2020 Fiscal Year Research-status Report
Analysis on fluid-structure-acoustic interaction of vocal fold vibration and sound generation
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20K14648
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
吉永 司 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50824190)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 声帯 / 空力音 / 人工声帯 / リード / 数値流体解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，声帯音の流体・構造・音響連成解析手法の構築に向けて，リード式人工声帯に焦点を絞り，解析コードの開発及び計算パラメータの調整を行った．リード式人工声帯は，プラスチック樹脂のリード板と空気孔の開いた支持部の間に空気が流れることにより，リードが振動して音を発生する．このリード板の振動を１次元はりの運動方程式を解くことにより予測し，リード周りの気流と音を３次元圧縮性流体のナビエ・ストークス方程式を計算することによりモデル化した．この時，はりへの外力として流体の表面圧力とリード支持部の接触力を計算した．また，実験でもプラスチック樹脂と3Dプリンタにより人工声帯を作製し，無響室内でコンプレッサから空気を流入させることにより音を計測した．計測した音とシミュレーションにより予測した音を比較すると，基音の周波数は一致し，約4000 Hzまでスペクトル形状が合った．この結果より，人工声帯から発声する母音の周波数領域を予測するのに十分な精度であることがわかった．また，流入流量を変化させることにより，基音の周波数が変化する様子も再現することができ，リードの構造振動と気流との相互作用を十分な精度で予測できることがわかった．さらに，人工声帯の後流に円筒で単純化した声道を設置することにより，声道での音の共鳴により母音のフォルマントの発生を再現することができた．これらの解析により，物体が変形・振動する中で気流と音の発生を十分な精度で予測する技術を確立できた．今後は，声帯モデルを２質点モデルなど，より実際の声帯に近い形状に応用し，声帯周りの乱流が声帯の振動様式や音の発生にどのように影響を与えるのかを明らかにしていく．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在，声帯を単純化したリード式人工声帯を対象に，流体・構造・音響連成解析手法を構築している．リード式人工声帯では，声帯ひだの代わりにプラスチック樹脂のリードを，曲率をもった支持部に添わせて振動させることにより，声帯と似た音を発生させることができる．このリード式人工声帯を１次元はりの振動方程式を用いて表現することにより構造振動解析を行い，気流は３次元圧縮性流体のナビエ・ストークス方程式を計算することで，実際に人が発声する呼気流量によりリードが振動し，音が発生する様態を再現することができた．この時，無響室内で計測した音と比較すると，約4000 Hzまで十分な精度で計算できていることが確認できた．また，流量を増減させると，リードの基本周波数は増減し，連成解析を行うことにより得られる結果であることを確認した．さらに，円筒により単純化した声道を付けることにより，声道での音の共鳴を同時に解析し，ヒトの音声と同様に共鳴周波数においてフォルマントのピークが発生することが確認できた．リード支持部を通過する質量流量の時間微分を点音源として算出すると，遠方音の波形とほとんど一致し，リードの開閉による流量変化が主な音波を形成する要因であることが示せた．また，リード閉口時の急激な流量変化により，声帯のような高周波数にわたるブロードな音を発生していることを明らかにした．これらの解析により，声帯の流体・構造・音響連成解析手法を構築する上で基礎的な技術を確立することができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度構築した，リード式人工声帯の解析を応用して，より現実に近い声帯モデルを構築する．１次元はりにより表現していた声帯ひだに関して，声帯の研究でより一般的に用いられている２質点モデルを用いることにより，ひだの振動様式をより実際に近いものとし，その質点モデルからどのように音が発生するのかを，３次元の空力音響解析により明らかにする．これまで２質点モデルでは，１次元の単純な気流モデルにより声帯振動との相互作用について調べられてきた．この点を３次元圧縮性流体の支配方程式に拡張することにより，声帯周りの３次元の気流や乱流が声帯の振動様式にどの程度影響を及ぼすのかを明らかにするとともに，声帯の振動から出る音のより精緻な予測を試みる．また，これまで用いられてきた１次元の気流モデルと比較を行い，１次元でも予測できていた点と，予測できていなかった点を整理し，１次元の計算コストの低いモデルでもより精緻に予測可能な新たなモデルを提案する．さらに，２質点モデルの計算が可能となった後は，２次元及び３次元の有限要素モデルを構築し，より高次の声帯振動モードと気流との相互作用を解析する．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は，コロナウイルス禍において，全ての学会や研究打合せがリモートのオンライン会議となり，旅費を使用しなかったためである．次年度では，この残額を大規模計算機の計算資源や実験材料に用いて，出張が無くなった分の時間を有効に利用し，これまでの計画以上に研究を進めていく予定である．
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