Výpočtové modelování proudění vzduchu okolo lidských hlasivek při fonaci

Abstract

Předložená diplomová práce spadá do oboru biomechaniky tvorby lidského hlasu. Jejím cíle je simulovat proudění vzduchu okolo hlasivek a vokálním traktem během fonace, pro předem předepsaný pohyb hlasivek, jako fluidně-strukturně-akustickou interakci. V teoretické části je popsána anatomie dýchací soustavy, biomechanika tvorby lidského hlasu, základní poznatky o proudění a rešeršní studie publikovaných prací věnujících se výpočtovému modelování fonace. V praktické části je rozebráno vytvoření a nastavení výpočtového modelu spolu s předpisem pro pohyb hlasivek. Jsou zde uvedeny také analýzy vlivu velikosti časového kroku a velikosti prvku sítě konečných objemů. Následně jsou vyhodnoceny průběhy tlaků a rychlostí spolu s akustickými veličinami pro pohyb hlasivek odpovídající normálnímu a slabému hlasu a vokální trakt modelovaný zjednodušeně jako kanál obdélníkového průřezu a tvarovaný pro českou samohlásku [a:]. Na závěr je uvedeno zhodnocení a možnosti dalšího vylepšení výpočtového modelu.

The presented diploma thesis falls within the field of biomechanics of human voice production. Its aim is to simulate airflow around the vocal cords and through the vocal tract during phonation, with a prescribed motion of the vocal folds, treated as a fluid–structure–acoustic interaction. The theoretical part describes the anatomy of the respiratory system, the biomechanics of human voice production, fundamental principles of fluid flow, and a state of the art of computational modeling of phonation. The practical part discusses the development and setup of the computational model along with the specification of vocal cords motion. It also includes analyses of the influence of time step size and finite volume mesh resolution. Subsequently, the results of pressure and velocity fields, along with acoustic quantities, are evaluated for vocal fold movements corresponding to normal and weak voice. The vocal tract is modeled in a simplified manner as a rectangular channel shaped for the Czech vowel [a:]. Finally, an evaluation of the model and possibilities for further improvements are presented.