|
| |
|
|
Using the proper orthogonal decomposition analysis for detecting pathologic vocal fold vibration
Štorkán, J. ; Vampola, T. ; Horáček, Jaromír
A three-dimensional (3D) finite element (FE) fully parametric model of the human larynx based on computer tomography (CT) measurements was developed and specially adapted for numerical simulation of vocal folds vibrations with collisions. The complex model consists of the vocal folds, arytenoids, thyroid and cricoid cartilages. The vocal fold tissue is modeled as a four layered material where part of the cover was substituted by a liquid layer modelling the superficial layer of lamina propria. The proper orthogonal decomposition (POD) analysis of the excited modes of vibration was used for detecting changes in vibration properties of the vocal folds caused by pathologic changes of vocal fold structure (vocal nodule).
|
|
|
Náhradní hlasivky pro generování zdrojového hlasu: Počítačové modelování funkce hlasivek
Matug, Michal ; Vampola, Tomáš (oponent) ; Horáček, Jaromír (oponent) ; Švancara, Pavel (vedoucí práce)
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.
|
|
|
Náhradní hlasivky pro generování zdrojového hlasu
Vašek, Martin ; Vampola, Tomáš (oponent) ; Kamenický, Ján (oponent) ; Mišun, Vojtěch (vedoucí práce)
Práce se ve svých úvodních částech zabývá způsoby, jak lze nahradit chybějící zdrojový hlas u pacientů po totální laryngektomii. Jsou uvedeny jednotlivé běžně používané metody hlasové rehabilitace. Na jednoduchých výpočtových modelech je nejprve zkoumáno několik principů generování umělého zdrojového hlasu. Na základě znalostí, jak se tvoří zdravý lidský hlas, byl vybrán jeden ze způsobů jak zdrojový hlas tvořit uměle (bez činnosti lidských hlasivek). Vybrán byl princip plátkového elementu v konfiguraci (-,+). Funkce plátkového elementu spočívá v periodickém pohybu plátku a přerušování proudícího vzduchu tímto pohybem. Oproti zdravým lidským hlasivkám se plátkový element v konfiguraci (-,+) chová při své funkci odlišně. Důležité ovšem je, zda generovaný akustický signál má takové vlastnosti (složení amplitudo-frekvenčního spektra), aby bylo možné pomocí něj generovat znělé hlásky lidské řeči. Chování plátkového elementu je studováno na experimentálním a výpočtovém modelu. Konstrukční návrh experimentálního modelu vychází ze zkušeností z měření na jednoduchých modelech plátkových elementů prováděných v počátcích studia. Nový experimentální model je konstruován tak, aby umožňoval změny geometrie a vzájemné polohy plátku a dorazu. Měření prováděná na experimentálním modelu jsou především akustická měření generovaného signálu, ale jsou umožněna i optická měření polohy plátku. Princip fungování plátkového elementu vyžaduje ve výpočtovém modelu zohlednění interakce mezi plátkem a proudícím vzduchem. Je použitý obousměrný model interakce mezi fyzikálním prostředím vzduchu a plátkem. Každé z fyzikálních prostředí je řešeno na samostatném výpočtovém modelu. Interakce je řešena po částech. Jak na experimentálním, tak i na výpočtovém modelu, je sledován vliv jednotlivých parametrů na funkci příslušného modelu plátkového elementu. Jsou vyhodnoceny vlivy na základní frekvenci generovaného signálu, na stabilitu funkce a jiné důležité charakteristiky. V závěrečných kapitolách je uvedena problematika konstrukce hlasové protézy – umělé hlasivky. Autorem jsou zdůrazněna některá úskalí, která je třeba respektovat při návrhu hlasové protézy aplikovatelné u člověka.
|
|
|
Numerical simulation of video-kymographic records of the vocal fold vibration
Vampola, T. ; Horáček, Jaromír
The reconstruction of the video-kymographic records from the numerical simulation of the vocal fold vibration is used for prediction of the type of vocal fold damaged. Three-dimensional (3D) finite element (FE) fully parametric model of the human larynx was developed and used for numerical simulation of stresses during vibrating vocal folds with collisions. The complex model consists of the vocal folds, arytenoids, thyroid and cricoid cartilages. The vocal fold tissue is modeled as a three layered transversal isotropic material. The results of numerical simulation of the vocal folds oscillations excited by a prescribed intraglottal aerodynamic pressure are presented. The FE contact elements are used for modelling the vocal folds collisions and the stresses in the vocal fold tissue are computed in time domain. The damaged of the ligament tissue is simulated by the modification of the modulus of elasticity. The video-kymographic records are reconstructed for health and damaged vocal folds. The results show significant dynamic stresses in all there directions (horizontal, vertical and anterior-posterior).
|
|
| |
|
|
Effect of the size of piriform sinuses on the voice quality
Vampola, T. ; Horáček, Jaromír
The influence of piriform sinuses (PS) on the resonance and antiresonance characteristics of the vocal tract is investigated. The change in sizes of PS cavities alters the resulting voice quality. Pilot studies reveal that additional formants caused by PS can occur in the frequency range of 3 – 5 kHz, i.e., in the range which is important for the production of the so called singer’s or speaker’s formant. This contribution therefore aims at investigating the influence of the side cavities of the vocal tract in more detail using two computational models of the vocal tract. First, is presented analysis of the influence of the acoustic spaces of PS on the existence of resonances and antiresonances in the spectra of the acoustic signal simulated using a reduced finite element (FE) model of the human vocal tract. Then the full FE model is used for the analysis by using direct numerical simulations of phonation.
|
|
|
Simulation of the human vocal fold vibrations – sensitivity to the material parameters
Vampola, T. ; Horáček, Jaromír ; Klepáček, I.
A 3D finite element (FE) fully parametric model of the human larynx was developed and used for numerical simulation of vocal folds vibrations excited by a prescribed intraglottal aerodynamic pressure. The complex model consists of the arytenoid, thyroid and cricoid cartilages. The vocal fold tissue is modelled as a three layered orthotropic material and the FE contact elements are used for modelling the vocal folds collisions. The principal and shear stresses on the surface the vocal fold tissue are computed in time domain.
|
|
|
Influence of geometric configurations of the human vocal tract on the voice production
Vampola, T. ; Horáček, Jaromír
The three-dimensional (3D) finite element (FE) model of the human vocal tract was constructed, based on CT measurements of a subject phonating on [a:]. A special attention is given to the higher frequency range (above 3.5 Hz) where transversal modes exist between piriform sinuses (PS) and valleculae (VA) and where the higher formants can create a formant cluster known as the speaker’s or singer’s formant. Since the human ear is most sensitive to frequencies between 2 and 4 kHz concentration of sound energy in this frequency region (F4-F5) is effective for communication.
|
|
|
Computer modeling of effects of vocal exercising with a tube on vocal tract sound power transfer
Horáček, Jaromír ; Vampola, T. ; Laukkanen, A. M. ; Švec, J. G.
Two 3D finite element (FE) models were constructed, based on CT measurements of a subject phonating on [a:] before and after phonation into a tube. Acoustic analysis was performed exciting the models by acoustic flow velocity at the vocal folds. The generated acoustic pressure of the response was computed in front of the mouth and inside the vocal tract for both FE models. Average amplitudes of the pressure oscillations inside the vocal tract and in front of the mouth were compared to display a cost-efficiency of sound energy transfer at different formant frequencies. Comparison of the pressure oscillation inside and outside the vocal tract showed that formants differ in their efficiency, F4 (at about 3.5 kHz, i.e. at the speaker’s or singer’s formant region) being the most effective. The results suggest that exercising on semi-occlusions help in improving the vocal economy.
|
host ::
RSS.