Výpočtové modelování samobuzeného kmitání lidských hlasivek
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Disertační práce popisuje simulaci lidské fonace ve smyslu posledních teorií. Fonace je zde uvažována jako obousměrná fluidně-strukturně-akustická interakce, u níž je interakce mezi všemi fyzikálními prostředími realizována díky použití nestacionárních viskózních stlačitelných Navier-Stokesových rovnic. V první části je položen teoretický základ, který se týká posledních přístupů ve výpočtovém modelování lidské fonace, nejdůležitějších a základních teorií o tvorbě lidského hlasu a klíčových aspektů lidské anatomie, fyziologie a patologie. Diskutována je také evaluace hlasových parametrů. Druhá část práce je hloubkovou analýzou simulace fonace na rovinném výpočtovém modelu. Jeho základní koncept vychází z algoritmů navržených na Ústavu mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky. Vytvořené modely jsou schopny reprodukovat zvuk všech českých samohlásek a nejpoužívanější vyhodnocované parametry velmi blízko fyziologickému rozmezí. Simulace patologie, Reinkeho edému, je demonstrována, aby mohl být prozkoumán její vliv na zvuk samohlásek. Prostorový výpočtový model fonace je uveden ve třetí části. I na něm jsou simulovány všechny české samohlásky, které jsou srovnány s výsledky z rovinného modelu a z publikovaných měření. Prostorový model slouží jako výchozí bod k řešení výpočtu s podélným napětím hlasivek, které je obsahem poslední části práce. Třebaže jsou všechny modely naladěny spíše na tišší fonaci, výsledky souhlasí s důležitými fyziologickými jevy. Z důvodu značné výpočtové náročnosti prostorového modelu s předpětím je v práci představen i hybridní rovinný model s předepjatými hlasivkami. Mimořádná pozornost je věnována samobuzenému kmitání hlasivek. Je ukázáno, že rovinný model není takové oscilace schopen reprodukovat, přestože se podařilo délku jeho oscilací významně prodloužit. Kmitání prostorového modelu je, na druhé straně, stabilní bez jevů provázejících utlumení kmitání. Dá se předpokládat, že prostorový model dokáže v současné verzi skutečně reprodukovat samobuzené oscilace, jakož základní princip přítomný během lidské fonace.
The presented dissertation thesis deals with a simulation of the human phonation in terms of latest theories. Phonation is considered here as a bi-directional fluid-structure-acoustic interaction, where the interaction between all three physical domains occurs due to the unsteady viscous compressible Navier-Stokes equations. There is a solid knowledge background in the first part of the thesis. It concerns the latest concepts in computational modeling of the human phonation, the most important and recent theories about the human voice production and some key aspects of the human anatomy, physiology and pathology. Also voice assessment is discussed. The second part of the thesis describes an in-depth analysis of a phonation simulation in a planar computational model. The basic concepts proceed from algorithms developed in the Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics. Created models are able to reproduce sounds of all Czech vowels and the most common evaluated parameters very close to physiological ranges. The simulated pathology, Reinke's edema, is demonstrated in order to explore its influence on the vowel sound. The third part focuses on modeling of phonation in a spatial computational model. All Czech vowels are simulated also here and compared to the planar model and to actual measurement. The spatial model serves as the starting point to modeling of a longitudinal pretension incorporated in the vocal folds. In the last part of the thesis, a modeling of the phonation with vocal folds pretension is investigated. Although the models are tuned to a rather soft phonation, the results are in agreement with the relevant physiologic phenomena. While the spatial model is highly computationally expensive, a hybrid planar model with pretension is proposed. A special attention is paid to the analysis of self-sustained oscillation of the vocal folds. It is shown, the planar model cannot reproduce such kind of oscillation in the actual version, albeit time of oscillation was considerably extended. On the other hand, oscillation of the spatial vocal folds are stabilized without effects accompanying subduing of oscillation. It can be supposed that the spatial model is able to reproduce self-sustained oscillation as a basic principle present during the human phonation.
The presented dissertation thesis deals with a simulation of the human phonation in terms of latest theories. Phonation is considered here as a bi-directional fluid-structure-acoustic interaction, where the interaction between all three physical domains occurs due to the unsteady viscous compressible Navier-Stokes equations. There is a solid knowledge background in the first part of the thesis. It concerns the latest concepts in computational modeling of the human phonation, the most important and recent theories about the human voice production and some key aspects of the human anatomy, physiology and pathology. Also voice assessment is discussed. The second part of the thesis describes an in-depth analysis of a phonation simulation in a planar computational model. The basic concepts proceed from algorithms developed in the Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics. Created models are able to reproduce sounds of all Czech vowels and the most common evaluated parameters very close to physiological ranges. The simulated pathology, Reinke's edema, is demonstrated in order to explore its influence on the vowel sound. The third part focuses on modeling of phonation in a spatial computational model. All Czech vowels are simulated also here and compared to the planar model and to actual measurement. The spatial model serves as the starting point to modeling of a longitudinal pretension incorporated in the vocal folds. In the last part of the thesis, a modeling of the phonation with vocal folds pretension is investigated. Although the models are tuned to a rather soft phonation, the results are in agreement with the relevant physiologic phenomena. While the spatial model is highly computationally expensive, a hybrid planar model with pretension is proposed. A special attention is paid to the analysis of self-sustained oscillation of the vocal folds. It is shown, the planar model cannot reproduce such kind of oscillation in the actual version, albeit time of oscillation was considerably extended. On the other hand, oscillation of the spatial vocal folds are stabilized without effects accompanying subduing of oscillation. It can be supposed that the spatial model is able to reproduce self-sustained oscillation as a basic principle present during the human phonation.
Description
Citation
HÁJEK, P. Výpočtové modelování samobuzeného kmitání lidských hlasivek [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2022.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Inženýrská mechanika
Comittee
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Šidlof, Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Radolf, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Miroslav Doložílek, CSc. (člen)
doc. Ing. Vladimír Fuis, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2022-01-05
Defence
Přínos DPP spočívá v zásadním zdokonalení výpočtového modelu doplněného o další možnosti, umožňující věrně simulovat fonaci a zkoumat mnoho vstupních parametrů, včetně hlasivkových patologií. Přínosem je řešení třícestné interakce a aeroakustiky vokálního traktu pomcí modelu stlačitelného proudění, což je přístup, kterému se ve světě věnuje pouze několik týmů.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení