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Der menschlichen Stimme auf der Spur
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Der menschlichen Stimme auf der Spur

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  • 1. Der menschlichen Stimme auf der Spur Manfred Kaltenbacher Institut für Intelligente Systemtechnologien Alpen-Adria Universität Klagenfurt
  • 2. 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)
  • 3. Grundlagen
    • Strukturmodell der Kommunikation
    Voraussetzung: Codierung muss Sender und Empfänger bekannt sein Sinn: Man gibt Botschaften/Information weiter  Informationsaustausch
  • 4. 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!
  • 5. 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)
  • 6. 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“)
  • 7. Grundlagen
    • Das Stimmsignal: Träger der Sprache
    /T/ /A/ /U/ 0 100 200 300 400 500 600 Zeit [ms] Schalldruck [Pa]
  • 8. Stimm- und Sprachorgan
    • Quelle-Filter-Modell
  • 9. Quelle - Filter Modell: Quelle
    • Stimmlippen / Kehlkopf
    Kehlkopf ( Larynx) Stimmlippen
  • 10. Quelle - Filter Modell: Quelle
    • Kehlkopfaufsicht
    Glottis Stimmlippe (R) Stimmlippe (L) ventral dorsal Schildknorpel Stellknorpel
  • 11. Quelle - Filter Modell: Quelle
    • Kehlkopfaufsicht
  • 12. Quelle - Filter Modell: Quelle
    • Stimmlippenschwingung
  • 13. Quelle - Filter Modell: Filter
    • Vokaltrakt
    Modulation des primären Stimmsignals im Vokaltrakt Mund,Nase, Zunge,Zahnstellung,Lippen, Gaumensegel Folge Verstärkung von Frequenzen (Formanten)
  • 14. Klinische Untersuchung
    • Akustisch / Visuell
  • 15. Klinische Untersuchung
    • Akustische Qualitätsmessung
      • Selbstbewertung der Stimme durch den Patienten
      • Subjektive Klassifikation (RBH Schema)
      • Apparative Analyse des Stimmschalls
    • Visuelle Diagnostik
      • Videostroboskopie
      • Hochgeschwindigkeits-Kymographie
      • Digitale Hochgeschwindigkeitsvideos
  • 16. Klinische Untersuchung
    • HG-Kamera Aufnahmen
    Mann gesund 133 Hz, symmetrisch Frau gesund 240Hz, symmetrisch Anterior Posterior Rechts Links
  • 17. Klinische Untersuchung
    • Pathologische Phonation
    Asymmetrien und/oder Irregularitäten im Kehlkopf Spasmodische Dysphonie Beidseitige Recurrens-Parese Polyp rechts Knarrend Behaucht Rauh/Behaucht
  • 18. Experiment
    • Visualisierung der Dynamik
    inferior superior Medialer und oberer Anteil Endoskopie Hemilarynx
  • 19. Experiment
    • Hemilarynx Aufbau
    Larynx (m, 76y) Trachea Mediale Oberfläche Posterior Anterior Stimmlippe (15 - 30 Nähte)
  • 20. Experiment
    • Aufbau
    Anterior Posterior Übersicht Hochgeschwindigkeitskamera Beleuchtung Mikrophon Befestigter Larynx
  • 21. Experiment Aufnahmen: 2000- 4000 Hz, 512x512, 1024 x 1024 pixel s/w Aufnahmen
    • Kameraansicht
  • 22. Experiment
    • Stimmlippenschwingung - real
    3D Dynamik Humaner Kehlkopf Trachea Mediale Oberfläche Döllinger u. Berry 2006
  • 23. Modellierung
    • Schallentstehung
    Laryngeale Dynamiken: 70 - 1 000 Hz
  • 24. Modellierung
    • Schallentstehung
    Larynx
  • 25. Modellierung
    • Schallentstehung
    Larynx Stimmlippen Glottis
  • 26. Modellierung
    • Schallentstehung
    Akustische Quellen Kehlkopf Wirbel Struktur Volumen moduliert
  • 27. Modellierung
    • Physikalische Felder
    Strömung Struktur Akustik Druck- & Scherkräfte Verschiebungen Schallquellen Oberflächen- geschwindigkeit
  • 28. 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
  • 29. Modellierung
    • Strukturmechanik
      • Lineare Elastizität
      • Numerisches Verfahren: Finite-Elemente-Methode
    with
  • 30. Modellierung
    • Strömungs-Strukturmechanik-Interaktion
      • Strömung Strukturmechanik
  • 31. Modellierung
    • Strömungs-Strukturmechanik-Interaktion
      • Strömung Strukturmechanik
      • Strukturmechanik Strömung
    Kontaktfläche  fs Struktur Strömungsgitter
  • 32. Modellierung
    • Strömung-Akustik-Interaktion
      • Strömung um einen Körper
      • Lighthill’s akustische Analogie
        • Herleitung: Massen und Impulserhaltung (wie Strömungsmechanik)
        • Erweiterte Wellengleichung:
  • 33. 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
  • 34. Modellansatz 1
    • Strömungungsfeld
    Geschwindigkeit Wirbelstrukturen
  • 35. Modellansatz 1
    • Akustische Quellterme
      • Kohärente Strukturen
      • Wandinteraktion
      • Wirbelzerfall
    Akustische Quellterme Strömungsstruktur
  • 36. Modellansatz 1
    • Akustisches Signal
  • 37. Modellansatz 2
    • Strömung-Struktur-Akustik in 2D
  • 38. Modellansatz 2
    • Geometrisches Modell
  • 39. Modellansatz 2
    • Numerisches Modell: Finite Elemente
    Muskel Deckschicht Stimmband
    • 2D Geometrie
    • Gekoppeltes Lösen von Strömung und Struktur
    • 400.000 Unbekannte
  • 40. Modellansatz 2
    • Strömungs-Struktur-Interaktion
    Der Luftstrahl legt sich an die Rachenwand an (Coanda-Effekt)
  • 41. Modellansatz 2
    • Wirbelstrukturen
    Wirbel größerer Zeitskala Wirbel kleinerer Zeitskala Bezugszeitskala: Stimmlippenschwingung Wirbel unterschiedlicher Größen- und Zeitskalen (Turbulenz) Vergrößerter Teilausschnitt
  • 42. Modellansatz 2
    • Schwingungen der Stimmlippen
    1 2 3 4
  • 43. Modellansatz 2
    • Akustische Quellterme und Schallspektrum
    Frequenz [Hz] Leistungsprektrum des Schalldruckes
  • 44. Experiment
    • Versuchsaufbau
    Polyurethan Stimmlippen
  • 45. Experiment
    • Versuchsaufbau mit HG-Kamera
    • Auflösung 768x512
    • Aufnahmerate 5000 Hz
    • Triggerung mittels subglottaler Drucksonde
  • 46. Experiment
    • Schwingungen der Stimmlippen
  • 47. Experiment
    • Schwingungen der Stimmlippen
  • 48. FOR 894