CN102680076A

CN102680076A - 一种模拟人体声带振动装置及其实现方法

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Publication number: CN102680076A
Application number: CN2011104483144A
Authority: CN
Inventors: 陈东帆; 陈维涛; 高祥; 韩兴乾; 严舒
Original assignee: East China Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: East China Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN102680076B

Abstract

本发明公开了一种模拟人体声带振动装置，包括声带模型通道、声带模型、频率转换装置、真空泵、气体测量系统、振动测量系统、粒子图像测速系统、数据采集卡、计算机；频率转换装置与真空泵连接，真空泵设置在声带模型通道的一端；气体测量系统与振动测量系统设置在声带模型通道上，输出端均与数据采集卡连接；数据采集卡与计算机连接。本发明设计了一种运用物理模型来模拟人体声带振动的方法，采用了弹簧-质量块-阻尼模型理论，来模拟仿真声带并引入了粒子图像测速装置，为研究建立声带与发声参数的关系提供支持。本发明方法能够为不同发声和不同病变条件下的声带振动特性等医学研究提供支持。

Description

一种模拟人体声带振动装置及其实现方法

技术领域

本发明属于物理模型仿生领域，特别设计一种模拟人体声带振动装置的实现方法。

背景技术

人体的声带很难侵入，声带发声的整个过程不能被生动地测量。现有技术中采用直接测量离体的人类或动物喉部的方法，该方法可以在实验条件下实现理想的测量，但是也存在着很多局限性，如实验装置复杂，测量的不可再现性以及伦理问题。因此，人们经常会使用容易控制参数的物理模型来进行试验，如果物理模型能够反映真实声带的一些特性，那么这些参数就能够帮助人类理解发声的一些基本的物理过程。

在1968年，弗拉尼根和兰德格拉夫提出了一质量块模型，它是一个简单的对称的一质量块模型。石坂（Ishizaka）和弗拉尼根（Flanagan）在1972年提出了二质量模型。Story 和Titze通过生理研究改进了质量块模型。

粒子图像测速仪（PIV）利用激光成像技术瞬时测量流场中多点的速度值，测量流场中一个面（激光片光源照亮平面内）内的速度场(二维或三维速度)。传统的流速测量仪器，如通常采用的多普勒流速仪，只能进行单点测量，而且是接触式测量，无法对整个区域内的二维流场进行无扰动测量。当流场内部的流速变化较大，且有涡存在时，传统的仪器很难实现流速的准确测量。随着计算机技术与图像处理技术的快速发展，流场测试技术得以迅速发展与提高。粒子图像测速技术克服以往流场测试中单点测量的局限性，能够进行平面二维流场的测试，是一种最新的一种无扰动流场测量技术。

本发明克服了现有技术中人体声带测量系统复杂，且无法多点、无接触式、可再现性地测量，以及测量干扰大的缺陷，提出了一种模拟人体声带振动装置及其实现方法。本发明设计了一种运用物理模型来模拟人体声带振动的方法，采用了弹簧-质量块-阻尼模型理论仿真声带结构，并引入了粒子图像测速装置，为以后研究建立声带与发声参数的关系提供支持，同时，本发明能够为不同发声和不同病变条件下的声带振动特性等医学研究提供支持。

发明内容

本发明提出了一种模拟人体声带振动装置，包括：声带模型通道、声带模型、频率转换装置、真空泵、气体测量系统、振动测量系统、粒子图像测速系统、数据采集卡、计算机；

所述声带模型设置在所述声带模型通道上，用来模拟人体声带的振动并且触发所述粒子图像测速系统工作；

所述频率转换装置与所述真空泵连接，所述真空泵设置在所述声带模型通道的一端；

所述气体测量系统与振动测量系统设置在所述声带模型通道上，所述气体测量系统与振动测量系统的输出端均与所述数据采集卡连接；

所述粒子图像测速系统设置在所述声带模型周围，用来测试所述声带模型振动时的流速场；

所述数据采集卡与所述计算机连接。

其中，所述声带模拟通道包括圆形通道与方形通道；所述圆形通道通过光滑的曲面过渡到所述方形通道；所述圆形通道的一端与所述真空泵连接。

其中，所述圆形通道的长度为2600mm，直径为180mm；所述方形通道的长度为440mm，横截面宽度为100mm，高为40mm。

其中，所述气体测量系统包括超声波气体流量计、压力传感器、信号放大器；所述超声波气体流量计设置在所述声带模型通道上；所述压力传感器设置在所述声带模型通道上，所述压力传感器的输出端与所述信号放大器连接，所述信号放大器与所述数据采集卡连接。

其中，所述振动测量系统包括：

加速度传感器；信号放大器；麦克风；脉冲发生器；铜弹簧片；

所述加速度传感器通过所述同弹簧片与所述声带模型连接，所述加速度传感器的输出端与所述信号放大器连接，所述信号放大器的输出端与所述数据采集卡连接，同时与所述脉冲发生器连接；

所述脉冲发生器的输出端与所述粒子图像测速系统连接；

所述麦克风沿气体流动方向设置在所述声带模型通道内所述声带模型的后方，所述麦克风设置在所述声带模型通道的另一端，所述麦克风的输出端与所述信号放大器连接，

所述信号放大器的输出端与所述数据采集卡连接。

其中，所述粒子图像测速系统包括：

粒子图像测速激光器、粒子图像测速照相机、粒子图像测速控制器，

所述粒子图像测速控制器的输入端与所述振动测量系统连接，所述粒子图像测速控制器的输出端与所述粒子图像测速激光器，及所述粒子图像测速照相机连接；

所述粒子图像测速激光器分别设置在所述声带模型的正上方；

所述粒子图像测速照相机设置在所述声带模型的的同一水平面上并且正对声带模型（22）的一侧。

其中，所述声带模型的外形形状及尺寸为：

其中，R₀表示声带模型入口过渡到拐角的距离；T表示声带模型入口到声带模型最大外展距离；Ψ表示声门角。

其中，所述声带模型中设置有多个弹簧结构；所述弹簧结构包括质量块、弹簧、阻尼模型，所述质量块通过所述弹簧与阻尼模型设置在所述声带模型通道上。

其中，所述弹簧为悬梁臂弹簧片，所述悬梁臂弹簧片弯曲度为：

所述悬梁臂弹簧片的扭转刚度为：

其中，l代表悬梁臂弹簧片的长度，w代表悬梁臂弹簧片的宽度，t代表悬梁臂弹簧片的厚度，代表悬梁臂弹簧片弯曲度，

代表悬梁臂弹簧片的扭转刚度，E代表杨氏弹性模量，G代表剪切模量，u代表泊松比。

本发明还提出一种模拟人体声带振动装置的实现方法，包括以下步骤：

步骤一：调节所述频率转换装置，控制所述真空泵向所述声带模型通道内输送气体；

步骤二：所述超声波气体流量计与压力传感器测量所述气体的流量及压力，并传输给所述数据采集卡后发送至所述计算机进行处理；

步骤三：所述加速度传感器测量所述声带模型的振动情况，产生的振动加速度信号经过脉冲信号发生器整形成方波后，驱动所述粒子图像测速控制器；所述麦克风获得振动的声音数据，并传输给所述数据采集卡后发送至所述计算机进行处理，

步骤四：所述粒子图像测速控制器控制所述粒子图像测速照相机进行拍照，并通过所述数据采集卡将数据发送至所述计算机进行处理。

本发明设计了一种运用物理模型来模拟人体声带振动的方法，采用了弹簧-质量块-阻尼模型理论仿真声带结构，并引入了粒子图像测速装置，为模拟人体声带并测量数据带来了方便。

附图说明

图1为本发明模拟人体声带振动装置的结构及连线示意图。

图2为本发明模拟人体声带振动装置的质量块理论模型示意图。其中，图2（a）是实际的声带振动时的外形，图2（b）是模拟声带振动的声带质量块模型。

图3为本发明模拟人体声带振动装置的声带模型的外形几何形状示意图。

图4为本发明模拟人体声带振动装置的声带模型的安装及固定模型示意图。

图5为本发明模拟人体声带振动装置的单元组成方框示意图。

图6为本发明模拟人体声带振动装置的整体结构建模示意图。

图7为本发明模拟人体声带振动装置的声带模型通道及其装配尺寸示意图。

具体实施方式

如图1-7所示，1-真空泵，2-频率转换装置，3-超声波流量计，4-压力传感器，5-信号放大器，6-加速度传感器，7-加速度传感器，8-信号放大器，9-麦克风，10-麦克风，11-信号放大器，12-粒子图像测速激光器,13-粒子图像测速激光器，14-粒子图像测速照相机，15-粒子图像测速控制器，16-脉冲发生器，17-数据采集卡，18-计算机，19-粒子图像测速照相机，20-水压计，21-声带模型通道，22-声带模型，23-铜弹簧片，24-质量块，25-弹簧，26-阻尼模型。

如图1、图6所示，本发明一种模拟人体声带振动装置，包括：声带模型通道21、声带模型22、频率转换装置2、真空泵1、气体测量系统、振动测量系统、粒子图像测速系统、数据采集卡17、计算机18。

声带模型22设置在声带模型通道21上，用来模拟人体声带的振动并且触发粒子图像测速系统工作。

频率转换装置2与真空泵1连接，真空泵1设置在声带模型通道21的一端。

气体测量系统与振动测量系统设置在声带模型通道21上，气体测量系统与振动测量系统的输出端均与数据采集卡17连接。

粒子图像测速系统设置在声带模型22的周围，例如设置在与声带模拟通道21方形通道垂直的同一平面内，用来测试声带模型22振动时的流速场。

数据采集卡17与计算机18连接。

水压计20安装在声带模型22的上端和下端，通过水柱高度来判断压力差，起到保护作用。

声带模拟通道21包括圆形通道与方形通道；圆形通道通过光滑的曲面过渡到方形通道；圆形通道的一端与真空泵1连接。

如图7所示，圆形通道的长度27为2600mm米，直径28为180mm；方形通道的长度29为440mm，横截面宽度30为100mm，高31为40mm。

气体测量系统包括超声波气体流量计3、压力传感器4、信号放大器5；超声波气体流量计3设置在声带模型通道21上；压力传感器4设置在声带模型通道21上，压力传感器4的输出端与信号放大器5连接，信号放大器5与数据采集卡17连接。

振动测量系统包括：

加速度传感器6、7；信号放大器8、11；麦克风9、10；脉冲发生器16；铜弹簧片23。

加速度传感器6、7通过铜弹簧片23与声带模型22连接，加速度传感器6、7的输出端与信号放大器8连接，信号放大器8的输出端与数据采集卡17连接，同时与脉冲发生器16连接。

脉冲发生器16的输出端与粒子图像测速系统连接。

麦克风9沿气体流动方向设置在声带模型通道21内声带模型22的后方，麦克风10设置在声带模型通道21的另一端，麦克风9、10的输出端与信号放大器11连接。

信号放大器11的输出端与数据采集卡17连接。

粒子图像测速系统包括：

粒子图像测速激光器12、13、粒子图像测速照相机14、19、粒子图像测速控制器15。

粒子图像测速控制器15的输入端与振动测量系统连接，粒子图像测速控制器15的输出端与粒子图像测速激光器12、13，及粒子图像测速照相机14、19连接。

粒子图像测速激光器12、13分别设置在声带模型22的的正上方。

粒子图像测速照相机14、19设置在声带模型22的同一水平面上并且正对声带模型22的一侧。

所述粒子图像测速系统设置在声带模型的正上方，用来测试声带模型振动时的流速场；

声带模型22采用由弗拉尼根（Flanagan）和兰德格拉夫（Landgraf）提出来的弹簧-质量块-阻尼模型。在这个模型中，质量块象征着声带的长度，表面积以及质量。弹簧和阻尼象征着声带组织的弹性和粘性。该系统受一个力F（t）作用，这个力是由于声门上的空气压力P（s）作用在声带内表面产生的。声带的一质量块模型如图2所示。

这个模型的方程是：

式（III）中，X（t）代表质量块的位移，M代表质量块的质量，K代表弹性系数，B代表阻尼系数。

声带在声门出口和入口的形状是由声门角的半径决定的，声带出口与入口的半径通过直线连接起来的，声带外形几何形状及尺寸如图3所示：

其中，R₀，T，Ψ均由1:4正常的喉模型直接测量得到。R₀表示声带模型入口过渡到拐角的距离；T表示声带模型入口到声带模型最大外展距离；Ψ表示声门角。

理想情况下就是建立一个1:1的声带物理模型，但是声音的宽度是16mm，长9mm，深5mm都非常小，1:1模型固定在检测装置上会非常困难；另外双闪光的粒子图像测速激光系统的最大重复频率是20Hz，另外为了更好的设计一套系统的固有频率≤20Hz，这也就意味着要增加质量/刚度比；同时为了使粒子图像测速照相机14、19获取大而清晰的图像，总结以上因素，应该设计一个2～5倍的声带物理模型来代替真实的声带模型。本发明选择4:1比例来设计声带物理模型。物理模型的自然频率取决于两个之比：

式（IV）中，m代表质量，k_b代表支撑弹簧片的刚度。为了使模型的频率小于20Hz，需要低刚度的弹簧片。为了使模型具有适当的功能，扭转刚度k_t需要尽可能的大一些，因此设计了四个细长的悬臂梁弹簧片，其中，弹簧25为悬梁臂弹簧片如下描述：

式（II）中，l代表悬梁臂弹簧片的长度，w代表悬梁臂弹簧片的宽度，t代表悬梁臂弹簧片的厚度，

代表悬梁臂弹簧片弯曲度，

使用以上公式以及限制条件f≤20Hz，k_t>>kb。本事实例中，计算得出长度l_s ≈80mm，宽度w_s≈10mm，厚度t_s≈0.5mm。悬臂梁弹簧片是有黄铜合金制成，黄铜合金相对于钢具有低的弹性模量，将声带模型22安装在方形通道中。声带模型的安装及固定模型如图4所示。

本实施例模拟人体声带振动装置具体设备选型为：

真空泵1：科虞9-19（5A）高压离心风机（转速：2900rpm；风量2737m3/h；全压5080Pa；功率：7.5kW）。

频率转换装置2：英威腾（CHV100-045G-4）变频器（380V，0～400Hz）。

超声波流量计3：GC868夹装式超声波气体流量计，（精度±1%～±2%）。

压力传感器4：科莱特动态压力传感器（最大测量压力3.5MPa；分辨率：无限小）。

信号放大器5：Validyne CD23载波解调（输出：模拟±10 Vdc @ 10 mA）。

加速度传感器6、7：MCACC11单轴加速度传感器（分辨率10^-5g）。

信号放大器8、11：AD8557: 数字式可编程传感器信号放大器（增益范围：28～1300）。

麦克风9：G.R.A.S.（40DD）1/8"压力场传声器（灵敏度：0.7mv/Pa）。

麦克风10：G.R.A.S.（40AC）1/2"自由场传声器（灵敏度：12.5mv/Pa）。

粒子图像测速激光器12、13：美国NewWave双钕:钇铝石榴石激光器（200毫焦/脉冲,频率15Hz,工作电压220 V）。

粒子图像测速照相机14、19：PowerView™ Plus 4MP 2K X 2K 像素自/互相关数字CCD相机（高信噪比，12位输出, 15帧/秒）。

粒子图像测速控制器15：LaserPulse™ 计算机控制同步器（对两个激光器的氙灯和Q开关的TTL电平触发,对相机和接口板的触发信号,接收外部TTL触发电平控制以进行相位锁定测量）。

脉冲发生器16：飞利浦 PM5715脉冲信号发生器（频率范围1Hz～50MHz；上升/下降时间：6ns～500ms变量；幅度范围：0.2V～10V；直流偏移量：-2.5V～+2.5V）。

数据采集卡17：优采测控UA307 型 A/D 数据采集卡（分辩率:16bit；16或32模入通道；实用最高采样频率:500ΚΗz(数据量200KB以内)，400KHz(连续采集存盘)）。

计算机18：DELL计算机，软件NI LabView v8.6版本。

水压计20：KIMO LU系列垂直式液柱差压计（最大静压：0.6MPa；精度：0.5mm水柱（5Pa））。

声带模型通道如图7所示，声带模型22安装在一个有机玻璃做成的声带模型通道21中，本实施例中，为了使通过声带的气流平稳，圆形通道的长度为2200mm。圆形通道的前端连接真空泵1来模拟人发声呼出的气体。输入气体的流量范围7.6L/s~10.7L/s。频率转换装置2连接到鼓风机上来控制鼓风机的送气量。本实施例采用非接触式的超声波气体流量计3来测量气体的流量，能够很好的测量气体的流量而且不影响气流的稳定性。压力传感器4通过螺纹直接安装在声带模型通道21上，这样可以既保证了压力测量的准确性，又保证在测量时声带模型通道的气密性。两个加速度传感器6、7安装在方形铝块23的底部，来检测声带的振动；另外，加速度传感器产生的信号通过一个脉冲发生器（16）整形成方波信号，来触发粒子图像测速激光器12、19。

粒子图像测速系统中，粒子图像测速激光器12、13、粒子图像测速照相机14、19、粒子图像测速控制器15用来检测声门上的流场，另外加速度传感器6、7，压力传感器4、麦克风9、10用来检测和记录声带的振动，将获取的数据通过信号放大器5、8、11后经过数据采集卡传输到计算机18上进行处理。

具体工作流程如图5所示，图中，单线表示信号，虚线表示气流。包括以下步骤：

步骤一、调节频率转换装置2，控制真空泵1向圆形通道内输送气体。

步骤二、超声波气体流量计3与压力传感器4测量气体的流量及压力，传输给数据采集卡17。

步骤三、加速度传感器6、7测量声带模型22的振动情况，麦克风9、10获得振动的声音数据，传输给数据采集卡17，并驱动粒子图像测速控制器15。

步骤四、粒子图像测速控制器15控制粒子图像测速照相机14、19对现场拍照，并通过数据采集卡17将数据发送至计算机18进行处理。

当气流通过声带模型通道21时，气流带动声带模型22上下振动，安装在声带模型22上的加速度传感器6、7会随着声带一起振动，产生加速度信号，同时加速度信号通过脉冲发生器16整形，来触发粒子图像测速控制器15。粒子图像测速控制器15控制粒子图像测速激光器、13和粒子图像测速照相机14、19的快门并获取相应的数据。另外超声波气体流量计3，压力传感器4，麦克风9、10，粒子图像测速系统将采集的数据通过数据采集卡17输入到计算机18上进行处理。计算机将分析得出的结果反馈到频率转换装置2上来控制真空泵1的送气量。

实验平台在随着鼓风机风量的增大，声带模型22由轻微震动到不规则振动阶段，能够获取加速度信号，压力信号，声学信号，以及粒子图像测速系统测得的一系列信号，得到不同的气体流量阶段各种参数的关系：流量与加速度的关系、流量与振动频率的关系、时间与加速度的关系、时间与上声门压力的关系、时间与下声门压力的关系、时间与辐射压力的关系、频率与加速度强度的关系、频率与上声门压力强度的关系、频率与下声门压力强度的关系、频率与辐射压力强度的关系。粒子图像测速得到的流场结果：瞬时速度场、平均速度场。

声带作为语音产生的发声器官，是语音听觉系统最重要的研究对象。本发明设计了模拟人体声带振动装置，为以后研究建立声带与发声参数的关系提供支持；同时，本发明能够为不同发声和不同病变条件下的声带振动特性等医学研究提供支持。

Claims

1.一种模拟人体声带振动装置，其特征在于，包括：声带模型通道（21）、声带模型（22）、频率转换装置（2）、真空泵（1）、气体测量系统、振动测量系统、粒子图像测速系统、数据采集卡（17）、计算机（18）；

所述声带模型（22）设置在所述声带模型通道（21）上，用来模拟人体声带的振动并且触发所述粒子图像测速系统工作；

所述频率转换装置（2）与所述真空泵（1）连接，所述真空泵（1）设置在所述声带模型通道（21）的一端；

所述气体测量系统与振动测量系统设置在所述声带模型通道（21）上，所述气体测量系统与振动测量系统的输出端均与所述数据采集卡（17）连接；

所述粒子图像测速系统设置在所述声带模型（22）周围，用来测试所述声带模型（22）振动时的流速场；

所述数据采集卡（17）与所述计算机（18）连接。

2.如权利要求1所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述声带模拟通道（21）包括圆形通道与方形通道；所述圆形通道通过光滑的曲面过渡到所述方形通道；所述圆形通道的一端与所述真空泵（1）连接。

3.如权利要求2所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述圆形通道的长度为2600mm，直径为180mm；所述方形通道的长度为440mm，横截面宽度为100mm，高为40mm。

4.如权利要求1所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述气体测量系统包括超声波气体流量计（3）、压力传感器（4）、信号放大器（5）；所述超声波气体流量计（3）设置在所述声带模型通道（21）上；所述压力传感器（4）设置在所述声带模型通道（21）上，所述压力传感器（4）的输出端与所述信号放大器（5）连接，所述信号放大器（5）与所述数据采集卡（17）连接。

5.如权利要求1所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述振动测量系统包括：

加速度传感器（6、7）；信号放大器（8、11）；麦克风（9、10）；脉冲发生器（16）；铜弹簧片（23）；

所述加速度传感器（6、7）通过所述铜弹簧片（23）与所述声带模型（22）连接，所述加速度传感器（6、7）的输出端与所述信号放大器（8）连接，所述信号放大器（8）的输出端与所述数据采集卡（17）连接，同时与所述脉冲发生器（16）连接；

所述脉冲发生器（16）的输出端与所述粒子图像测速系统连接；

所述麦克风（9）沿气体流动方向设置在所述声带模型通道（21）内所述声带模型（22）的后方，所述麦克风（10）设置在所述声带模型通道（21）的另一端，所述麦克风（9、10）的输出端与所述信号放大器（11）连接，

所述信号放大器（11）的输出端与所述数据采集卡（17）连接。

6.如权利要求1所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述粒子图像测速系统包括：

粒子图像测速激光器（12、13）、粒子图像测速照相机（14、19）、粒子图像测速控制器（15），

所述粒子图像测速控制器（15）的输入端与所述振动测量系统连接，所述粒子图像测速控制器（15）的输出端与所述粒子图像测速激光器（12、13），及所述粒子图像测速照相机（14、19）连接；

所述粒子图像测速激光器（12、13）分别设置在所述声带模型（22）的正上方；

所述粒子图像测速照相机（14、19）设置在所述声带模型（22）的同一水平面上并且正对声带模型（22）的一侧。

7.如权利要求1所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述声带模型（22）中设置有多个弹簧结构；所述弹簧结构包括质量块（24）、弹簧（25）、阻尼模型（26），所述质量块（24）通过所述弹簧（25）与阻尼模型（26）设置在所述声带模型通道（21）上。

8.如权利要求8所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述弹簧（25）为悬梁臂弹簧片，所述悬梁臂弹簧片弯曲度为：

所述悬梁臂弹簧片的扭转刚度为：

9.如权利要求1-9中所述的一种模拟人体声带振动装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：调节所述频率转换装置（2），控制所述真空泵（1）向所述声带模型通道（21）内输送气体；

步骤二：所述超声波气体流量计（3）与压力传感器（4）测量所述气体的流量及压力，并传输给所述数据采集卡（17）后发送至所述计算机（18）进行处理；

步骤三：所述加速度传感器（6、7）测量所述声带模型（22）的振动情况，产生的振动加速度信号经过脉冲信号发生器整形成方波后，驱动所述粒子图像测速控制器（15）；所述麦克风（9、10）获得振动的声音数据，并传输给所述数据采集卡（17）后发送至所述计算机（18）进行处理，

步骤四：所述粒子图像测速控制器（15）控制所述粒子图像测速照相机（14、19）进行拍照，并通过所述数据采集卡（17）将数据发送至所述计算机（18）进行处理。