Master's Thesis

Modeling of Interaction between Lumped Element Model of the Vocal Fold and Fluid Flow

Final Thesis 6.81 MB

Author of thesis: Ing. Ivana Řeřuchová

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: Ing. Petr Hájek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Pavel Švancara, Ph.D.

Abstract:

The thesis belongs to the branch of biomechanics of human voice and bioacoustics. It deals with the modelling of the vocal cords in interaction with the air flow and the vocal tract. Specifically, it involves two-mass and three-mass body-cover models. The interaction is solved using the finite-difference method, the vocal cord oscillation is represented by the equations of motion, the flow is simulated by Bernoulli's equation, and the acoustics is implemented using an electro-acoustic analogy as an acoustic circuit. The thesis also includes the basics of laryngeal anatomy, the physiology of the human voice, and a review of previously published material models of the vocal cords, i.e., models with a low number of degrees of freedom.

Keywords:

Biomechanics of the human voice, two-mass model of the vocal folds, three-mass body-cover model of the vocal folds, phonation modelling, finite-difference method, fluid-structural-acoustic interaction.

Date of defence

10.06.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě studentka nejprve prezentovala svoji diplomovou práci, následně byly přečteny posudky a studentka odpovídala na dotazy oponenta. Poté členové komise položili následující dotazy k diplomové práci: Máte představu o stabilitě diferenčních schémat, které používáte? Vyhodnocovala jste nějakou podmínku stability? Jaký řešič v Pythonu jste použila? Jak volíte nebo dopočítáváte RLC parametry? K čemu jsou vaše výsledky prakticky použitelné? Můžete vysvětlit pojmy "interakce prostředí" a "řešení simulací", které uvádíte v závěru práce? Zkoušela jste analyzovat prediktivní schopnosti vašeho modelu? Komise na neveřejném zasedání obhajobu zhodnotila známkou A (výborně).

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Biomechanics (BIO)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
doc. Ing. Stanislav Věchet, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Matej Daniel, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Hájek, Ph.D.

V diplomové práci je na vysoké úrovni zpracováno téma interakce mezi modely se soustředěnými parametry, prouděním a akustikou řešenou elektroakustickou analogií. Přestože by se mohlo zdát, že práce je těsně navázána na klasický nelineární model hlasivek publikovaný Ishizakou a Flanaganem, v práci nejen, že jsou odvozeny všechny rovnice, ale také jsou zde uspokojivě vyřešeny nesrovnalosti v originálním článku a původní model je obohacen o hmotu s dalším stupněm volnosti. Všechny modely jsou vyřešeny pomocí metody konečných diferencí v programovacím jazyce Python, který je zárukou, že se na ně bude dát navázat studiem nelinearit ve výzkumu hlasu. Diplomové práci ani přístupu studentky není co vytknout.  
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Pavel Švancara, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá výpočtovým modelováním dvouhmotového a tříhmotového modelu hlasivky v interakci s proudícím vzduchem a akustikou vokálního traktu. Pohybové rovnice kmitání hlasivky byly odvozeny na základě Lagrangeových rovnic II. druhu. Proudění vzduchu bylo modelováno pomocí jednodimenzionální Bernoulliho rovnice a akustika pomocí elektro-akustické analogie. Získaná soustava rovnic pak byla řešena pomocí metody konečných diferencí. Práce obsahuje pěkně zpracovaný historický vývoj a popis doposud v literatuře publikovaných hmotových modelů hlasivek. Na práci oceňuji, že studentka zvládla odvození i následné numerické řešení relativně komplikované soustavy rovnic a dokonce odhalila určité rozpory v literatuře, ze které čerpala. Také oceňuji provedené citlivostní analýzy vlivu jednotlivých parametrů modelu. Práce je zpracována přehledně s pěknou grafickou úpravou. Práce splnila všechny cíle uvedené v zadání, je na dobré úrovni a doporučuju ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 2. Při řešení rovnic pomocí metody konečných diferencí byla použita vzorkovací frekvence 20 kHz z v literatuře doporučovaného rozsahu 10 kHz až 30 kHz. Jaké by byly rozdíly ve výsledcích při použití nižší nebo vyšší vzorkovací frekvence?
  2. 3. V hmotových modelech hlasivek byly použity nelineární pružiny. Setkala jste se při simulacích s nějakými oblastmi nestability, chaotickým kmitáním, nebo jinými projevy nelinearit?
  3. 1. V práci uvádíte, že obdržené výsledky korespondují s výsledky z článku Ishizaka a Flanagan, na základě kterého byl vytvářen dvouhmotový model. Mohla byste ukázat srovnání vašich výsledků s výsledky ve zmíněném článku?
  4. 4. Při simulaci kmitání hlasivek dochází pro základní nastavení parametrů k záporným hodnotám příčných průřezů (překrývání hlasivek). Což je řešeno zvýšením tuhosti při kontaktu, kdy se toto překrytí zmenšuje, ale stále k němu dochází. Vedlo by například ještě další zvýšení tuhosti při kontaktu k vymizení tohoto jevu?
  5. 5. Mohla byste přibližně porovnat časovou náročnost výpočtů hmotových modelů hlasivek a modelů hlasivek založených na použití metody konečných prvků?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová