Der menschlichen Stimme auf der Spur

Der menschlichen Stimme auf der Spur Manfred Kaltenbacher Institut für Intelligente Systemtechnologien Alpen-Adria Universität Klagenfurt

Grundlagen
Stimme - Teil der Kommunikation Unter menschlicher Kommunikation versteht man die Art und Weise, wie sich Menschen mitteilen.
Arten der Kommunikation: Worte, Körpersprache, paralinguistische Phänomene (z.B. Lachen, Mimik)  jegliches Verhalten
„ Man kann nicht nicht kommunizieren “ (P. Watzlawick)

Grundlagen
Strukturmodell der Kommunikation
Voraussetzung: Codierung muss Sender und Empfänger bekannt sein Sinn: Man gibt Botschaften/Information weiter  Informationsaustausch

Grundlagen
Sinn der Kommunikation
Informationsaustausch
Notwendig für funktionierende Gesellschaft
Aber: nicht jede (verbale) Kommunikation beinhaltet notwendigerweise Information!
Bayerische Ministerpräsident a.D. Dr. E. Stoiber zu den Vorteilen die durch den Transrapid entstehen sollen: Vernetzung HBF-Flughafen in München mit Transrapid Trotzdem: Wichtigstes Kommunikationsmittel des Menschen ist die Sprache!

Grundlagen
Verbale Kommunikation
Stimme: Trägersignal für Kodierung (Kehlkopf: Stimmlippen)
Sprechen: Amplitudenmodulation der Stimme und Abstrahlung (Vokaltrakt: Pharynx, Mundhöhle)
Sprache: Zentrale Ansteuerung der Sprechmotorik (Wernicke-, Broca-Areal)

Grundlagen
Überblick Sprache
Evolution der Sprache ca. 1 000 000 Jahre
Sprache im heutigen Sinn seit ca. 40 000 – 100 000 Jahren
Heute ca. 6500 verschiedene Sprachen
Sehr robuste Informationsübertragung
Nur dem Menschen eigen
Grundlage für eigene Denksysteme („sprachgebundene Intelligenz“)

Grundlagen
Das Stimmsignal: Träger der Sprache
/T/ /A/ /U/ 0 100 200 300 400 500 600 Zeit [ms] Schalldruck [Pa]

Stimm- und Sprachorgan
Quelle-Filter-Modell

Quelle - Filter Modell: Quelle
Stimmlippen / Kehlkopf
Kehlkopf ( Larynx) Stimmlippen

Kehlkopfaufsicht
Glottis Stimmlippe (R) Stimmlippe (L) ventral dorsal Schildknorpel Stellknorpel

Kehlkopfaufsicht

Stimmlippenschwingung

Quelle - Filter Modell: Filter
Vokaltrakt
Modulation des primären Stimmsignals im Vokaltrakt Mund,Nase, Zunge,Zahnstellung,Lippen, Gaumensegel Folge Verstärkung von Frequenzen (Formanten)

Klinische Untersuchung
Akustisch / Visuell

Akustische Qualitätsmessung
Selbstbewertung der Stimme durch den Patienten
Subjektive Klassifikation (RBH Schema)
Apparative Analyse des Stimmschalls
Visuelle Diagnostik
Videostroboskopie
Hochgeschwindigkeits-Kymographie
Digitale Hochgeschwindigkeitsvideos

HG-Kamera Aufnahmen
Mann gesund 133 Hz, symmetrisch Frau gesund 240Hz, symmetrisch Anterior Posterior Rechts Links

Pathologische Phonation
Asymmetrien und/oder Irregularitäten im Kehlkopf Spasmodische Dysphonie Beidseitige Recurrens-Parese Polyp rechts Knarrend Behaucht Rauh/Behaucht

Experiment
Visualisierung der Dynamik
inferior superior Medialer und oberer Anteil Endoskopie Hemilarynx

Experiment
Hemilarynx Aufbau
Larynx (m, 76y) Trachea Mediale Oberfläche Posterior Anterior Stimmlippe (15 - 30 Nähte)

Experiment
Aufbau
Anterior Posterior Übersicht Hochgeschwindigkeitskamera Beleuchtung Mikrophon Befestigter Larynx

Experiment Aufnahmen: 2000- 4000 Hz, 512x512, 1024 x 1024 pixel s/w Aufnahmen
Kameraansicht

Experiment
Stimmlippenschwingung - real
3D Dynamik Humaner Kehlkopf Trachea Mediale Oberfläche Döllinger u. Berry 2006

Modellierung
Schallentstehung
Laryngeale Dynamiken: 70 - 1 000 Hz

Modellierung
Schallentstehung
Larynx

Modellierung
Schallentstehung
Larynx Stimmlippen Glottis

Modellierung
Schallentstehung
Akustische Quellen Kehlkopf Wirbel Struktur Volumen moduliert

Modellierung
Physikalische Felder
Strömung Struktur Akustik Druck- & Scherkräfte Verschiebungen Schallquellen Oberflächen- geschwindigkeit

Modellierung
Strömungsmechanik
Inkompressibler Ansatz (Mach-Zahl < 0.3)
Erhaltung von Masse, Impuls und Energie
Lösungsansatz: DNS (Direct-Numerical-Simulation)
Numerisches Verfahren: Finite-Volumen, Finite-Elemente-Methode

Modellierung
Strukturmechanik
Lineare Elastizität
Numerisches Verfahren: Finite-Elemente-Methode
with

Modellierung
Strömungs-Strukturmechanik-Interaktion
Strömung Strukturmechanik

Modellierung
Strömungs-Strukturmechanik-Interaktion
Strömung Strukturmechanik
Strukturmechanik Strömung
Kontaktfläche  fs Struktur Strömungsgitter

Modellierung
Strömung-Akustik-Interaktion
Strömung um einen Körper
Lighthill’s akustische Analogie
Herleitung: Massen und Impulserhaltung (wie Strömungsmechanik)
Erweiterte Wellengleichung:

Modellansatz 1
Strömung – Akustik mit vorgegebener Strukturbewegung der Stimmlippen in 3D
3D Geometrie
1 Mio. Gitterzellen (4 Mio. Unbekannte)
Sequenzielles Lösen von Strömung und Akustik

Modellansatz 1
Strömungungsfeld
Geschwindigkeit Wirbelstrukturen

Modellansatz 1
Akustische Quellterme
Kohärente Strukturen
Wandinteraktion
Wirbelzerfall
Akustische Quellterme Strömungsstruktur

Modellansatz 1
Akustisches Signal

Modellansatz 2
Strömung-Struktur-Akustik in 2D

Modellansatz 2
Geometrisches Modell

Modellansatz 2
Numerisches Modell: Finite Elemente
Muskel Deckschicht Stimmband
2D Geometrie
Gekoppeltes Lösen von Strömung und Struktur
400.000 Unbekannte

Modellansatz 2
Strömungs-Struktur-Interaktion
Der Luftstrahl legt sich an die Rachenwand an (Coanda-Effekt)

Modellansatz 2
Wirbelstrukturen
Wirbel größerer Zeitskala Wirbel kleinerer Zeitskala Bezugszeitskala: Stimmlippenschwingung Wirbel unterschiedlicher Größen- und Zeitskalen (Turbulenz) Vergrößerter Teilausschnitt

Modellansatz 2
Schwingungen der Stimmlippen
1 2 3 4

Modellansatz 2
Akustische Quellterme und Schallspektrum
Frequenz [Hz] Leistungsprektrum des Schalldruckes

Experiment
Versuchsaufbau
Polyurethan Stimmlippen

Experiment
Versuchsaufbau mit HG-Kamera
Auflösung 768x512
Aufnahmerate 5000 Hz
Triggerung mittels subglottaler Drucksonde

Experiment
Schwingungen der Stimmlippen

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Der menschlichen Stimme auf der Spur

by Förderverein Technische Fakultät on Dec 14, 2009

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