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Der menschlichen Stimme auf der Spur Manfred Kaltenbacher Institut für Intelligente Systemtechnologien Alpen-Adria Univers...
Grundlagen <ul><li>Stimme - Teil der Kommunikation Unter menschlicher Kommunikation versteht man die Art und Weise, wie si...
Grundlagen <ul><li>Strukturmodell der Kommunikation </li></ul>Voraussetzung:  Codierung muss Sender und Empfänger bekannt ...
Grundlagen <ul><li>Sinn der Kommunikation </li></ul><ul><ul><li>Informationsaustausch </li></ul></ul><ul><ul><li>Notwendig...
Grundlagen <ul><li>Verbale Kommunikation </li></ul><ul><ul><li>Stimme:  Trägersignal für Kodierung (Kehlkopf: Stimmlippen)...
Grundlagen <ul><li>Überblick Sprache </li></ul><ul><ul><li>Evolution der Sprache ca. 1 000 000 Jahre </li></ul></ul><ul><u...
Grundlagen <ul><li>Das Stimmsignal: Träger der Sprache  </li></ul>/T/ /A/ /U/ 0 100 200 300 400 500 600 Zeit [ms] Schalldr...
Stimm- und Sprachorgan <ul><li>Quelle-Filter-Modell  </li></ul>
Quelle - Filter Modell: Quelle <ul><li>Stimmlippen / Kehlkopf  </li></ul>Kehlkopf ( Larynx) Stimmlippen
Quelle - Filter Modell: Quelle <ul><li>Kehlkopfaufsicht  </li></ul>Glottis Stimmlippe (R) Stimmlippe (L) ventral dorsal Sc...
Quelle - Filter Modell: Quelle <ul><li>Kehlkopfaufsicht  </li></ul>
Quelle - Filter Modell: Quelle <ul><li>Stimmlippenschwingung  </li></ul>
Quelle - Filter Modell: Filter <ul><li>Vokaltrakt  </li></ul>Modulation des primären Stimmsignals im Vokaltrakt Mund,Nase,...
Klinische Untersuchung <ul><li>Akustisch / Visuell  </li></ul>
Klinische Untersuchung <ul><li>Akustische Qualitätsmessung   </li></ul><ul><ul><li>Selbstbewertung der Stimme durch den Pa...
Klinische Untersuchung <ul><li>HG-Kamera Aufnahmen </li></ul>Mann gesund   133 Hz, symmetrisch Frau gesund   240Hz, symmet...
Klinische Untersuchung <ul><li>Pathologische Phonation </li></ul>Asymmetrien und/oder Irregularitäten im Kehlkopf Spasmodi...
Experiment <ul><li>Visualisierung der Dynamik </li></ul>inferior superior Medialer und oberer Anteil Endoskopie Hemilarynx
Experiment <ul><li>Hemilarynx Aufbau </li></ul>Larynx (m, 76y) Trachea  Mediale Oberfläche Posterior Anterior Stimmlippe (...
Experiment <ul><li>Aufbau </li></ul>Anterior  Posterior Übersicht Hochgeschwindigkeitskamera Beleuchtung Mikrophon Befesti...
Experiment Aufnahmen:   2000- 4000 Hz,  512x512, 1024 x 1024 pixel s/w Aufnahmen <ul><li>Kameraansicht </li></ul>
Experiment <ul><li>Stimmlippenschwingung - real  </li></ul>3D Dynamik Humaner Kehlkopf Trachea  Mediale Oberfläche Dölling...
Modellierung <ul><li>Schallentstehung  </li></ul>Laryngeale Dynamiken: 70 - 1 000 Hz
Modellierung <ul><li>Schallentstehung  </li></ul>Larynx
Modellierung <ul><li>Schallentstehung  </li></ul>Larynx Stimmlippen Glottis
Modellierung <ul><li>Schallentstehung  </li></ul>Akustische Quellen Kehlkopf Wirbel Struktur Volumen moduliert
Modellierung <ul><li>Physikalische Felder </li></ul>Strömung Struktur Akustik Druck- & Scherkräfte Verschiebungen Schallqu...
Modellierung <ul><li>Strömungsmechanik </li></ul><ul><ul><li>Inkompressibler Ansatz (Mach-Zahl < 0.3) </li></ul></ul><ul><...
Modellierung <ul><li>Strukturmechanik </li></ul><ul><ul><li>Lineare Elastizität </li></ul></ul><ul><ul><li>Numerisches Ver...
Modellierung <ul><li>Strömungs-Strukturmechanik-Interaktion </li></ul><ul><ul><li>Strömung  Strukturmechanik </li></ul></ul>
Modellierung <ul><li>Strömungs-Strukturmechanik-Interaktion </li></ul><ul><ul><li>Strömung  Strukturmechanik </li></ul></u...
Modellierung <ul><li>Strömung-Akustik-Interaktion </li></ul><ul><ul><li>Strömung um einen Körper </li></ul></ul><ul><ul><l...
Modellansatz 1 <ul><li>Strömung – Akustik mit vorgegebener Strukturbewegung der Stimmlippen in 3D </li></ul><ul><li>3D Geo...
Modellansatz 1 <ul><li>Strömungungsfeld </li></ul>Geschwindigkeit Wirbelstrukturen
Modellansatz 1 <ul><li>Akustische Quellterme </li></ul><ul><ul><li>Kohärente Strukturen </li></ul></ul><ul><ul><li>Wandint...
Modellansatz 1 <ul><li>Akustisches Signal </li></ul>
Modellansatz 2 <ul><li>Strömung-Struktur-Akustik in 2D </li></ul>
Modellansatz 2 <ul><li>Geometrisches Modell </li></ul>
Modellansatz 2 <ul><li>Numerisches Modell: Finite Elemente </li></ul>Muskel Deckschicht Stimmband <ul><li>2D Geometrie </l...
Modellansatz 2 <ul><li>Strömungs-Struktur-Interaktion </li></ul>Der Luftstrahl legt sich an die Rachenwand an (Coanda-Effe...
Modellansatz 2 <ul><li>Wirbelstrukturen </li></ul>Wirbel größerer Zeitskala Wirbel kleinerer Zeitskala Bezugszeitskala: St...
Modellansatz 2 <ul><li>Schwingungen der Stimmlippen   </li></ul>1 2 3 4
Modellansatz 2 <ul><li>Akustische Quellterme und Schallspektrum   </li></ul>Frequenz [Hz] Leistungsprektrum des Schalldruc...
Experiment <ul><li>Versuchsaufbau   </li></ul>Polyurethan Stimmlippen
Experiment <ul><li>Versuchsaufbau mit HG-Kamera   </li></ul><ul><li>Auflösung 768x512 </li></ul><ul><li>Aufnahmerate 5000 ...
Experiment <ul><li>Schwingungen der Stimmlippen  </li></ul>
Experiment <ul><li>Schwingungen der Stimmlippen  </li></ul>
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Der menschlichen Stimme auf der Spur

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Der menschlichen Stimme auf der Spur

  1. 1. Der menschlichen Stimme auf der Spur Manfred Kaltenbacher Institut für Intelligente Systemtechnologien Alpen-Adria Universität Klagenfurt
  2. 2. Grundlagen <ul><li>Stimme - Teil der Kommunikation Unter menschlicher Kommunikation versteht man die Art und Weise, wie sich Menschen mitteilen. </li></ul><ul><li>Arten der Kommunikation: Worte, Körpersprache, paralinguistische Phänomene (z.B. Lachen, Mimik)  jegliches Verhalten </li></ul>„ Man kann nicht nicht kommunizieren “ (P. Watzlawick)
  3. 3. Grundlagen <ul><li>Strukturmodell der Kommunikation </li></ul>Voraussetzung: Codierung muss Sender und Empfänger bekannt sein Sinn: Man gibt Botschaften/Information weiter  Informationsaustausch
  4. 4. Grundlagen <ul><li>Sinn der Kommunikation </li></ul><ul><ul><li>Informationsaustausch </li></ul></ul><ul><ul><li>Notwendig für funktionierende Gesellschaft </li></ul></ul><ul><ul><li>Aber: nicht jede (verbale) Kommunikation beinhaltet notwendigerweise Information! </li></ul></ul>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. 5. Grundlagen <ul><li>Verbale Kommunikation </li></ul><ul><ul><li>Stimme: Trägersignal für Kodierung (Kehlkopf: Stimmlippen) </li></ul></ul><ul><ul><li>Sprechen: Amplitudenmodulation der Stimme und Abstrahlung (Vokaltrakt: Pharynx, Mundhöhle) </li></ul></ul><ul><ul><li>Sprache: Zentrale Ansteuerung der Sprechmotorik (Wernicke-, Broca-Areal) </li></ul></ul>
  6. 6. Grundlagen <ul><li>Überblick Sprache </li></ul><ul><ul><li>Evolution der Sprache ca. 1 000 000 Jahre </li></ul></ul><ul><ul><li>Sprache im heutigen Sinn seit ca. 40 000 – 100 000 Jahren </li></ul></ul><ul><ul><li>Heute ca. 6500 verschiedene Sprachen </li></ul></ul><ul><ul><li>Sehr robuste Informationsübertragung </li></ul></ul><ul><ul><li>Nur dem Menschen eigen </li></ul></ul><ul><ul><li>Grundlage für eigene Denksysteme („sprachgebundene Intelligenz“) </li></ul></ul>
  7. 7. Grundlagen <ul><li>Das Stimmsignal: Träger der Sprache </li></ul>/T/ /A/ /U/ 0 100 200 300 400 500 600 Zeit [ms] Schalldruck [Pa]
  8. 8. Stimm- und Sprachorgan <ul><li>Quelle-Filter-Modell </li></ul>
  9. 9. Quelle - Filter Modell: Quelle <ul><li>Stimmlippen / Kehlkopf </li></ul>Kehlkopf ( Larynx) Stimmlippen
  10. 10. Quelle - Filter Modell: Quelle <ul><li>Kehlkopfaufsicht </li></ul>Glottis Stimmlippe (R) Stimmlippe (L) ventral dorsal Schildknorpel Stellknorpel
  11. 11. Quelle - Filter Modell: Quelle <ul><li>Kehlkopfaufsicht </li></ul>
  12. 12. Quelle - Filter Modell: Quelle <ul><li>Stimmlippenschwingung </li></ul>
  13. 13. Quelle - Filter Modell: Filter <ul><li>Vokaltrakt </li></ul>Modulation des primären Stimmsignals im Vokaltrakt Mund,Nase, Zunge,Zahnstellung,Lippen, Gaumensegel Folge Verstärkung von Frequenzen (Formanten)
  14. 14. Klinische Untersuchung <ul><li>Akustisch / Visuell </li></ul>
  15. 15. Klinische Untersuchung <ul><li>Akustische Qualitätsmessung </li></ul><ul><ul><li>Selbstbewertung der Stimme durch den Patienten </li></ul></ul><ul><ul><li>Subjektive Klassifikation (RBH Schema) </li></ul></ul><ul><ul><li>Apparative Analyse des Stimmschalls </li></ul></ul><ul><li>Visuelle Diagnostik </li></ul><ul><ul><li>Videostroboskopie </li></ul></ul><ul><ul><li>Hochgeschwindigkeits-Kymographie </li></ul></ul><ul><ul><li>Digitale Hochgeschwindigkeitsvideos </li></ul></ul>
  16. 16. Klinische Untersuchung <ul><li>HG-Kamera Aufnahmen </li></ul>Mann gesund 133 Hz, symmetrisch Frau gesund 240Hz, symmetrisch Anterior Posterior Rechts Links
  17. 17. Klinische Untersuchung <ul><li>Pathologische Phonation </li></ul>Asymmetrien und/oder Irregularitäten im Kehlkopf Spasmodische Dysphonie Beidseitige Recurrens-Parese Polyp rechts Knarrend Behaucht Rauh/Behaucht
  18. 18. Experiment <ul><li>Visualisierung der Dynamik </li></ul>inferior superior Medialer und oberer Anteil Endoskopie Hemilarynx
  19. 19. Experiment <ul><li>Hemilarynx Aufbau </li></ul>Larynx (m, 76y) Trachea Mediale Oberfläche Posterior Anterior Stimmlippe (15 - 30 Nähte)
  20. 20. Experiment <ul><li>Aufbau </li></ul>Anterior Posterior Übersicht Hochgeschwindigkeitskamera Beleuchtung Mikrophon Befestigter Larynx
  21. 21. Experiment Aufnahmen: 2000- 4000 Hz, 512x512, 1024 x 1024 pixel s/w Aufnahmen <ul><li>Kameraansicht </li></ul>
  22. 22. Experiment <ul><li>Stimmlippenschwingung - real </li></ul>3D Dynamik Humaner Kehlkopf Trachea Mediale Oberfläche Döllinger u. Berry 2006
  23. 23. Modellierung <ul><li>Schallentstehung </li></ul>Laryngeale Dynamiken: 70 - 1 000 Hz
  24. 24. Modellierung <ul><li>Schallentstehung </li></ul>Larynx
  25. 25. Modellierung <ul><li>Schallentstehung </li></ul>Larynx Stimmlippen Glottis
  26. 26. Modellierung <ul><li>Schallentstehung </li></ul>Akustische Quellen Kehlkopf Wirbel Struktur Volumen moduliert
  27. 27. Modellierung <ul><li>Physikalische Felder </li></ul>Strömung Struktur Akustik Druck- & Scherkräfte Verschiebungen Schallquellen Oberflächen- geschwindigkeit
  28. 28. Modellierung <ul><li>Strömungsmechanik </li></ul><ul><ul><li>Inkompressibler Ansatz (Mach-Zahl < 0.3) </li></ul></ul><ul><ul><li>Erhaltung von Masse, Impuls und Energie </li></ul></ul><ul><ul><li>Lösungsansatz: DNS (Direct-Numerical-Simulation) </li></ul></ul><ul><ul><li>Numerisches Verfahren: Finite-Volumen, Finite-Elemente-Methode </li></ul></ul>
  29. 29. Modellierung <ul><li>Strukturmechanik </li></ul><ul><ul><li>Lineare Elastizität </li></ul></ul><ul><ul><li>Numerisches Verfahren: Finite-Elemente-Methode </li></ul></ul>with
  30. 30. Modellierung <ul><li>Strömungs-Strukturmechanik-Interaktion </li></ul><ul><ul><li>Strömung Strukturmechanik </li></ul></ul>
  31. 31. Modellierung <ul><li>Strömungs-Strukturmechanik-Interaktion </li></ul><ul><ul><li>Strömung Strukturmechanik </li></ul></ul><ul><ul><li>Strukturmechanik Strömung </li></ul></ul>Kontaktfläche  fs Struktur Strömungsgitter
  32. 32. Modellierung <ul><li>Strömung-Akustik-Interaktion </li></ul><ul><ul><li>Strömung um einen Körper </li></ul></ul><ul><ul><li>Lighthill’s akustische Analogie </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Herleitung: Massen und Impulserhaltung (wie Strömungsmechanik) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Erweiterte Wellengleichung: </li></ul></ul></ul>
  33. 33. Modellansatz 1 <ul><li>Strömung – Akustik mit vorgegebener Strukturbewegung der Stimmlippen in 3D </li></ul><ul><li>3D Geometrie </li></ul><ul><li>1 Mio. Gitterzellen (4 Mio. Unbekannte) </li></ul><ul><li>Sequenzielles Lösen von Strömung und Akustik </li></ul>
  34. 34. Modellansatz 1 <ul><li>Strömungungsfeld </li></ul>Geschwindigkeit Wirbelstrukturen
  35. 35. Modellansatz 1 <ul><li>Akustische Quellterme </li></ul><ul><ul><li>Kohärente Strukturen </li></ul></ul><ul><ul><li>Wandinteraktion </li></ul></ul><ul><ul><li>Wirbelzerfall </li></ul></ul>Akustische Quellterme Strömungsstruktur
  36. 36. Modellansatz 1 <ul><li>Akustisches Signal </li></ul>
  37. 37. Modellansatz 2 <ul><li>Strömung-Struktur-Akustik in 2D </li></ul>
  38. 38. Modellansatz 2 <ul><li>Geometrisches Modell </li></ul>
  39. 39. Modellansatz 2 <ul><li>Numerisches Modell: Finite Elemente </li></ul>Muskel Deckschicht Stimmband <ul><li>2D Geometrie </li></ul><ul><li>Gekoppeltes Lösen von Strömung und Struktur </li></ul><ul><li>400.000 Unbekannte </li></ul>
  40. 40. Modellansatz 2 <ul><li>Strömungs-Struktur-Interaktion </li></ul>Der Luftstrahl legt sich an die Rachenwand an (Coanda-Effekt)
  41. 41. Modellansatz 2 <ul><li>Wirbelstrukturen </li></ul>Wirbel größerer Zeitskala Wirbel kleinerer Zeitskala Bezugszeitskala: Stimmlippenschwingung Wirbel unterschiedlicher Größen- und Zeitskalen (Turbulenz) Vergrößerter Teilausschnitt
  42. 42. Modellansatz 2 <ul><li>Schwingungen der Stimmlippen </li></ul>1 2 3 4
  43. 43. Modellansatz 2 <ul><li>Akustische Quellterme und Schallspektrum </li></ul>Frequenz [Hz] Leistungsprektrum des Schalldruckes
  44. 44. Experiment <ul><li>Versuchsaufbau </li></ul>Polyurethan Stimmlippen
  45. 45. Experiment <ul><li>Versuchsaufbau mit HG-Kamera </li></ul><ul><li>Auflösung 768x512 </li></ul><ul><li>Aufnahmerate 5000 Hz </li></ul><ul><li>Triggerung mittels subglottaler Drucksonde </li></ul>
  46. 46. Experiment <ul><li>Schwingungen der Stimmlippen </li></ul>
  47. 47. Experiment <ul><li>Schwingungen der Stimmlippen </li></ul>
  48. 48. FOR 894

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