|
|
Výpočtové modelování samobuzeného kmitání lidských hlasivek
Hájek, Petr ; Šidlof,, Petr (oponent) ; Radolf, Vojtěch (oponent) ; Švancara, Pavel (vedoucí práce)
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.
|
|
|
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.
|
|
|
Výpočtové modelování samobuzeného kmitání lidských hlasivek
Hájek, Petr ; Šidlof,, Petr (oponent) ; Radolf, Vojtěch (oponent) ; Švancara, Pavel (vedoucí práce)
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.
|
|
|
Three-dimensional numerical analysis of Czech vowel production
Hájek, P. ; Švancara, P. ; Horáček, Jaromír ; Švec, J. G.
Spatial air pressures generated in human vocal tract by vibrating vocal folds present sound sources of vowel production. This paper simulates phonation phenomena by using fluid-structure-acoustic scheme in a three-dimensional (3D) finite element model of a Czech vowel [o:]. The computational model was composed of four-layered M5-shaped vocal folds together with an idealized trachea and vocal tract. Spatial fluid flow in the trachea and in the vocal tract was obtained by unsteady viscous compressible Navier-Stokes equations. The oscillating vocal folds were modelled by a momentum equation. Large deformations were allowed. Transient analysis was performed based on separate structure and fluid solvers, which were exchanging loads acting on the vocal folds boundaries in each time iteration. The deformation of the fluid mesh during the vocal fold oscillation was realized by the arbitrary Lagrangian-Eulerian approach and by interpolation of fluid results on the deformed fluid mesh. Preliminary results show vibration characteristics of the vocal folds, which correspond to those obtained from human phonation at higher pitch. The vocal folds were self-oscillating at a reasonable frequency of 180 Hz. The vocal tract eigenfrequencies were in the ranges of the formant frequencies of Czech vowel [o:] measured on humans, during self-oscillations the formants shifted to lower frequencies.
|
|
|
Influence of tissue changes in superficial lamina propria on production of Czech vowels
Hájek, P. ; Švancara, P. ; Horáček, Jaromír ; Švec, J.
Superficial lamina propria (SLP) is a water-like vocal fold (VF) layer located directly under overlying epithelium. Its material properties affect VF motion and thus resulting spectrum of produced sound. Influence of stiffness and damping of the SLP on sound spectrum of Czech vowels is examined using a two-dimensional (2D) finite element (FE) model of a human phonation system. The model consists of the VF (structure model) connected with an idealized trachea and vocal tract (VT) (fluid models). Five VTs for all Czech vowels [a:], [e:], [i:], [o:] and [u:] were used and their geometry were based on MRI data. Fluid flow in the trachea and VT was modelled by unsteady viscous compressible Navier-Stokes equations. Such a formulation enabled numerical simulation of a fluid-structure-acoustic interaction (FSAI). Self-sustained oscillations of the VF were described by a momentum equation including large deformations and a homogeneous linear elastic model of material was used. Fluid and structure solvers exchange displacements and boundary forces in each iteration. During closed phase VFs are in contact and fluid flow is separated. We can observe that both the damping and the stiffness of the SLP substantially influence the amplitude and frequency of VFs vibration as well as the open time of the glottis.\n
|
|
|
Effect of turbulence in FE model of human vocal folds self-oscillation
Hájek, P. ; Švancara, Pavel ; Horáček, Jaromír ; Švec, J.G.
The purpose of the study is to determine whether a turbulence model in fluid flow calculation affects the vocal folds (VF) vibration and the acoustics of human vocal tract (VT). The objective is examined using a two-dimensional (2D) finite element (FE) model of the fluid-structure-acoustic interaction for self-sustained oscillations of the VF. The FE model consists of the models of the VF, the trachea and a simplified model of the human VT. The developed FE model includes large deformations of the VF tissue and VF contact interrupting the airflow during glottis closure. The airflow is modelled by the unsteady viscous compressible Navier-Stokes equations, without and with the Shear Stress Transport (SST) turbulence model. Fluid-structure interaction (FSI) and morphing of the fluid mesh are realized using Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) approach. The method is applied on the FE model of the VT shaped for the Czech vowel [a:]. Also effect of varying stiffness of the superficial lamina propria (SLP) is analyzed. The numerical simulations showed that considering of the turbulence affects mainly higher frequencies apparent in a frequency spectrum of the VT acoustics.
|
|
|
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.
|
|
|
Numerical simulation of videokymographic images from the results of the finite element model
Švancara, P. ; Horáček, Jaromír ; Martínek, T. ; Švec, J. G.
The study presents a two-dimensional (2D) finite element (FE) model of the fluid-structure-acoustic interaction during flow induced self-oscillation of the human vocal folds. The FE model combines the FE models of the vocal folds, the trachea and the simplified human vocal tract shaped for phonation of vowel [a:]. The fluid-structure interaction is solved using explicit coupling scheme with separated solvers for structure and fluid domain. The developed FE model comprises large deformations of the vocal-fold tissue, vocal-fold contact, fluid-structure interaction, morphing the fluid mesh according to the vocal-fold motion (Arbitrary Lagrangian-Eulerian approach), solution of unsteady viscous compressible airflow described by the Navier-Stokes equations and airflow separation during the glottis closure. The effect of lamina propria thickness and material properties on simulated videokymographic (VKG) images of vocal-fold vibrations are analyzed. Such variation of the lamina propria properties can be caused by certain vocal-fold pathologies such as Reinke's edema. The developed FE model can be used to study relations among pathological changes in vocal folds tissue, the resulting VKG images and the produced sound spectra.
|
host ::
RSS.