Skip to main content
Erschienen in: HNO 2/2016

01.02.2016 | Ultraschall | Übersichten

Aktuelle Methoden zur Modellierung des Stimmgebungsprozesses

verfasst von: Prof. Dr.-Ing. M. Döllinger, S. Kniesburges, M. Kaltenbacher, M. Echternach

Erschienen in: HNO | Ausgabe 2/2016

Einloggen, um Zugang zu erhalten

Zusammenfassung

Hintergrund

Die Stimmgebung ist ein Prozess, der noch immer in vielen Details nicht verstanden ist. Neben der beobachtenden Forschung versuchen seit längerer Zeit Grundlagenwissenschaftler die Physik der Stimme zu erklären, indem sie versuchen, die Stimmbildung nachzubauen. Dieser Prozess wird als Modellierung bezeichnet. Die Erkenntnisse dieses Forschungszweigs sind vielen Berufsgruppen, die mit Stimme zu tun haben, wie Gesangspädagogen, Stimmtherapeuten und Sprecherziehern, aber auch zum Teil HNO-Ärzten und Phoniatern, nicht immer geläufig. Der Grund liegt in der Tatsache, dass sie zum Teil mathematisch und physikalisch sehr komplexe Beschreibungen enthalten, die nicht immer schnell erfasst werden können.

Zielsetzung

Vereinfachte Darstellung und Erklärung aktueller Modelle zur Modellierung des Phonationsprozesses, die in den letzten Jahren viel dazu beigetragen haben, die Zusammenhänge bei der Stimmgebung besser zu verstehen.

Methoden

Die vorgestellten Modelle decken ein breites Gebiet von numerisch relativ einfachen bis mathematisch hoch komplexen Modellen ab. Experimentelle Modelle basieren z. B. auf schwingenden Silikonstimmlippen oder sind nur statischer Natur. Kadaverkehlkopfmodelle zeichnen sich durch ihre Realitätsnähe aus.

Ergebnisse

Es wird ein Überblick über Modellarten der Stimmgebungssimulation gegeben, um aufzuzeigen, welche Methoden zur Simulation der Stimmgebung existieren, ohne aber auf die komplexen zu Grunde liegenden mathematischen oder physikalischen Sachverhalte im Detail einzugehen.

Schlussfolgerung

Die numerische oder experimentelle Modellierung des Stimmgebungsprozesses ermöglicht die Aufdeckung von Kausalitäten, die zukünftig genutzt werden können, um sowohl konservative als auch operative Behandlungsmethoden zu adaptieren oder neue Methoden zu entwickeln.
Literatur
1.
Zurück zum Zitat Alipour F, Brücker C, Cook DD, Gömmel A, Kaltenbacher M, Mattheus W, Mongeau L, Naumann E, Schwarze R, Tokuda I, Zörner S (2011) Mathematical Models and Numerical Schemes for the Simulation of Human Phonation. Curr Bioinform 6:323–343CrossRef Alipour F, Brücker C, Cook DD, Gömmel A, Kaltenbacher M, Mattheus W, Mongeau L, Naumann E, Schwarze R, Tokuda I, Zörner S (2011) Mathematical Models and Numerical Schemes for the Simulation of Human Phonation. Curr Bioinform 6:323–343CrossRef
2.
Zurück zum Zitat Becker S, Kniesburges S, Müller S, Delgado A, Link G, Kaltenbacher M, Döllinger M (2009) Flow-structure-acoustic interaction in a human voice model. J Acoust Soc Am 125:1351–1361CrossRefPubMed Becker S, Kniesburges S, Müller S, Delgado A, Link G, Kaltenbacher M, Döllinger M (2009) Flow-structure-acoustic interaction in a human voice model. J Acoust Soc Am 125:1351–1361CrossRefPubMed
3.
Zurück zum Zitat Cheetri DK, Neubauer J, Sofer E, Berry DA (2014) Influence and interactions of laryngeal adductors and cricothyroid muscles on fundamental frequency and glottal posture control. J Acoust Soc Am 135:2052–2064CrossRef Cheetri DK, Neubauer J, Sofer E, Berry DA (2014) Influence and interactions of laryngeal adductors and cricothyroid muscles on fundamental frequency and glottal posture control. J Acoust Soc Am 135:2052–2064CrossRef
4.
Zurück zum Zitat Döllinger M (2009) The next Step in voice assessment: High-Speed digital endoscopy and objective evaluation. Curr Bioinform 4:101–111CrossRef Döllinger M (2009) The next Step in voice assessment: High-Speed digital endoscopy and objective evaluation. Curr Bioinform 4:101–111CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Döllinger M, Kobler J, Berry DA, Mehta DD, Luegmair G, Bohr C (2011) Experiments on Analysing voice production: excised (human, animal) and in vivo (animal) approaches. Curr Bioinform 6:286–304PubMedCentralCrossRefPubMed Döllinger M, Kobler J, Berry DA, Mehta DD, Luegmair G, Bohr C (2011) Experiments on Analysing voice production: excised (human, animal) and in vivo (animal) approaches. Curr Bioinform 6:286–304PubMedCentralCrossRefPubMed
6.
Zurück zum Zitat Döllinger M, Berry DA, Luegmair G, Hüttner B, Bohr C (2012) Effects of the epilarynx area on vocal fold dynamics and the primary voice signal. J Voice 26:285–292PubMedCentralCrossRefPubMed Döllinger M, Berry DA, Luegmair G, Hüttner B, Bohr C (2012) Effects of the epilarynx area on vocal fold dynamics and the primary voice signal. J Voice 26:285–292PubMedCentralCrossRefPubMed
7.
Zurück zum Zitat Döllinger M, Gröhn F, Berry DA, Eysholdt U, Luegmair G (2014) Preliminary results on the influence of engineered artificial mucus layer on phonation. J Speech Lang Hear Res 57:637–647CrossRef Döllinger M, Gröhn F, Berry DA, Eysholdt U, Luegmair G (2014) Preliminary results on the influence of engineered artificial mucus layer on phonation. J Speech Lang Hear Res 57:637–647CrossRef
8.
Zurück zum Zitat Echternach M, Sundberg J, Baumann T, Markl M, Richter B (2011) Vocal tract area functions and formant frequencies in opera tenors’ modal and falsetto registers. J Acoust Soc Am 129:3955–3963CrossRefPubMed Echternach M, Sundberg J, Baumann T, Markl M, Richter B (2011) Vocal tract area functions and formant frequencies in opera tenors’ modal and falsetto registers. J Acoust Soc Am 129:3955–3963CrossRefPubMed
9.
Zurück zum Zitat Echternach M, Traser L, Richter B (2011) Pathophysiologische Betrachtungen zur Dysphonie durch Erkrankung im Bereich des Vokaltraktes bei reizlosen Stimmlippen. Sprache Stimme Gehör 35:e139–143CrossRef Echternach M, Traser L, Richter B (2011) Pathophysiologische Betrachtungen zur Dysphonie durch Erkrankung im Bereich des Vokaltraktes bei reizlosen Stimmlippen. Sprache Stimme Gehör 35:e139–143CrossRef
10.
Zurück zum Zitat Echternach M, Popeil L, Traser L, Wienhausen S, Richter B (2014) Vocal tract shapes in different singing functions used in musical theater singing-a pilot study. J Voice 28(653):e1–653.e7 Echternach M, Popeil L, Traser L, Wienhausen S, Richter B (2014) Vocal tract shapes in different singing functions used in musical theater singing-a pilot study. J Voice 28(653):e1–653.e7
11.
Zurück zum Zitat Echternach M, Birkholz P, Traser L, Flügge T, Kamberger R, Burk F, Burdumy M, Richter B (2015) Articulation and vocal tract acoustics at soprano’s high fundamental frequencies. J Acoust Soc Am 137:2586–2595CrossRefPubMed Echternach M, Birkholz P, Traser L, Flügge T, Kamberger R, Burk F, Burdumy M, Richter B (2015) Articulation and vocal tract acoustics at soprano’s high fundamental frequencies. J Acoust Soc Am 137:2586–2595CrossRefPubMed
12.
13.
Zurück zum Zitat Fant G (1960) Acoustic Theory of Speech Production. Mouton & Co. N.V., Publishers, The Hague, S 1–310 Fant G (1960) Acoustic Theory of Speech Production. Mouton & Co. N.V., Publishers, The Hague, S 1–310
14.
Zurück zum Zitat Flanagan JL, Ishizaka K (1978) Computer model to characterize the air volume displaced by the vibrating vocal cords. J Acoust Soc Am 63:1559–1565CrossRefPubMed Flanagan JL, Ishizaka K (1978) Computer model to characterize the air volume displaced by the vibrating vocal cords. J Acoust Soc Am 63:1559–1565CrossRefPubMed
15.
Zurück zum Zitat Fleischer M, Pinkert S, Mattheus W, Mainka A, Murbe D (2015) Formant frequencies and bandwidths of the vocal tract transfer function are affected by the mechanical impedance of the vocal tract wall. Biomech Model Mechanobiol 14:719–733PubMedCentralCrossRefPubMed Fleischer M, Pinkert S, Mattheus W, Mainka A, Murbe D (2015) Formant frequencies and bandwidths of the vocal tract transfer function are affected by the mechanical impedance of the vocal tract wall. Biomech Model Mechanobiol 14:719–733PubMedCentralCrossRefPubMed
16.
Zurück zum Zitat George NA, de Mul FF, Qiu Q, Rakhorst G, Schutte HK (2008) New laryngoscope for quantitative high-speed imaging of human vocal folds vibration in the horizontal and vertical direction. J Biomed Opt 13:064024CrossRefPubMed George NA, de Mul FF, Qiu Q, Rakhorst G, Schutte HK (2008) New laryngoscope for quantitative high-speed imaging of human vocal folds vibration in the horizontal and vertical direction. J Biomed Opt 13:064024CrossRefPubMed
17.
Zurück zum Zitat Havel M, Hofmann G, Mürbe D, Sundberg J (2014) Contribution of paranasal sinuses to the acoustic properties of the nasal tract. Folia Phoniatr Logop 66:109–114CrossRefPubMed Havel M, Hofmann G, Mürbe D, Sundberg J (2014) Contribution of paranasal sinuses to the acoustic properties of the nasal tract. Folia Phoniatr Logop 66:109–114CrossRefPubMed
18.
Zurück zum Zitat Kirmse C, Triep M, Brücker C, Döllinger M, Stingl M (2010) Experimental flow study of modeled regular and irregular glottal closure types. Logop Phoniatr Vocol 35:45–50CrossRef Kirmse C, Triep M, Brücker C, Döllinger M, Stingl M (2010) Experimental flow study of modeled regular and irregular glottal closure types. Logop Phoniatr Vocol 35:45–50CrossRef
19.
Zurück zum Zitat Kniesburges S, Thomson SL, Barney A, Triep M, Sidlof P, Horacek J, Brücker C, Becker S (2011) In vitro experimental investigation of voice production. Curr Bioinform 6:305–322PubMedCentralCrossRefPubMed Kniesburges S, Thomson SL, Barney A, Triep M, Sidlof P, Horacek J, Brücker C, Becker S (2011) In vitro experimental investigation of voice production. Curr Bioinform 6:305–322PubMedCentralCrossRefPubMed
20.
Zurück zum Zitat Kniesburges S, Hesselmann C, Becker S, Schlücker E, Döllinger M (2013) Influence of vortical flow structures on the glottal jet location in the supraglottal region. J Voice 27:531–544CrossRefPubMed Kniesburges S, Hesselmann C, Becker S, Schlücker E, Döllinger M (2013) Influence of vortical flow structures on the glottal jet location in the supraglottal region. J Voice 27:531–544CrossRefPubMed
21.
Zurück zum Zitat Kniesburges S (2014) Fluid-Structure-Acoustic Interaction during Phonation in a Synthetic Larynx Model. Shaker, Herzogenrath (Kapitel 3 & Kapitel 5) Kniesburges S (2014) Fluid-Structure-Acoustic Interaction during Phonation in a Synthetic Larynx Model. Shaker, Herzogenrath (Kapitel 3 & Kapitel 5)
22.
Zurück zum Zitat Kob M, Henrich N, Herzel HP, Howard D, Tokuda I, Wolfe J (2011) Analysing and Understanding the Singing Voice: Recent Progress and Open Questions. Curr Bioinform 6:362–374CrossRef Kob M, Henrich N, Herzel HP, Howard D, Tokuda I, Wolfe J (2011) Analysing and Understanding the Singing Voice: Recent Progress and Open Questions. Curr Bioinform 6:362–374CrossRef
23.
Zurück zum Zitat Link G, Kaltenbacher M, Breuer M, Döllinger M (2009) A 2D finite-element scheme for fluid-solid-acoustic interactions and its application to human Phonation. Comput Methods Appl M 198(41–44):3321–3334CrossRef Link G, Kaltenbacher M, Breuer M, Döllinger M (2009) A 2D finite-element scheme for fluid-solid-acoustic interactions and its application to human Phonation. Comput Methods Appl M 198(41–44):3321–3334CrossRef
24.
Zurück zum Zitat Luegmair G, Kniesburges S, Zimmermann M, Sutor A, Eysholdt U, Döllinger M (2010) Optical reconstruction of high-speed surface dynamics in an uncontrollable environment. IEEE Trans Med Imaging 29:1979–1991CrossRefPubMed Luegmair G, Kniesburges S, Zimmermann M, Sutor A, Eysholdt U, Döllinger M (2010) Optical reconstruction of high-speed surface dynamics in an uncontrollable environment. IEEE Trans Med Imaging 29:1979–1991CrossRefPubMed
25.
Zurück zum Zitat Luegmair G, Mehta DD, Kobler J, Döllinger M (2015) Three-dimensional optical reconstruction of vocal fold kinematics using high-speed videomicroscopy with a laser projection system. IEEE Trans Med Imaging 34(12):2572–2582PubMedCentralCrossRefPubMed Luegmair G, Mehta DD, Kobler J, Döllinger M (2015) Three-dimensional optical reconstruction of vocal fold kinematics using high-speed videomicroscopy with a laser projection system. IEEE Trans Med Imaging 34(12):2572–2582PubMedCentralCrossRefPubMed
26.
Zurück zum Zitat Mattheus W, Brücker C (2010) Asymmetric glottal jet deflection: differences of two- and three-dimensional models. J Acoust Soc Am 130:EL373–EL379 Mattheus W, Brücker C (2010) Asymmetric glottal jet deflection: differences of two- and three-dimensional models. J Acoust Soc Am 130:EL373–EL379
27.
Zurück zum Zitat Schmidt B, Stingl M, Leugering G, Berry DA, Döllinger M (2011) Material Parameter Computation for multi-layered Vocal Fold Models. J Acoust Soc Am 129:2168–2180PubMedCentralCrossRefPubMed Schmidt B, Stingl M, Leugering G, Berry DA, Döllinger M (2011) Material Parameter Computation for multi-layered Vocal Fold Models. J Acoust Soc Am 129:2168–2180PubMedCentralCrossRefPubMed
28.
Zurück zum Zitat Sidlof S, Zörner S, Hüppe A (2014) A hybrid approach to computational aeroacoustics of human voice production. Biomech Model Mechanobiol 14(3):473–488CrossRefPubMed Sidlof S, Zörner S, Hüppe A (2014) A hybrid approach to computational aeroacoustics of human voice production. Biomech Model Mechanobiol 14(3):473–488CrossRefPubMed
29.
Zurück zum Zitat Svancara P, Horacek J, Vokral J, Cerny L (2006) Computational modelling of effect of tonsillectomy on voice production. Logop Phoniatr Vocol 31:117–125CrossRef Svancara P, Horacek J, Vokral J, Cerny L (2006) Computational modelling of effect of tonsillectomy on voice production. Logop Phoniatr Vocol 31:117–125CrossRef
30.
Zurück zum Zitat Tokuda IT, Zemke M, Kob M, Herzel HP (2010) Biomechanical modeling of register transitions and the role of vocal tract resonators. J Acoust Soc Am 127:1528–1536CrossRefPubMed Tokuda IT, Zemke M, Kob M, Herzel HP (2010) Biomechanical modeling of register transitions and the role of vocal tract resonators. J Acoust Soc Am 127:1528–1536CrossRefPubMed
31.
Zurück zum Zitat Weiß S, Thomson SL, Lerch R, Döllinger M, Sutor A (2013) Pipette aspiration applied to the characterization of nonhomogeneous, transversely isotropic materials used for vocal fold modeling. J Mech Behav Biomed 17:137–151CrossRef Weiß S, Thomson SL, Lerch R, Döllinger M, Sutor A (2013) Pipette aspiration applied to the characterization of nonhomogeneous, transversely isotropic materials used for vocal fold modeling. J Mech Behav Biomed 17:137–151CrossRef
32.
Zurück zum Zitat Woo P (2014) Objective measures of laryngeal imaging: what have we learned since Dr. Paul Moore. J Voice 28:69–81CrossRefPubMed Woo P (2014) Objective measures of laryngeal imaging: what have we learned since Dr. Paul Moore. J Voice 28:69–81CrossRefPubMed
33.
Zurück zum Zitat Wurzbacher T, Döllinger M, Schwarz R, Hoppe U, Eysholdt U, Lohscheller J (2008) Spatio-temporal classification of vocal fold dynamics by a multi mass model comprising time-dependent parameters. J Acoust Soc Am 123:2324–2334CrossRefPubMed Wurzbacher T, Döllinger M, Schwarz R, Hoppe U, Eysholdt U, Lohscheller J (2008) Spatio-temporal classification of vocal fold dynamics by a multi mass model comprising time-dependent parameters. J Acoust Soc Am 123:2324–2334CrossRefPubMed
34.
Zurück zum Zitat Xue Q, Mittal R, Zheng X, Bielamowicz S (2010) A computational study of the effect of vocal-fold asymmetry on phonation. J Acoust Soc Am 128:818–827PubMedCentralCrossRefPubMed Xue Q, Mittal R, Zheng X, Bielamowicz S (2010) A computational study of the effect of vocal-fold asymmetry on phonation. J Acoust Soc Am 128:818–827PubMedCentralCrossRefPubMed
35.
Zurück zum Zitat Yang A, Lohscheller J, Berry DA, Becker S, Eysholdt U, Voigt D, Döllinger M (2010) Biomechanical modeling of the three-dimensional aspects of human vocal fold dynamics. J Acoust Soc Am 127(2):1014–1031PubMedCentralCrossRefPubMed Yang A, Lohscheller J, Berry DA, Becker S, Eysholdt U, Voigt D, Döllinger M (2010) Biomechanical modeling of the three-dimensional aspects of human vocal fold dynamics. J Acoust Soc Am 127(2):1014–1031PubMedCentralCrossRefPubMed
36.
Zurück zum Zitat Zanartu M, Mehta DD, Ho JC, Wodicka GR, Hillman RE (2011) Observation and analysis of in vivo vocal fold tissue instabilities produced by nonlinear source-filter coupling: a case study. J Acoust Soc Am 129:326–339PubMedCentralCrossRefPubMed Zanartu M, Mehta DD, Ho JC, Wodicka GR, Hillman RE (2011) Observation and analysis of in vivo vocal fold tissue instabilities produced by nonlinear source-filter coupling: a case study. J Acoust Soc Am 129:326–339PubMedCentralCrossRefPubMed
37.
Zurück zum Zitat Zörner S, Kaltenbacher M, Döllinger M (2013) Investigation of prescribed movement in fluid-structure interaction simulation for the human phonation process. Comput Fluids 86:133–140PubMedCentralCrossRefPubMed Zörner S, Kaltenbacher M, Döllinger M (2013) Investigation of prescribed movement in fluid-structure interaction simulation for the human phonation process. Comput Fluids 86:133–140PubMedCentralCrossRefPubMed
38.
Zurück zum Zitat Zörner S (2013) Numerical simulation method for a precise calculation of the human phonation under realistic conditions. TU Wien – Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften, Dissertation: 1–131 Zörner S (2013) Numerical simulation method for a precise calculation of the human phonation under realistic conditions. TU Wien – Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften, Dissertation: 1–131
Metadaten
Titel
Aktuelle Methoden zur Modellierung des Stimmgebungsprozesses
verfasst von
Prof. Dr.-Ing. M. Döllinger
S. Kniesburges
M. Kaltenbacher
M. Echternach
Publikationsdatum
01.02.2016
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Schlagwörter
Ultraschall
Ultraschall
Erschienen in
HNO / Ausgabe 2/2016
Print ISSN: 0017-6192
Elektronische ISSN: 1433-0458
DOI
https://doi.org/10.1007/s00106-015-0110-x

Weitere Artikel der Ausgabe 2/2016

HNO 2/2016 Zur Ausgabe

Akuter Schwindel: Wann lohnt sich eine MRT?

28.04.2024 Schwindel Nachrichten

Akuter Schwindel stellt oft eine diagnostische Herausforderung dar. Wie nützlich dabei eine MRT ist, hat eine Studie aus Finnland untersucht. Immerhin einer von sechs Patienten wurde mit akutem ischämischem Schlaganfall diagnostiziert.

Bei schweren Reaktionen auf Insektenstiche empfiehlt sich eine spezifische Immuntherapie

Insektenstiche sind bei Erwachsenen die häufigsten Auslöser einer Anaphylaxie. Einen wirksamen Schutz vor schweren anaphylaktischen Reaktionen bietet die allergenspezifische Immuntherapie. Jedoch kommt sie noch viel zu selten zum Einsatz.

HNO-Op. auch mit über 90?

16.04.2024 HNO-Chirurgie Nachrichten

Mit Blick auf das Risiko für Komplikationen nach elektiven Eingriffen im HNO-Bereich scheint das Alter der Patienten kein ausschlaggebender Faktor zu sein. Entscheidend ist offenbar, wie fit die Betroffenen tatsächlich sind.

Intrakapsuläre Tonsillektomie gewinnt an Boden

16.04.2024 Tonsillektomie Nachrichten

Gegenüber der vollständigen Entfernung der Gaumenmandeln hat die intrakapsuläre Tonsillektomie einige Vorteile, wie HNO-Fachleute aus den USA hervorheben. Sie haben die aktuelle Literatur zu dem Verfahren gesichtet.

Update HNO

Bestellen Sie unseren Fach-Newsletter und bleiben Sie gut informiert – ganz bequem per eMail.