Využití metody konečných prvků pro modelování samobuzeného kmitání lidských hlasivek

Finite element modelling of human vocal folds self-oscillation

abstract

en

The study presents a three-dimensional (3D) finite element (FE) model of the flow-induced self-oscillation of the human vocal folds in interaction with acoustics in the simplified vocal tract models. The effect of vocal-fold layers thickness and material properties on simulated videokymographic (VKG) images and produced sound spectra is analyzed. The 3D vocal tract models of the acoustic spaces for Czech vowels [a:], [i:] and [u:] were created by converting the data from the magnetic resonance images (MRI). The fluid-structure interaction is solved using explicit coupling scheme with separated solvers for structure and fluid domain. For modelling the acoustic wave propagation, compressible Navier-Stokes equations were utilized. The developed FE model can be used to numerically simulate pathological changes in the vocal-fold tissue and their influence on the voice production.

Práce se zabývá prostorovým (3D) konečněprvkovým (MKP) modelem proudem vzduchu vyvolaného samobuzeného kmitání lidských hlasivek v kombinaci s akustickými procesy v modelu vokálního traktu. V práci je analyzován vliv tloušťky a materiálových parametrů jednotlivých vrstev hlasivek na výsledný videokymogram kmitání hlasivek a vytvářený hlas. 3D modely vokálních traktů pro české samohlásky [a:], [i:] a [u:] byly vytvořeny na základě dat z magnetické rezonance (MR). Pro modelování interakce mezi strukturou a tekutinou bylo použito explicitní vazebné schéma s oddělenými řešiči pro tekutinu a strukturu. Pro modelování šíření akustických vln byly použity Navier-Stokesovy rovnice pro stlačitelné proudění. Vytvořený MKP model může být využit pro studium vlivu patologických změn v tkáni hlasivek na výsledný hlas.

The study presents a three-dimensional (3D) finite element (FE) model of the flow-induced self-oscillation of the human vocal folds in interaction with acoustics in the simplified vocal tract models. The effect of vocal-fold layers thickness and material properties on simulated videokymographic (VKG) images and produced sound spectra is analyzed. The 3D vocal tract models of the acoustic spaces for Czech vowels [a:], [i:] and [u:] were created by converting the data from the magnetic resonance images (MRI). The fluid-structure interaction is solved using explicit coupling scheme with separated solvers for structure and fluid domain. For modelling the acoustic wave propagation, compressible Navier-Stokes equations were utilized. The developed FE model can be used to numerically simulate pathological changes in the vocal-fold tissue and their influence on the voice production.

biomechanika hlasu, inteakce struktura-tekutina-akustika, numerická simulace fonace, metoda konečných prvků, videokymografie

biomechanics of voice, fluid-structure-acoustic interaction, finite element method, simulation of phonation, videokymography

10.04.2014

National Center for Voice and Speech, University of Utah

Salt Lake City, USA

Proceedings of The 9th Internationl Conference on Voice Physiology and Biomechanics 2014

83–83

1