diplomová práce

Modelování interakce mezi hmotovým modelem hlasivky a tekutinou

Text práce 6.81 MB

Autor práce: Ing. Ivana Řeřuchová

Ak. rok: 2023/2024

Vedoucí: Ing. Petr Hájek, Ph.D.

Oponent: Ing. Pavel Švancara, Ph.D.

Abstrakt:

Diplomová práce spadá do oblasti biomechaniky lidského hlasu a bioakustiky. Zabývá se modelováním hmotových modelů hlasivek v interakci s proudícím vzduchem a vokálním traktem. Konkrétně se jedná o dvouhmotový a tříhmotový body-cover model. Interakce je řešena pomocí metody konečných diferencí, kmitání hlasivek je zprostředkováno pohybovými rovnicemi, proudění je simulováno Bernoulliho rovnicí a akustika je zde zavedena pomocí elektro-akustické analogie jako akustický obvod. Práce také obsahuje základy anatomie hrtanu, fyziologie lidského hlasu a přehled doposud publikovaných hmotových modelů hlasivek, tedy modelů s nízkým počtem stupňů volnosti.

Klíčová slova:

Biomechanika lidského hlasu, dvouhmotový model hlasivek, tříhmotový model hlasivek body-cover, hmotové modely, modelování fonace, metoda konečných diferencí, fluidně-strukturně-akustická interakce.

Termín obhajoby

10.06.2024

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

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).

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Fakulta strojního inženýrství

Ústav

Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky

Studijní program

Inženýrská mechanika a biomechanika (N-IMB-P)

Specializace

Biomechanika (BIO)

Složení komise

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)

Posudek vedoucího
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.  
Kritérium hodnocení Známka
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

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
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.
Kritérium hodnocení Známka
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
Otázky k obhajobě:
  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?

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová