A laser-based technique to evaluate sound generation during phonation

Investigating aeroacoustic sound generation in a measurement is challenging since the flow field needs to be highly resolved in the temporal and spatial domain. Thus, complex aeroacoustic phenomena like the mechanisms of the human voice are still not fully captured scientifically. Recent advances in optical technologies have pushed the limits of measurement resolution and accuracy, making aeroacoustic investigations potentially accessible. Therefore, as a first part of this thesis, a measurement technique is implemented that applies a hybrid acoustic PIV (HAcouPIV) approach. State-of-the-art measurement technology is combined with most recent numerical strategies in the field of acoustics. High-speed PIV is applied to determine the flow velocity, and a numerical approach computes the pressure field based on the measurement data. Then, a perturbation approach is applied to separate the sound pressure from the fluid-mechanical pressure fluctuations. In the second part of the thesis, the HAcouPIV technique is employed to investigate the sound-generating mechanisms and its radiation during human phonation. Thereby, for the first time, the acoustic source field is extracted based on a combination of experimental measurements and numerical simulations. A highly modulated source field that reaches into the supraglottal region was found as the most significant sound-generating mechanism of the phonatory process. This was shown for both broadband and harmonic content. The analysis of the vibroacoustic behavior of the vocal fold oscillation based on laser-vibrometry data revealed strong harmonic content in the glottal region of the superior vocal fold surface. Hence, it potentially contributes to a strong fluid-structure-acoustic interaction especially for the harmonic content. In conclusion, the hybrid approach of laser-based measurement techniques and numerical evaluation procedures was successfully applied. It substantiates the fundamental mechanisms that form the basis of sound generation during phonation. These results suggest to focus on the modulation of the glottal jet and its entire spatial expansion as the main component for sound generation during voiced speech. Die Entstehung von aeroakustisch erzeugtem Schall ist messtechnisch nur eingeschränkt zu erfassen, da eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung des gesamten Strömungsfeldes nötig ist. Daher konnten komplexe Schallentstehungsmechanismen - wie bei der menschlichen Stimme - bis jetzt noch nicht vollständig wissenschaftlich erfasst werden. Neue Fortschritte auf dem Gebiet der optischen Technologien hat die Auflösungs- und Genauigkeitsgrenzen in der Messtechnik verschoben, sodass aeroakustische Untersuchungen möglich werden. Auf diesen neuesten Entwicklungen basierend wurde im ersten Teil dieser Arbeit das Verfahren der hybriden Akustik-PIV (HAcouPIV) entwickelt. Aktuellste Messtechnik wird hier mit neuartigen numerischen Verfahren aus dem Gebiet der Akustik kombiniert. Mittels Hochgeschwindigkeits-PIV wird die Strömungsgeschwindigkeit gemessen und mittels eines numerischen Ansatzes daraus das Druckfeld berechnet. Durch einen Störansatz wird dann der Schalldruck von den strömungsmechanischen Druckschwankungen getrennt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird dieser HAcouPIV-Ansatz angewandt, um Schallentstehung und –abstrahlung bei der menschlichen Phonation zu untersuchen. Dabei wird erstmalig das akustische Quellfeld auf Basis eines kombinierten Ansatzes aus experimenteller Messung und numerischer Simulation bestimmt. Ein stark moduliertes Quellfeld, das weit in den supraglottalen Bereich reicht, wurde für normale Phonation festgestellt. Dies wurde sowohl für Breitband-, als auch für harmonische Anteile festgestellt. Die Analyse der vibroakustischen Eigenschaften der Stimmlippenschwingung auf Basis von Laservibrometerdaten offenbarte stark ausgeprägte harmonische Anteile auf der Stimmlippenoberfläche im Bereich der Glottis. Diese haben möglicherweise einen hohen Einfluss auf die Stimmgebung im Rahmen einer Fluid-Struktur-Akustik Interaktion. Ein hybrider Ansatz aus laserbasierten Messmethoden und numerischen Auswerteverfahren wurde in dieser Arbeit erfolgreich entwickelt und angewandt. Grundlegende Mechanismen der Schallentstehung bei der menschlichen Phonation wurden aufgezeigt und neu beleuchtet. Diese Ergebnisse legen die stimmlippeninduzierte Modulation des glottalen Jets und dessen gesamte Ausdehnung als Hauptkomponente im Strömungsfeld für die Schallerzeugung nahe.