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 Phänomenen beschreibt. Dabei handelt es sich um die Strömungsmechanik, die Strukturmechanik, die Akustik sowie deren Kopplungen. Zur Lösung der gekoppelten partiellen Differentialgleichungen werden für die Fluid-Struktur Simulation Ansys-CFX und für die Simulation des aus der Strömung sich ergebenden Schalls (Aeroakustik) NACS eingesetzt.
Simulation von Kraftwerken mit Rostfeuerung m. ANSYS Fluent & alternativem Co...
Die menschliche Phonation: Fluid Struktur-Akustik Simulation
1. Die menschliche Phonation: Fluid-
Struktur-Akustik Simulation
1M. Gömmel, 2M. Kaltenbacher, 2S. Zörner
1Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik, RWTH Aachen, Deutschland
2Lehrstul für Angewandte Mechatronik, Alpen-Adria Universität Klagenfurt, Österreich
manfred.kaltenbacher@uni-klu.ac.at
ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
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Akustik – CFS++
Erweiterung des Strömungsgebietes um ein akustische Dämpfungsgebiet
Perfectly Match Layer (PML)
Ermöglicht eine akustische Wellenausbreitung aus dem Quellgebiet ohne unrealistische
Reflektionen an Ein- und Auslass
Nachteil: Unsymmetrische Nachricht
Non-Matching Grid
Ermöglicht problemlosen Übergang von unstrukturiert auf strukturiertes Gitter
Übergang von fein auf grobes Gitter (1kHz max. Elementgröße ca. 17mm)
PML-Einlass PML-Auslass
Non-matching Non-matching
interface interface
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2D-FSI – Strömungsakustik
Wechseldruck zu unterschiedlichen Zeitschritten
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Akustik – CFS++
Shape 1
Dominante Frequenzen nicht mit Stimmlippeneigenfrequenz identisch
Spektrum vergleichbar mit Strömung
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Akustik – CFS++
Shape 2
Eigenfrequenzen der Stimmlippen deutlich erkennbar
Übereinstimmung auch mit Strömung
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Akustik – CFS++
Akustik im Zeitbereich von Shape 1
Erkennbare Merkmale:
Hauptfrequenz
Selbsterhaltende Schwingung
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Akustik – CFS++
Akustik im Zeitbereich von Shape 2
Erkennbare mermale:
Hauptfrequenz
Einschwingvorgang
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Zusammenfassung
Simulation des Phonationsprozess
Strömungssimulation mit CFX
Strukturbewegung (Mehrschichtmodell) mit CFX
Vergleich von unterschiedlichen Modellen
Schnittstelle an CFS++
Quelltermberechnung nach Lighthill
Akustik Berechnung
Erweiterung des Akustikgebietes
PML
Non-Matching Grid
Mögliche Erweiterung: Vokaltraktes (2D / 3D)
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