Modellbildung und Fluid-Struktur-Interaktion in der Biomechanik am Beispiel der menschlichen Phonation

  • Modeling and fluid-structure interaction in biomechanics with application in human phonation

Gömmel, Andreas; Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Aachen : Klinkenberg (2010, 2011)
Doktorarbeit

In: Mitteilungen des Lehrstuhls für Baustatik und Baudynamik, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen 18 = 10/1
Seite(n)/Artikel-Nr.: VII, 142 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

Bei der menschlichen Phonation (Stimmgebung) erzeugt die Fluid-Struktur-Interaktion zwischen der (Atem-)Luft (Fluid) und den Geweben des Kehlkopfs (Struktur) eine selbsterhaltende Schwingung der sogenannten Stimmlippen (bestehend aus Muskelschicht, Mucosa-Schicht und Stimmband). Diese führt zu einer Unterbrechung des Luftstroms, der den Drucks oberhalb des Kehlkopfs moduliert und so Schallwellen erzeugt. Für die Modellierung dieser Schwingung wurde für die Struktur ein Finite-Elemente-Modell und für das Fluid ein Finite-Volumen-Modell erstellt. Die beiden Teilmodelle wurden mit der "Arbitrary Lagrangian Eulerian Method" gekoppelt. Der in der Finite-Volumen-Methode nicht unmittelbar modellierbare Verschluss des Spalts zwischen den Stimmlippen wurde erstmals durch eine Kombination aus einem Kontaktproblem einem abstandsabhängigen Verlustkoeffizienten abgebildet. Untersucht wurden verschiedene Versionen von quasi-zweidimensionalen Modellen und ein dreidimensionales Modell der angeströmten Stimmlippen. Bei den 2D-Modellen standen vor Allem zwei verschiedene Anströmformen der Gewebe mit gleichen Randbedingungen im Vordergrund. Nur eine davon erzielte selbsterhaltende Schwingungen. Dabei entstand ein charakteristischer Vorzeichenwechsel des Luft-Drucks im Spalt zwischen den beiden Stimmlippen. Bei der anderen Form wurde die Struktur von der Strömung zu Schwingungen angeregt, die sich durch die Materialdämpfung bei einem statisch ausgelenkten Wert einpendelten. Als Voraussetzung für die selbsterhaltende Schwingung wurde daraus abgeleitet, dass in Ruhelage ein paralleler Kanal zwischen den Stimmlippen vorhanden sein muss. Außerdem muss eine frühe Eigenform eine Torsionseigenform sein. Weiterhin wurden Modelle untersucht, deren Form aus dreidimensionalen Magnet-Resonanz-Tomographie-Messungen gewonnen wurde. Für die Verwendung möglichst realistischer Materialparameter der Struktur wurde eine Methode entwickelt, die aus einer Vielzahl von eindimensionalen Kraft-Auslenkungs-Messungen an verschiedenen Punkten eines exzidierten Kehlkopfs mittels eines Optimierungsalgorithmus globale Werte für die E-Moduln, die Schubmoduln und die Querdehnungszahlen der orthotropen Gewebe ermittelt.

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