Die menschliche Phonation: Fluid Struktur-Akustik Simulation
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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 Phänomenen beschreibt. Dabei handelt es sich um die Strömungsmechanik, die Strukturmechanik, die Akustik sowie deren Kopplungen. Zur Lösung der gekoppelten partiellen Differentialgleichungen werden für die Fluid-Struktur Simulation Ansys-CFX und für die Simulation des aus der Strömung sich ergebenden Schalls (Aeroakustik) NACS eingesetzt.
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Die menschliche Phonation: Fluid Struktur-Akustik Simulation
- 1. Die menschliche Phonation: Fluid- Struktur-Akustik Simulation 1M. Gömmel, 2M. Kaltenbacher, 2S. Zörner 1Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik, RWTH Aachen, Deutschland 2Lehrstul für Angewandte Mechatronik, Alpen-Adria Universität Klagenfurt, Österreich manfred.kaltenbacher@uni-klu.ac.at ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 2. 2 Overview Motivation Simulationsaufbau (Shape 1 / Shape 2) Ergebnisse FSI Zeitbereich Fluiddruck Frequenzbereich Ergebnisse Akustik Lighthill Analogie Zeitbereich Frequenzbereich ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 3. 3 Motivation Fluidinduzierter Pulsierender Schall Luftstrom Vokaltrakt Wirbel-(Lücke Glottis Turbulent flow zwischen induzierter Oesophagus Schall Stimmlippen) Vibrations- Stimmlippen- Stimmlippen induzierter schwingung Luftröhre Schall Stimmlippen Strömung (Euler-Gitter) Strukturmechanik (Lagrange-Gitter) Gitter Anpassung (ALE Domaine) Schallquellen Strömungsinduzierter Schall Luftröhre Strukturinduzierter Schall Akustik ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 4. 4 2D-FSI – Shape 1/2, Struktur Cover Body Ligament E [kPa] 5 7 (x) 40 20 (y) G [kPa] - 4,5 - ρ [kg/m³] 1020 1040 1040 Linear-elastische Volumenelemente μ 0,4 0,4 0,4 Große Verformungen ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 5. 5 2D-FSI – Shape 1/2, Fluid Laminare, kompressible Strömung (Luft bei 37°C) Re ≈ 2200 900 800 700 600 p [Pa] 500 400 300 200 100 0 0 0,001 0,002 0,003 t [s] ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 6. 6 2D-FSI – Glottis-Verschluss Fluid Struktur • Augmented-Lagrange- Kontakt • ständige Öffnung (0,1mm) ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 7. 7 2D-FSI – Ergebnisse, Shape 2 keine selbsterhaltende Schwingung (trotz gemessener Geometriewerte) ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 8. 8 2D-FSI – Ergebnisse, Shape 1 (zwei Schichten) selbsterhaltende Schwingung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 9. 9 2D-FSI – Fluid-Druck Shape 2 Shape 1, zwei Schichten Shape 1, örtlicher Druckverlauf Strömung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 10. 10 2D-FSI – Frequenzvergleich Eigenformen/-frequenzen Spektrum der Strukturschwingung Shape 1 Shape 2 Position der Knoten ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 11. 11 2D-FSI – FFT Fluid Fluiddruck Fluidgeschwindigkeit Shape 1, zwei Schichten Shape 1, zwei Schichten 1,E+05 1,E+02 1,E+04 1,E+01 1,E+00 1,E+03 1,E-01 1,E+02 1,E-02 1,E+01 1,E-03 1,E+00 1,E-04 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 [Hz] [Hz] Shape 2,freischwingend Shape 2,freischwingend 1,E+05 1,E+02 1,E+04 1,E+01 1,E+03 1,E+00 1,E+02 1,E-01 1,E+01 1,E-02 1,E+00 1,E-03 1,E-01 1,E-04 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 [Hz] [Hz] ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 12. 12 Akustik – CFS++ Inhomogene Wellengleichung: Lighthill Tensor Varriationsformulierung: Ableitung 1.Ordnung Näherung des Lighthill Tensors durch vernachlässigen von Viskoser Spannung Aufgrund hoher Reynolds Zahl Wärmeleitung (konstante Temperatur) ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 13. 13 Akustik – CFS++ Partielle Integration: CFD-Quellterme Lighthill Tensor Freie Abstrahlung Vibrationsschall Beseitigung der Ableitung 2. Ordnung Zusätzliche Randterme: Vibrationsinduzierter Schall Freie akustische Abstrahlung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 14. 14 Akustik – CFS++ Erweiterung des Strömungsgebietes um ein akustische Dämpfungsgebiet Perfectly Match Layer (PML) Ermöglicht eine akustische Wellenausbreitung aus dem Quellgebiet ohne unrealistische Reflektionen an Ein- und Auslass Nachteil: Unsymmetrische Nachricht Non-Matching Grid Ermöglicht problemlosen Übergang von unstrukturiert auf strukturiertes Gitter Übergang von fein auf grobes Gitter (1kHz max. Elementgröße ca. 17mm) PML-Einlass PML-Auslass Non-matching Non-matching interface interface ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 15. 15 2D-FSI – Strömungsakustik Wechseldruck zu unterschiedlichen Zeitschritten ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 16. 16 Akustik – CFS++ Shape 1 Dominante Frequenzen nicht mit Stimmlippeneigenfrequenz identisch Spektrum vergleichbar mit Strömung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 17. 17 Akustik – CFS++ Shape 2 Eigenfrequenzen der Stimmlippen deutlich erkennbar Übereinstimmung auch mit Strömung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 18. 18 Akustik – CFS++ Akustik im Zeitbereich von Shape 1 Erkennbare Merkmale: Hauptfrequenz Selbsterhaltende Schwingung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 19. 19 Akustik – CFS++ Akustik im Zeitbereich von Shape 2 Erkennbare mermale: Hauptfrequenz Einschwingvorgang ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 20. 20 Zusammenfassung Simulation des Phonationsprozess Strömungssimulation mit CFX Strukturbewegung (Mehrschichtmodell) mit CFX Vergleich von unterschiedlichen Modellen Schnittstelle an CFS++ Quelltermberechnung nach Lighthill Akustik Berechnung Erweiterung des Akustikgebietes PML Non-Matching Grid Mögliche Erweiterung: Vokaltraktes (2D / 3D) ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
- 21. Fragen? Interesse? Kontaktieren Sie uns – wir helfen Ihnen gerne! CADFEM (Austria) GmbH Wagenseilgasse 14 1120 Wien Tel. +43 (0)1 587 70 73 – 0 E-Mail. info@cadfem.at Web. http://www.cadfem.at Immer aktuell informiert – CADFEM Blog, Xing und Youtube-Channel CADFEM Blog - Umfassend informiert • News zur FEM-Simulation - What‘s hot? What‘s new? • Video-Tutorials - ANSYS, LS DYNA & mehr • Hinter den Kulissen: CADFEM intern CADFEM Youtube Channel - Tips & Trick • Video Tutorials - ANSYS Software und CADFEM Applications CADFEM auf Xing - News kompakt • Vorschau auf Events & Seminare • Neue CADFEM Produkte • CADFEM Jobbörse