Numerische Simulation der Strömungs-Struktur-Akustik Wechselwirkung in 2D und strömungsinduzierter Schall in 3D (AMK)
Final Report Abstract
Phonation entsteht, indem ein Luftstrom durch den Kehlkopf strömt und dabei die Stimmlippen zum Schwingen anregt. Dieses Zusammenspiel erzeugt einen pulsierenden Luftstrom der zum Hauptsignal der gesunden Stimme führt. Da eine Messungen in vivo invasiv ist, bietet die Simulation eine sinnvolle Lösung genauestens die Vorgänge zu analysieren. Durch die hohe Komplexität ist es notwendig sich dem Problem schrittweise zu näher und vorerst ein 2D vollgekoppeltes Modell zu betrachten. Dieses Modell, implementiert in CFS++, ermöglicht es die Interaktion zwischen den physikalischen Feldern zu analysieren. Dabei zeigt sich, wie wichtig eine starke Kopplung zwischen Strömungsmechanik und Strukturmechanik der Stimmlippen ist. Zusätzlich ist zu erwähnen, dass die Stimmlippengeometrie nach „Šidlof“ im Gegensatz zur Standard-M5-Geometrie zu wesentlich besseren Schwingungseigenschaften hinsichtlich Regelmäßigkeit und Symmetrie führt. Mit Hilfe der voll-gekoppelten 2D Simulation konnte gezeigt werden, unter welchen Bedingungen ein getriebenes Modell, also reine Strömungssimulation mit vorgegebenen Stimmlippenschwingungen, zu realistischen Ergebnissen führt. So konnten 3D Modelle mit eingeprägter Stimmlippenschwingung simuliert werden, die ein dem Phonationsprozess entsprechendes Strömungsfeld garantieren. Es konnten Ursprung und Ursache der akustischen Quellen festgestellt werden. So ist der Hauptton der Stimme auf die Region in der Glottis zurück zu führen. Nicht harmonische Anteile hingegen werden durch den Wirbelzerfall des Jets stromabwärts der Glottis (supraglottaler Bereich) erzeugt. Eine zusätzliche Verbesserung der Stimmqualität erfolgte durch Hinzufügen der falschen Stimmlippen. Ebenfalls sorgte die konvergente-divergente Stimmlippenbewegung für eine Verbesserung im Gegensatz zu einem einfachen lateralen Schwingungsmuster. Durch die Erweiterung des Rechengebietes um Vokaltrakte (Vokale /u/ und /i/ wurden untersucht) konnte dann der komplette Stimmprozess simuliert werden. Die Simulationsergebnisse stimmten gut mit Messdaten überein. Hinsichtlich der Modellierung des strömungsinduzierten Schalls wurde die Lighthill-Analogie mit einem akustischen Störansatz verglichen. Dabei zeigte die Lighthill-Analogie eine Überschätzung des Schalldruckes im Strömungsgebiet. Allerdings stimmten beide Modelle für einen Kontrollpunkt außerhalb der Strömung gut überein. Um die Simulation mit Materialparameter zu unterstützen, wurde ein Messplatz entwickelt. Dieser sogenannte „Pipettenmessplatz“ besteht aus einer Pipette, welche auf das zu messende Material gesetzt wird und einem Pistonphone, welches einen Wechseldruck innerhalb der Pipette erzeugt. Dadurch wird das Material in Schwingung versetzt und die Auslenkungen mit einem Laserscanning-Vibrometer gemessen. Besondere Eigenschaften dieses Messplatzes sind: (1) kleine Messflächen; (2) Bestimmung der Frequenzabhängigkeit; (3) zerstörungsfreie Messung. Die durch die Forschergruppe erzielte internationale Beachtung führte zu engen und langfristigen Kooperationen mit international führenden Kollegen in der Stimmforschung. Die von uns geleisteten Forschungsarbeiten wurden international hochrangig publiziert.
Publications
- Measurement of the elasticity modulus of soft tissues. Journal of Biomechanics, 43:1540-1545, 2010
F. S. Zörner, M. Kaltenbacher, R. Lerch, A. Sutor, M. Döllinger
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2010.01.035) - Devices and Methods on Analysis of Biomechanical Properties of Laryngeal Tissue and Substitute Materials. Current Bioinformatics, 6(3):344-361; 2011
E. J. Jiang, E Goodyer, A. Sutor, S. Ruptisch, S. Zörner, M. Stingl, B. Schmidt
(See online at https://doi.org/10.2174/157489311796904718) - Mathematical models and numerical schemes for the simulation of human phonation. Current Bioinformatics, 3(6):323-343; 2011
D. F. Alipour, C. Brücker, D. Cook, A. Gömmel, M. Kaltenbacher, W. Mattheus, L. Mongeau, E. Naumann, R. Schwarze, I. Tokuda, S. Zörner
(See online at https://doi.org/10.2174/157489311796904655) - Analysis of vocal fold function from acoustic data simultaneously recorded with high speed endoscopy. J Voice, 26(6):726-33; 2012
C. M. Döllinger, M. Kunduk, M. Kaltenbacher, S. Vondenhoff, A. Ziethe, U. Eysholdt, C. Bohr
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jvoice.2012.02.001) - Three-dimensional biomechanical properties of human vocal folds: Parameter optimization of a numerical model to match in vitro dynamics. J Acoust Soc Am, 131(2):1378- 90; 2012
G. A. Yang, D.A. Berry, M. Kaltenbacher, M. Döllinger
(See online at https://doi.org/10.1121/1.3676622) - Investigation of prescribed movement in fluid-structure interaction simulation for the human phonation process. Computers & Fluids, 86(0):133-14; 2013
B. S. Zörner, M. Kaltenbacher, M. Döllinger
(See online at https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2013.06.031) - On the importance of strong fluid-solid coupling with application to human phonation. Progress in Computational Fluid Dynamics, An International Journal, 14(1):2-13; 2014
A. M. Kaltenbacher, S. Zörner, A. Hüppe
