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Projekt
FOR 894: Strömungsphysikalische Grundlagen der menschlichen Stimmgebung
Fachliche Zuordnung
Medizin
Informatik, System- und Elektrotechnik
Mathematik
Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Informatik, System- und Elektrotechnik
Mathematik
Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2007 bis 2014
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 35819142
Für seine lautsprachliche Kommunikation hat der Mensch kein eigenes Organ, sondern nutzt anatomische Strukturen, die auf sämtlichen niederen Stufen der Evolution nur für Atmung und Schlucken bestimmt sind. Je nach Perspektive spricht man vom oberen Aerodigestiv- oder Vokaltrakt. An dessen Engstelle bei den Stimmlippen (Stimmbänder), der sogenannten Stimmritze, wird im Kehlkopf das primäre akustische Stimmsignal erzeugt, indem durch die Strömung und den Druck der Ausatmungsluft die Stimmlippen zu Schwingungen angeregt werden. Im Vokaltrakt wird das primäre Signal moduliert und schließlich über die Mundöffnung abgestrahlt. Aktuell wird der Anregungsvorgang nach der "myoelastischen Theorie" als selbsterregte Schwingung beschrieben, die Modulation als "Quelle-Filter-Modell". Der gesamte Prozess ist weder bei der gesunden noch bei der erkrankten Stimme völlig verstanden. Besonders die Hypothesen zur Entstehung von Heiserkeit beruhen bislang nur auf klinisch-heuristischen Vermutungen.
Schall kann im Kehlkopf aufgrund von drei verschiedenen Mechanismen entstehen: als volumenstrommodulierter, als wirbelinduzierter und als mechanisch schwingungsinduzierter Schall. Die Arbeitsgruppe verfolgt die Hypothese, dass
(1) der volumenstrommodulierte Schall vorwiegend harmonische Anteile enthält und zu guter Stimmqualität beiträgt,
(2) der wirbelinduzierte Schall vorwiegend nicht-harmonische Komponenten enthält und die Stimmqualität verschlechtert,
(3) der mechanisch schwingungsinduzierte Schall eine eher untergeordnete Rolle spielt.
Die gegebene komplexe Aufgabenstellung soll im Rahmen eines kohärenten und innovativen Konzepts von Medizinern, Ingenieuren und Mathematikern bearbeitet werden.
Die Strategie der Forschergruppe ist der Einsatz unterschiedlicher experimenteller Ansätze und numerischer Modelle, deren Erkenntnisse in eine umfassende Beschreibung der Stimmgebung münden sollen, die Strömung, Anregung, Schwingung und Schallerzeugung modelliert. Das Ziel des Vorhabens ist ein fundiertes physikalisches Verständnis normaler und pathologischer Stimmlippendynamik und des daraus resultierenden akustischen Signals. Das "Hauptmodell" bildet dabei der menschliche Kehlkopf, dessen dynamische Eigenschaften in zwei, technisch unterschiedlich motivierten Strömungskanälen (luftinduziert und Wassermodell) nachgebildet werden. Zusätzlich werden numerische Modelle entwickelt, die einerseits realitätsnah die Strömung-Mechanik-Akustik-Kopplung im Kehlkopf simulieren (Finite-Elemente-Modell) bzw. das Anfitten an klinische endoskopische Aufnahmen ermöglichen (Mehr-Massen-Modelle).
Schall kann im Kehlkopf aufgrund von drei verschiedenen Mechanismen entstehen: als volumenstrommodulierter, als wirbelinduzierter und als mechanisch schwingungsinduzierter Schall. Die Arbeitsgruppe verfolgt die Hypothese, dass
(1) der volumenstrommodulierte Schall vorwiegend harmonische Anteile enthält und zu guter Stimmqualität beiträgt,
(2) der wirbelinduzierte Schall vorwiegend nicht-harmonische Komponenten enthält und die Stimmqualität verschlechtert,
(3) der mechanisch schwingungsinduzierte Schall eine eher untergeordnete Rolle spielt.
Die gegebene komplexe Aufgabenstellung soll im Rahmen eines kohärenten und innovativen Konzepts von Medizinern, Ingenieuren und Mathematikern bearbeitet werden.
Die Strategie der Forschergruppe ist der Einsatz unterschiedlicher experimenteller Ansätze und numerischer Modelle, deren Erkenntnisse in eine umfassende Beschreibung der Stimmgebung münden sollen, die Strömung, Anregung, Schwingung und Schallerzeugung modelliert. Das Ziel des Vorhabens ist ein fundiertes physikalisches Verständnis normaler und pathologischer Stimmlippendynamik und des daraus resultierenden akustischen Signals. Das "Hauptmodell" bildet dabei der menschliche Kehlkopf, dessen dynamische Eigenschaften in zwei, technisch unterschiedlich motivierten Strömungskanälen (luftinduziert und Wassermodell) nachgebildet werden. Zusätzlich werden numerische Modelle entwickelt, die einerseits realitätsnah die Strömung-Mechanik-Akustik-Kopplung im Kehlkopf simulieren (Finite-Elemente-Modell) bzw. das Anfitten an klinische endoskopische Aufnahmen ermöglichen (Mehr-Massen-Modelle).
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
Internationaler Bezug
Österreich
Projekte
- Analyse und Modellierung der 3D-Stimmlippendynamik während der Phonation (APP) (Antragsteller Eysholdt, Ulrich )
- Experimentelle Untersuchung der Fluid-Struktur-Akustik Wechselwirkung von Einschicht- und Mehrschichtmodellen menschlicher Stimmlippen - Aktives Modell (IPAT) (Antragsteller Becker, Stefan )
- Mathematische Optimierung von Stimmlippenmodellen (LSOPT) (Antragsteller Leugering, Günter )
- Messmethoden für die Analyse von künstlichen und realen Stimmlippen (LSE) (Antragsteller Lerch, Reinhard )
- Numerische Simulation der Strömungs-Struktur-Akustik Wechselwirkung in 2D und strömungsinduzierter Schall in 3D (AMK) (Antragsteller Kaltenbacher, Ph.D., Manfred )
- Strömungsphysikalische Ursache-Wirkungs-Analyse irregulärer Stimmlippenbewegungen bei der menschlichen Stimmgebung (Passives Modell) [IMFD] (Antragsteller Brücker, Christoph )
- Zentralprojekt (Antragsteller Eysholdt, Ulrich )
Sprecher
Professor Dr. Ulrich Eysholdt
