Numerisches Simulationsverfahren für die präzise Berechnung der menschlichen Phonation unter realen Bedingungen

Abstract

Die menschliche Stimme ist das alltägliche Instrument zur verbalen Kommunikation. Eine Erkrankung der Stimme, die so genannte Dysphonie, wie Heiserkeit, kann somit beträchtliche Auswirkung auf die Lebensqualität haben. Einschränkungen auf privater sowie beruflicher Ebene sind die Folge. Um die Mechanismen und dessen Ursachen nachzuvollziehen, die eine gesunde Stimme von der einer erkrankten unterscheidet, muss zunächst der Stimmbildungsprozess grundlegend verstanden werden. Die computergestützte Simulation ist im Falle der menschlichen Phonation ein hilfreiches Werkzeug, da sie nicht invasiv ist. Allerdings stößt eine exakte Nachbildung der komplexen Vorgänge der Phonation an die Grenzen der heutigen Rechenkapazitäten. Um diesem entgegenzuwirken, ist es notwendig, das Modell zu vereinfachen. Diese Dissertation analysiert verschiedene Modellvereinfachungen und die dadurch verursachten modellbasierten Fehler. Für die Untersuchungen wurde das Computerprogramm CFS++ verwendet und erweitert, um die Interaktion von Strömung (Luft) und Strukturvibrationen (Stimmlippenschwingung) simulieren zu können. Ebenfalls können mit dem Programm die daraus entstehenden Schallquellen und die Schallausbreitung berechnet werden. Zuerst wird die Auswirkung der geometrischen Modellierung der Stimmlippen untersucht. Dazu werden in einer voll gekoppelten Strömungs- Struktur-Simulation die Schwingungen zweier unterschiedlicher geometrischer Stimmlippenmodelle genauestens miteinander verglichen. Ferner wird untersucht, ob die Kopplung von Strömung und Struktur zu einer reinen Strömungssimulation reduziert werden kann. Die Schwingung der Stimmlippen wird dabei mit speziellen Randbedingungen imitiert. Zusätzlich werden unterschiedliche aeroakustische Analogien untersucht und verglichen. Die akustischen Verfahren ermöglichen dabei eine genaue Ortung der akustischen Quellen bei der Stimmerzeugung. Das entwickelte Simulationsverfahren ist ebenfalls dazu fähig, den Vokaltrakt zu berücksichtigen, um beispielsweise das erzeugte Schallfeld eines Vokals zu berechnen.

The human voice is essential for day-to-day communication. Consequently, impairment of speech, known as dysphonia, may have a significant impact on a person-s career and possible even their social life. To understand the mechanisms and effects that distinguish a healthy voice from an unhealthy one, the phonation process itself must be understood. In the case of human phonation, computer aided simulation is a useful tool, as it is non-invasive. However, if the target is to achieve an exact replica, the complex nature of the phonation process pushes the bounds of current research and also demands high computational capacities. Simplifications in the model are therefore necessary to counteract these problems. This thesis analyses different kinds of simplifications and the error which is caused by the corresponding model. These investigations were carried out with the simulation tool CFS++, and extended to allow for a precise simulation of the interaction between air flow and structural (vocal fold) vibration. Furthermore, it is also capable of determining the acoustic sources and propagation of aeroacoustical and vibration-induced sound. Firstly, the impact of the geometrical shape of the vocal folds is studied. Thereby, a fully coupled fluid-structure simulation is employed to compare two different kinds of vocal fold models. Moreover, investigations have been performed if the coupling of fluid and structure can be reduced to a pure flow simulation. The vocal fold vibration is thereby imitated by special boundary conditions. In addition, different aeroacoustic analogies are analysed and compared. These acoustic methods also permit a precise location of the sound sources during phonation. We also present and enhancement of the model, which integrates and considers the acoustic impact of the vocal tract, to calculate for instance the sound field of a vowel.