Die menschliche Phonation: Fluid-             Struktur-Akustik Simulation                    1M.   Gömmel, 2M. Kaltenbache...
2Overview Motivation    Simulationsaufbau (Shape 1 / Shape 2) Ergebnisse FSI    Zeitbereich    Fluiddruck    Frequen...
3Motivation                                        Fluidinduzierter                                          Pulsierender ...
42D-FSI – Shape 1/2, Struktur                 Cover Body        Ligament      E [kPa]       5      7 (x)      40          ...
52D-FSI – Shape 1/2, Fluid    Laminare,    kompressible    Strömung    (Luft bei 37°C)    Re ≈ 2200            900        ...
62D-FSI – Glottis-Verschluss       Fluid                                                   Struktur                       ...
72D-FSI – Ergebnisse, Shape 2       keine selbsterhaltende Schwingung (trotz gemessener Geometriewerte)              ANSY...
82D-FSI – Ergebnisse, Shape 1 (zwei Schichten)                        selbsterhaltende Schwingung           ANSYS Confere...
92D-FSI – Fluid-Druck                   Shape 2                               Shape 1, zwei Schichten   Shape 1,   örtlich...
102D-FSI – Frequenzvergleich     Eigenformen/-frequenzen                 Spektrum der Strukturschwingung                  ...
112D-FSI – FFT Fluid                              Fluiddruck                                      Fluidgeschwindigkeit    ...
12Akustik – CFS++ Inhomogene Wellengleichung:                                                           Lighthill Tensor...
13Akustik – CFS++ Partielle Integration:                                                        CFD-Quellterme           ...
14Akustik – CFS++ Erweiterung des Strömungsgebietes um ein akustische Dämpfungsgebiet     Perfectly Match Layer (PML)   ...
152D-FSI – Strömungsakustik Wechseldruck zu unterschiedlichen Zeitschritten              ANSYS Conference & 6. CADFEM Aus...
16Akustik – CFS++ Shape 1    Dominante Frequenzen nicht mit Stimmlippeneigenfrequenz identisch    Spektrum vergleichbar...
17Akustik – CFS++ Shape 2    Eigenfrequenzen der Stimmlippen deutlich erkennbar    Übereinstimmung auch mit Strömung   ...
18Akustik – CFS++ Akustik im Zeitbereich von Shape 1 Erkennbare Merkmale:    Hauptfrequenz    Selbsterhaltende Schwing...
19Akustik – CFS++ Akustik im Zeitbereich von Shape 2 Erkennbare mermale:    Hauptfrequenz    Einschwingvorgang        ...
20Zusammenfassung Simulation des Phonationsprozess    Strömungssimulation mit CFX    Strukturbewegung (Mehrschichtmodel...
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Die menschliche Phonation: Fluid Struktur-Akustik Simulation

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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.

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Die menschliche Phonation: Fluid Struktur-Akustik Simulation

  1. 1. Die menschliche Phonation: Fluid- Struktur-Akustik Simulation 1M. Gömmel, 2M. Kaltenbacher, 2S. Zörner 1Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik, RWTH Aachen, Deutschland2Lehrstul für Angewandte Mechatronik, Alpen-Adria Universität Klagenfurt, Österreich manfred.kaltenbacher@uni-klu.ac.at ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  2. 2. 2Overview Motivation  Simulationsaufbau (Shape 1 / Shape 2) Ergebnisse FSI  Zeitbereich  Fluiddruck  Frequenzbereich Ergebnisse Akustik  Lighthill Analogie  Zeitbereich  Frequenzbereich ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  3. 3. 3Motivation Fluidinduzierter Pulsierender Schall Luftstrom Vokaltrakt Wirbel-(Lücke Glottis Turbulent flow zwischen induzierter Oesophagus Schall Stimmlippen) Vibrations- Stimmlippen- Stimmlippen induzierter schwingung Luftröhre Schall Stimmlippen  Strömung (Euler-Gitter)  Strukturmechanik (Lagrange-Gitter) Gitter Anpassung (ALE Domaine)  Schallquellen  Strömungsinduzierter Schall Luftröhre  Strukturinduzierter Schall Akustik ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  4. 4. 42D-FSI – Shape 1/2, Struktur Cover Body Ligament E [kPa] 5 7 (x) 40 20 (y) G [kPa] - 4,5 - ρ [kg/m³] 1020 1040 1040 Linear-elastische Volumenelemente μ 0,4 0,4 0,4 Große Verformungen ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  5. 5. 52D-FSI – Shape 1/2, Fluid Laminare, kompressible Strömung (Luft bei 37°C) Re ≈ 2200 900 800 700 600 p [Pa] 500 400 300 200 100 0 0 0,001 0,002 0,003 t [s] ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  6. 6. 62D-FSI – Glottis-Verschluss Fluid Struktur • Augmented-Lagrange- Kontakt • ständige Öffnung (0,1mm) ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  7. 7. 72D-FSI – Ergebnisse, Shape 2  keine selbsterhaltende Schwingung (trotz gemessener Geometriewerte) ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  8. 8. 82D-FSI – Ergebnisse, Shape 1 (zwei Schichten)  selbsterhaltende Schwingung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  9. 9. 92D-FSI – Fluid-Druck Shape 2 Shape 1, zwei Schichten Shape 1, örtlicher Druckverlauf Strömung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  10. 10. 102D-FSI – Frequenzvergleich Eigenformen/-frequenzen Spektrum der Strukturschwingung Shape 1 Shape 2 Position der Knoten ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  11. 11. 112D-FSI – FFT Fluid Fluiddruck Fluidgeschwindigkeit Shape 1, zwei Schichten Shape 1, zwei Schichten 1,E+05 1,E+02 1,E+04 1,E+01 1,E+00 1,E+03 1,E-01 1,E+02 1,E-02 1,E+01 1,E-03 1,E+00 1,E-04 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 [Hz] [Hz] Shape 2,freischwingend Shape 2,freischwingend 1,E+05 1,E+02 1,E+04 1,E+01 1,E+03 1,E+00 1,E+02 1,E-01 1,E+01 1,E-02 1,E+00 1,E-03 1,E-01 1,E-04 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 [Hz] [Hz] ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  12. 12. 12Akustik – CFS++ Inhomogene Wellengleichung: Lighthill Tensor Varriationsformulierung: Ableitung 1.Ordnung Näherung des Lighthill Tensors durch vernachlässigen von  Viskoser Spannung Aufgrund hoher Reynolds Zahl  Wärmeleitung (konstante Temperatur) ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  13. 13. 13Akustik – CFS++ Partielle Integration: CFD-Quellterme Lighthill Tensor Freie Abstrahlung Vibrationsschall  Beseitigung der Ableitung 2. Ordnung  Zusätzliche Randterme:  Vibrationsinduzierter Schall  Freie akustische Abstrahlung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  14. 14. 14Akustik – 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 ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  15. 15. 152D-FSI – Strömungsakustik Wechseldruck zu unterschiedlichen Zeitschritten ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  16. 16. 16Akustik – CFS++ Shape 1  Dominante Frequenzen nicht mit Stimmlippeneigenfrequenz identisch  Spektrum vergleichbar mit Strömung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  17. 17. 17Akustik – CFS++ Shape 2  Eigenfrequenzen der Stimmlippen deutlich erkennbar  Übereinstimmung auch mit Strömung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  18. 18. 18Akustik – CFS++ Akustik im Zeitbereich von Shape 1 Erkennbare Merkmale:  Hauptfrequenz  Selbsterhaltende Schwingung ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  19. 19. 19Akustik – CFS++ Akustik im Zeitbereich von Shape 2 Erkennbare mermale:  Hauptfrequenz  Einschwingvorgang ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  20. 20. 20Zusammenfassung 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) ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 2011
  21. 21. Fragen? Interesse?Kontaktieren Sie uns – wir helfen Ihnen gerne!CADFEM (Austria) GmbHWagenseilgasse 141120 WienTel. +43 (0)1 587 70 73 – 0E-Mail. info@cadfem.atWeb. http://www.cadfem.atImmer aktuell informiert – CADFEM Blog, Xing und Youtube-ChannelCADFEM Blog - Umfassend informiert • News zur FEM-Simulation - What‘s hot? What‘s new? • Video-Tutorials - ANSYS, LS DYNA & mehr • Hinter den Kulissen: CADFEM internCADFEM Youtube Channel - Tips & Trick • Video Tutorials - ANSYS Software und CADFEM ApplicationsCADFEM auf Xing - News kompakt • Vorschau auf Events & Seminare • Neue CADFEM Produkte • CADFEM Jobbörse

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