Strömungsphysikalische Grundlagen der menschlichen Stimmgebung

Bearbeiter:Dipl.-Ing. Willy Mattheus
Beginn:Januar 2008
Dauer:3 Jahre (Fortsetzungsvorhaben bereits erfolgreich verteidigt) + 3 Jahre
Kooperationspartner:
  • Universitätsklinikum Erlangen, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen
  • Universität Klagenfurt (Österreich)

Inhalt:

Die Schwingungen der beiden menschlichen Stimmlippen und die so erzeugte Luftstrommodulation sind die akustische Hauptquelle der menschlichen Stimmgebung. Abweichungen vom symmetrischen (regulären) Schwingungsmuster können zu einer gestörten Stimmbildung als Folge der veränderten Strömung in der Stimmritze führen. Dies zeigt sich in einer Verschiebung der harmonischen zu den rauschbehafteten Stimmanteilen als direkte Folge der veränderten Glottisströmung. Insbesondere durch Ausprägung wirbelbehafteter turbulenter Strömungsstrukturen und deren Wechselwirkung mit den Wänden des Vokaltrakts wird die spektrale Zusammensetzung des primären Stimmsignals beinflusst.

Abbildung 1: Skaliertes Modell der menschlichen Glottis mit angedeutetem numerischem Rechengitter (links) und Sichtbarmachung der Wirbelstrukturen (Q-Kriterium) des numerisch berechneten Strömungsfeldes (rechts)

 

 

Ziel des Vorhabens ist es die Beeinträchtigung der Stimmqualität in Abhängigkeit von veränderten Bewegungsmustern der Stimmlippen entsprechend klinischer Beobachtungen zu analysieren. Und daraus fundierte Rückschlüsse auf die strömungsakustische Ursache-Wirkungs-Kette bei gestörter Stimmbildung zu ziehen.

Die 3-dimensionale instationäre Strömung durch die Stimmritze wird mittels numerischer Strömungssimulation in einem 3D Finiten Volumen Ansatz berechnet. Ein hybrider CFD/CAA Ansatz zur Kopplung des aeroakustischen Feldes an das Strömungsfeld  wird zusammen mit dem Projektpartner der Universität Klagenfurt durchgeführt.

Die hohe zeitliche und lokale Auflösung stellen starke Anforderungen an die verwendeten Computerressourcen, so dass die Berechnungen in den Rechenzentren von Dresden (ZIH) und München (LRZ) auf Hochleistungsrechnern durchgeführt werden.

Abbildung 2: Visualisierung der Strömungsstrukturen (links) und Vergleich zum berechneten strömungsinduzierten akustischen Schalldruck (rechts)