|
|
Numerical simulation of the effect of stiffness of lamina propria on the self-sustained oscillation of the vocal folds
Hájek, P. ; Švancara, P. ; Horáček, Jaromír ; Švec, J. G.
A two-dimensional (2D) finite element (FE) model of the fluid-structure-acoustic interaction during selfsustained oscillation of the human vocal folds (VF) is presented in this paper. The aim is to analyze the effect of stiffness of lamina propria on VF vibrations. Such stiffness change can be caused by some VF pathologies. The developed FE model consists of the FE models of the VF, trachea and a simplified human vocal tract. The vocal tract model shaped for simulation of phonation of Czech vowel [a:] was created by converting data from the magnetic resonance images (MRI). The developed FE model includes VF contact, large deformations of the VF tissue, fluid-structure interaction (FSI), moving boundary of the fluid mesh (Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) approach), airflow separation during the glottis closure and solution of unsteady viscous compressible airflow described by the Navier-Stokes equations. The numerical simulations showed that higher values of lamina propria Young's modulus (stiffer lamina propria) result in a decrease of the maximum glottis opening. Stiffer lamina propria also requires the use of higher subglottal pressure to initiate self-sustained vibration of the VF.
|
|
| |
|
|
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.
|
|
|
Evaluation of aerodynamic damping and natural frequencies from numerical simulations and experiments
Chládek, Štěpán ; Horáček, Jaromír ; Zolotarev, Igor
The paper describes different ways for aerodynamic damping and natural frequencies evaluation in a problem of fluid-structure interaction. It is useful for both numerical simulations and experimental measurements. The Fourier transform is used for the frequency evaluation and the damping is evaluated both in time and frequency domain. Significant influence of the chosen sampling frequency and the length of time record on the accuracy of the results are demonstrated both in the numerical simulation and in the experiment that was performed with the flexibly supported profile NACA 0012 with two degrees of freedom.
|
|
|
Acoustic resonance characteristics of the human vocal tract with respect to a soft tissue
Radolf, Vojtěch ; Horáček, Jaromír
A mathematical model, which can help to clarify physical background of an influence of the soft tissue of vocal cavities on the formant frequencies, has been extended. Strong acoustic-structural interaction is demonstrated on the vocal tract cavity for vowel /u:/ prolonged by a tube that is used for voice training and therapy purposes. The glottis is closed by a yielding wall, considering a mass, compliance and structural damping. Viscous losses of the acoustic cavities and radiation impedance at the output are assumed. Significant change in the first acoustic resonance frequency caused by the compliance of the soft tissue at the glottis corresponds to the data found experimentally in earlier study.
|
|
|
On numerical approximation of fluid-structure interactions of air flow with a model of vocal folds
Valášek, J. ; Horáček, Jaromír ; Sváček, P.
This paper deals with flow driven vibration of an elastic body. Our goal is to develop and mathematically describe a simplified model of the human vocal fold. The developed numerical schemes for viscous incompressible fluid flow in ALE formulation and the elastic body are implemented by two solvers, specific for each domain. The studied problem is coupled by Dirichlet-Neumann boundary conditions. Both solvers are based on the finite element method. Particularly, for the fluid model the crossgrid elements are used. Numerical results focus on the verification of the developed program.
|
|
|
On application of finite element method for approximation of 3D flow problems
Sváček, P. ; Horáček, Jaromír
This paper is interested to the interactions of the incompressible flow with a flexibly supported airfoil. The bending and the torsion modes are considered. The problem is mathematically described. The numerical method is based on the finite element method. A combination of the streamline-upwind/Petrov-Galerkin and pressure stabilizing/Petrov-Galerkin method is used for the stabilization of the finite element method. The numerical results for a three-dimensional problem of flow over an airfoil are shown.
|
|
|
Finite element simulation of aeroelasticity problems
Horáček, Jaromír ; Sváček, P. ; Feistauer, M.
The paper presents results achieved by the authors in development of in-house codes based the finite element (FE) method and applied to solution of fluid-structure problems in aeroelasticity of airfoils. We consider flexibly supported airfoil with two- or three degrees of freedom (2- or3-DOF) in two-dimensional (2D) incompressible viscous flow. The airfoil vibration is described by nonlinear ordinary differential equations of motion for large vibration amplitudes. The flow is medeled by the Navier-Stokes equations for laminar flow or by the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations for turbulent model.
|
|
|
Acoustic-structural interaction in human vocal tract prolonged by a tube
Radolf, Vojtěch ; Horáček, Jaromír
Phonation into tubes is often used for voice training and therapy. This paper introduces a mathematical model, which can help to clarify physical background of an influence of the soft tissues of vocal cavities on the acoustic resonances (formant frequencies). Substantial change in the first formant frequency caused by the soft tissues in the human vocal tract is in principle in the acoustic-structural interaction of the acoustic cavity semiocluded by the tube, with the yielding wall created for example by the soft tissues in the larynx.
|
|
|
Air-pressure characteristics and visualization of bubbling effect in water resistance therapy
Radolf, Vojtěch ; Horáček, Jaromír ; Bula, Vítězslav ; Laukkanen, A. M.
This study investigates the influence of a widely used method in voice training and therapy, phonation into a resonance tube with the outer end submerged in water (‘water resistance therapy’ with bubbling effect). Acoustic and electroglottographic (EGG) signals and air pressures in the mouth cavity were registered and the formation of bubbles was studied using high speed camera. Bubbling frequency dominates in the spectra of the pressure signal being about 15 dB higher than the amplitude of the first harmonic, which reflects the fundamental frequency of the vocal folds’ vibration. Separation of the bubbles 10 cm under water surface starts when the buoyancy force acting on the bubble is approximately equal to the aerodynamic force in the tube.
|
host ::
RSS.