Numerische Simulation der Strömungs-Struktur-Akustik Wechselwirkung in 2D und strömungsinduzierter Schall in 3D

Das zentrale Funktionselement bei der Stimmerzeugung sind die Stimmlippen, welche einen komplexen schichtförmigen Aufbau besitzen. Durch das Zusammenspiel von subglottalem Luftdruck und aerodynamischen Prozessen werden die Stimmlippen zu Schwingungen angeregt. Direkt am menschlichen Kehlkopf ist es nur schwer möglich, den Phonationsprozess in seinen einzelnen Bestandteilen zu analysieren. Aus diesem Grund wird ein Simulationsmodell erstellt, das mittels partieller Differentialgleichungen die auftretenden physikalischen Phänomene beschreibt. Dabei handelt es sich um die Strömungsmechanik, die Strukturmechanik, die Akustik sowie deren Kopplungen. Zur Lösung der gekoppelten partiellen Differentialgleichungen wird die Finite-Elemente- Methode verwendet, welche die gezielte Untersuchung des Phonationsprozesses am Computer ermöglicht. Eine numerische Simulation der drei gekoppelten partiellen Differentialgleichungen auf einer dreidimensionalen Geometrie würde, selbst unter Einsatz von Supercomputern, derzeit mehrere Monate dauern. Aus diesem Grunde beschränkt sich das vorliegende Teilprojekt auf zweidimensionale Geometrien. Das in der ersten Antragsphase entwickelte Strömungs-Strukturmechanik-Akustik-Verfahren wird um folgende wesentliche Funktionen erweitert: Kontakt der Stimmlippen und Berechnung des strömungsinduzierten Schalls auf Basis der Erhaltungsgleichungen. Umfangreiche Berechnungen werden dann durchgeführt, um die Einflüsse von Stimmlippengeometrien, Druckamplituden sowie des supraglottalen Bereichs (z.B. Berücksichtigung der Taschenfalten) auf die Stimmgebung klären zu können. Zusätzlich wird das Aeroakustikmodul dazu verwendet, um die akustischen Quellterme sowie den entstehenden Schall basierend auf Strömungsmessungen am Aktiven Modell (IPAT) sowie den Strömungsberechnungen am Passiven Modell (IMFD) numerisch berechnen zu können.

Die menschliche Stimme ist das alltägliche Instrument zur verbalen Kommunikation. Eine Erkrankung der Stimme, die so genannte Dysphonie, wie Heiserkeit, kann somit beträchtliche Auswirkung auf die Lebensqualität haben. Einschränkungen auf privater sowie beruflicher Ebene sind die Folge. Um die Mechanismen und dessen Ursachen nachvollziehen zu können, die eine gesunde Stimme von der einer erkrankten unterscheidet, muss zunächst der Stimmbildungsprozess grundlegend verstanden werden.Die computergestützte Simulation ist im Falle der menschlichen Phonation ein hilfreiches Werkzeug, da sie nicht invasiv ist. Allerdings stößt eine exakte Nachbildung der komplexen Vorgänge der Phonation an die Grenzen der heutigen Rechenkapazitäten. Somit st es notwendig, das Modell zu vereinfachen. Unsere Arbeit analysiert verschiedene Modellvereinfachungen und die dadurch verursachten modellbasierten Fehler. Für die Untersuchungen wurde das Simulationsprogramm CFS++ basierend auf der Finite-Elemente-Methode verwendet und erweitert, um die Interaktion von Strömung (Luft) und Strukturvibrationen (Stimmlippenschwingung) simulieren zu können. Ebenfalls können mit dem Programm die daraus entstehenden Schallquellen und die Schallausbreitung berechnet werden. Dazu werden die Schwingungen zweier unterschiedlicher geometrischer Stimmlippenmodelle einer voll gekoppelten Strömungs-Struktur-Simulation genauestens miteinander verglichen. Ferner wird untersucht, ob die Kopplung von Strömung und Struktur zu einer reinen Strömungssimulation reduziert werden kann. Die Schwingung der Stimmlippen wird dabei mit speziellen Randbedingungen imitiert. Zusätzlich werden unterschiedliche aeroakustische Analogien untersucht und verglichen. Die akustischen Verfahren ermöglichen dabei eine genaue Ortung der akustischen Quellen bei der Stimmerzeugung. Das entwickelte Simulationsverfahren ist ebenfalls dazu fähig, den Vokaltrakt zu berücksichtigen, um beispielsweise das erzeugte Schallfeld eines Vokals zu berechnen.