Náhradní hlasivky pro generování zdrojového hlasu: Počítačové modelování funkce hlasivek - Matug, Michal (Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, 2015)
Práce se zabývá výpočtovým modelováním funkce lidských hlasivek a vokálního traktu s využitím metody konečných prvků (MKP). Hlas hraje klíčovou roli v lidské komunikaci. Proto je jedním z důležitých cílů současné medicíny vytvořit umělé hlasivky, které by mohly být implantovány pacientům, kterým musely být odstraněny jejich hlasivky původní. Pro pochopení principů tvorby hlasu, určení parametrů, které musí umělé hlasivky splňovat a ověření jejich funkčnosti je možno využít výpočtového modelování. První část práce se zabývá výpočtovým modelováním pro tvorbu lidského hlasu šeptem. V této kapitole byl na MKP modelu vokálního traktu a průdušnice zkoumán vliv velikosti mezihlasivkové mezery na rozložení vlastních frekvencí pro jednotlivé samohlásky. Dále je v práci prezentován rovinný (2D) konečnoprvkový model samobuzeného kmitání lidských hlasivek v interakci s akustickými prostory vokálního traktu. Rovinný model vokálního traktu byl vytvořen na základě snímků z magnetické rezonance (MRI). Pro řešení interakce mezi strukturou a tekutinou je použito explicitní výpočtové schéma s oddělenými řešiči pro strukturu a pro proudění. Vytvořený výpočtový model zahrnuje: velké deformace tkáně hlasivek, kontakt mezi hlasivkami, interakci mezi strukturou a tekutinou, morfování sítě vzduchu podle pohybu hlasivek (metoda Arbitrary Lagrangian-Eulerian), neustálené viskózní a stlačitelné nebo nestlačitelné proudění popsané pomocí Navier-Stokesových rovnic a přerušování proudu vzduchu během uzavření hlasivek. Na tomto modelu jsou zkoumány projevy změn tuhosti a tlumení jednotlivých vrstev (zejména pak laminy proprii). Součástí této výpočtové analýzy je také porovnání chování hlasivek pro stlačitelný a nestlačitelný model proudění. Ze získaných výsledků výpočtu MKP modelu jsou následně vytvářeny videokymogramy (VKG), které umožňují porovnat pohyb mezi jednotlivými variantami modelu a se skutečnými lidskými hlasivkami. V další části práce je potom prezentován prostorový (3D) MKP model samobuzeného kmitání lidských hlasivek. Tento prostorový model vznikl z předchozího rovinného modelu vytažením do třetího rozměru. Na tomto modelu byl opět porovnáván vliv použití stlačitelného a nestlačitelného modelu proudění na pohyb hlasivek a vytvářený zvuk s využitím videokymogramů a zvukových spekter. Poslední část práce se zabývá jednou z možností náhrady přirozeného zdrojového hlasu v podobě plátkového elementu. Chování plátkového elementu bylo zkoumáno na výpočtovém a experimentálním modelu. Experimentální model umožňuje změny v nastavení vzájemné polohy plátku vůči dorazu a provádění akustických a optických měření.

This doctoral thesis focuses on computational modelling of human vocal folds and vocal tract functions using finite element method (FEM). Human voice is crucial in human communication. Therefore one of the main targets of current medicine is creation of artificial vocal folds, which would substitute the original vocal folds. The computational modelling can be used to understand principles of voice production, determination of parameters that the artificial vocal folds have to meet and verification of their functionality. First part of this thesis focuses on modelling of human voice creation by whisper. Influence of intraglottal gap on eigenvalues distribution for individual vowels was analysed using FEM vocal tract and trachea model. Further there is presented two-dimensional (2D) finite element model of the flow-induced self-oscillation of the human vocal folds in interaction with acoustic spaces of the vocal tract. The 2D vocal tract model was created on the basis of converting the data from magnetic resonance images (MRI). Explicit coupling scheme with separated solvers for structure and fluid domain was used for modelling of the fluid-structure interaction. Created computational model comprises: large deformations of the vocal folds tissue, contact between vocal folds, fluid-structure interaction, morphing the fluid mesh according to the vocal-fold motion (Arbitrary Lagrangian-Eulerian approach), unsteady viscous compressible or incompressible airflow described by the Navier-Stokes equations and airflow separation during glottis closure. This model is used to analyse the influence of stiffness and damping changes in individual vocal fold tissue layers (in particular in superficial lamina propria). Part of this computational analysis is also comparison of vocal folds behaviour for compressible and incompressible flow model. Videokymograms (VKG) are subsequently created from obtained results of FEM calculations which enable to compare individual variants between themselves and with motion of real human vocal folds. In next part of this thesis is presented three-dimensional (3D) finite element model of the flow-induced self-oscillation of the human vocal folds. This 3D model was created from a previous 2D model by extrude to the third direction. Using this model was again compared influence of compressible and incompressible flow model on vocal folds motion and generated sound by using videokymograms and acoustic spectra. The last part of this thesis focuses on the possibility to replace missing natural source voice in form reed-based element. Behaviour of reed-based element was analysed using computational modelling and using measurements on experimental physical model. The physical model enables changes in setting gap between reed and reed stop and performing acoustical and optical measurements.
Compensatory Vocal Folds for Source Voice Generation: Computational Modeling of Vocal Folds Function
Keywords: biomechanika lidského hlasu; metoda konečných prvků; simulace fonace; interakce struktura-tekutina-akustika; videokymografie; plátkový element; biomechanics of human voice; finite element method; simulation of phonation; fluid-structure-acoustic interaction; videokymography; reed-based element