experimentellen Versuch mit synthetischen Stimmlippen nachbildet. Bevor das Modell in einem nächsten Schritt an die reale menschliche Stimmbildung angepasst wird, werden einige Aspekte im Zusammenhang mit der Effizienz und Simulationsgenauigkeit näher untersucht. Das adaptierte Modell wird dann in zwei Studien angewandt. In der ersten Studie wird der Einfluss anormaler Stimmlippencharakteristik, wie gestörtes Schließverhalten oder asymmetrische Schwingung, auf die entstehenden akustischen Quellen und die resultierende Stimme analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stimmqualität mit steigender initialer Stimmlippenöffnung abnimmt, wobei dabei asymmetrische Stimmlippenbewegung die Stimme positiv beeinflussen kann. In der zweiten Studie zeigen Simulation und Messung nur teilweise gute Übereinstimmung. Große Abweichungen im hohen Frequenzbereich lassen eine in der Simulation unpassende verwendete Geometrie des Vokaltraktes vermuten, während die unterschätzten Amplituden im niedrigen Frequenzbereich auf das Fehlen des vernachlässigten konvektiven Anteils des Quellterms hinweisen könnten.

Voiced speech is the basic and most important human communication tool. Thus, voice disorders drastically restrict the affected individual and, moreover, have an enormous economic impact on our society. Therefore, the project Numerical computation of the human voice source, to which the present thesiscontributes to, aims to develop a numerical model that supports clinicians on treating voice problems by predicting the voice based on given laryngeal geometry and characteristics. In order to ensure the computational efficiency necessary for a clinical application, the model is based on the hybrid aeroacoustic approach, which separates the task of sound computation into a flow (fluid dynamics) and an acoustics part. Thereby, the present thesis focuses on the simulation of the acoustic propagation including the required pre- rocessing (e.g., source term computation and conservative interpolation).After providing a brief overview of the general development and the state of the art in the field of numerical models of human phonation, preliminary work related to the model of the present thesis is presented. Having depicted the applied methodology and the theoretical background, the numerical modeland the corresponding workflow are established in a next step. Thereby, several aspects (e.g., boundary condition and conservative interpolation scheme) of the model related to the numerical efficiency and accuracy are investigated. As the presented model corresponds to an experimental setup with synthetic vocal folds and non-realistic vocal tract, it is subsequently adapted to real human phonation before it is applied to two case studies. The first case study investigates the impact of abnormal vocal fold characteristics (glottal gap and asymmetric vocal fold motion) on the acoustic sources and the resulting voice, whereas the second utilizes clinical data of patients in order to evaluate the agreement with real phonation. In the first study, it was found that voice quality decreases with rising glottal gap due to insufficiently developed acoustic sources and that asymmetric vocal fold motion can compensate for glottal insufficiency. The simulated configurations of the second case study only partly agreed with the clinical data. Deviations in the higher frequency range suggest to more extensively assess the accordance of the vocal tract shape used for the acoustic simulation. Furthermore, the amplitudes at lower requencies are underestimated, which indicates that the neglected convective part of the acoustic source term might play a role in this frequency range.