Numerische Simulation der Strömungs-Struktur-Akustik Wechselwirkung in 2D und strömungsinduzierter Schall in 3D (AMK)

• Antragsteller: Professor Manfred Kaltenbacher, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Phoniatrie und Audiologie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 35819142

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 Phänomene beschreibt. Dabei handelt es sich um die Strömungsmechanik, die Strukturmechanik, die Akustik sowie deren Kopplungen. Zur Lösung der gekoppelten partiellen Differentialgleichungen wird die Finite-Elemente-Methode verwendet, welche die gezielte Untersuchung des Phonationsprozesses am Computer ermöglicht.Eine numerische Simulation der drei gekoppelten partiellen Differentialgleichungen auf einer dreidimensionalen Geometrie würde, selbst unter Einsatz von Supercomputern, derzeit mehrere Monate dauern. Aus diesem Grunde beschränkt sich das vorliegende Teilprojekt auf zweidimensionale Geometrien. Das in der ersten Antragsphase entwickelte Strömungs-Strukturmechanik-Akustik-Verfahren wird um folgende wesentliche Funktionen erweitert: Kontakt der Stimmlippen und Berechnung des strömungsinduzierten Schalls auf Basis der Erhaltungsgleichungen. Umfangreiche Berechnungen werden dann durchgeführt, um die Einflüsse von Stimmlippengeometrien, Druckamplituden sowie des supraglottalen Bereichs (z.B. Berücksichtigung der Taschenfalten) auf die Stimmgebung klären zu können. Zusätzlich wird das Aeroakustikmodul dazu verwendet, um die akustischen Quellterme sowie den entstehenden Schall basierend auf Strömungsmessungen am Aktiven Modell (IPAT) sowie den Strömungsberechnungen am Passiven Modell (IMFD) numerisch berechnen zu können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 894: Strömungsphysikalische Grundlagen der menschlichen Stimmgebung
• Internationaler Bezug: Österreich