Fluid-structure-acoustic interaction during phonation in a synthetic larynx model: = Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion während der Phonation in einem künstlichen Kehlkopfmodell
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CONTENTS
NOMENCLATURE III
1 INTRODUCTION AND BASICS OF HUMAN PHONATION 1
1.1 ANATOMY AND DYNAMIC FUNCTION OF THE HUMAN LARYNX 2
1.1.1 ANATOMY AND BASIC FUNCTION OF THE HUMAN LARYNX 2
1.1.2 DYNAMICS DURING VOICE PRODUCTION 6
1.1.3 GEOMETRIC AND PHYSICAL PARAMETERS 7
1.2 PHYSICAL BASICS OF THE PHONATION PROCESS 8
1.2.1 FLUID DYNAMICS 9
1.2.2 STRUCTURAL DYNAMICS 12
1.2.3 ACOUSTICS 13
1.2.4 FLUID-STRUCTURE-ACOUSTIC INTERACTION 15
1.3 EXPERIMENTAL INVESTIGATION WITH SYNTHETIC LARYNGES - STATE OF THE
ART . . 16
1.3.1 EXPERIMENTAL MODELING WITH SYNTHETIC LARYNGES 17
1.3.2 INTRA- AND SUPRAGLOTTAL FLOW FIELD CHARACTERISTICS 18
1.3.3 INFLUENCE OF THE VENTRICULAR FOLDS 20
1.3.4 ACOUSTIC GENERATION WITHIN SYNTHETIC LARYNX MODELS 21
1.4 MOTIVATION AND OVERVIEW 21
2 EXPERIMENTAL MODEL OF A SYNTHETIC HUMAN LARYNX 23
2.1 FLOW GENERATION, SILENCER AND SUBGLOTTAL FLOW CHANNEL 23
2.1.1 MASS HOW GENERATOR 23
2.1.2 SILENCER 25
2.1.3 DESIGN OF THE SUBGLOTTAL TUBE 26
2.2 CHARACTERISTICS OF THE FLOW CHANNEL 28
2.2.1 ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF THE SILENCER 28
2.2.2 AERODYNAMIC PROPERTIES OF THE FLOW CHANNEL 31
2.3 SYNTHETIC VOCAL FOLD MODELS 35
3 IMPACT OF SUPRAGLOTTAL FLOW BOUNDARY CONDITIONS ON PHONATION 41
3.1 SUPRAGLOTTAL CHANNEL: SHAPE AND DIMENSIONS 41
3.2 INFLUENCE OF DIFFERENT FLOW BOUNDARY CONDITIONS ON THE DYNAMIC
PROCESS . 44
3.2.1 SUBGLOTTAL PRESSURE DEVOLUTION DURING OSCILLATION ONSET AND OFFSET
. 44
3.2.2 OSCILLATION ONSET AND OFFSET PRESSURES 50
3.2.3 OSCILLATION FREQUENCY AND MEAN SUBGLOTTAL PRESSURE 54
3.3 IMPACT OF THE SUPRAGLOTTAL CHANNEL CONFIGURATIONS - SUMMARY 56
I
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II
CONTENTS
4
STRUCTURAL DYNAMICS OF THE VOCAL MODELS 59
4.1 HIGH-SPEED VISUALIZATION - EXPERIMENTAL SETUP 59
4.2 QUALITATIVE ANALYSIS OF THE OSCILLATION PATTERNS CO
4.3 GLOTTAL AREA FUNCTION AND THE SUBGLOTTAL PRESSURE DEVOLUTION
1
GO
4.3.1 SINGLE-LAYER VOCAL FOLD MODELS 06
4.3.2 MULTI-LAYER VOCAL FOLD MODELS 71
4.4 STRUCTURAL VOCAL FOLD DYNAMICS - SUMMARY 72
5 FLOW FIELD ANALYSIS FOR VARIOUS BOUNDARY CONDITIONS 75
5.1 FLOW VISUALIZATION OF THE SUPRAGLOTTAL FLOW FIELD DYNAMICS 75
5.1.1 EXPERIMENTAL SETUP AND IMAGE POST-PROCESSING 7G
5.1.2 PERIODIC FLOW FIELD BEHAVIOR 78
5.2 PRESSURE DISTRIBUTION IN THE SUPRAGLOTTAL CHANNEL 80
5.2.1 EXPERIMENTAL SETUP - SUPRAGLOTTAL PRESSURE MEASUREMENT 80
5.2.2 PRESSURE DISTRIBUTION WITHIN THE SUPRAGLOTTAL CHANNEL 87
5.3 FLOW FIELD ANALYSIS BY PHASE-LOCKED PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY 94
5.3.1 EXPERIMENTAL SETUP, SIGNAL STRATEGY AND EVALUATION 95
5.3.2 SUPRAGLOTTAL FLOW VELOCITY FIELD 99
5.4 AERODYNAMICS OF THE SUPRAGLOTTAL FLOW FIELD - SUMMARY 110
6 SOUND PRODUCTION FOR VARIOUS DIMENSIONS OF THE SUPRAGLOTTAL CHANNEL
113
6.1 EXPERIMENTAL SETUP IN AN ANECHOIC ENVIRONMENT 113
6.2 SPECTRAL ANALYSIS OF THE SOUND PRESSURE 115
6.3 ANALYSIS OF SUBHARMONIC COMPONENTS 125
6.4 SOUND PRODUCTION - SUMMARY 129
7 CONCLUSION AND OUTLOOK 131
BIBLIOGRAPHY 135
A PRINCIPLES OF FLOW VISUALIZATION 145
A.L QUALITATIVE AND QUANTITATIVE VISUALIZATION OF AN UNSTEADY FLOW FIELD
. 145
B FURTHER RESULTS 151 |
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