使用双向流固耦合分析研究犬声带的振动频率
摘要
引言 言语是人类交流不可或缺的组成部分，需要各器官协调发声 (Titze & Alipour, 2006)。声门区作为发声的关键部位，在这一复杂过程中扮演着至关重要的角色。当肺部排出的空气在受限空间内与人体内的声带 (VFs) 相互作用时，便产生了声音 (Alipour & Vigmostad, 2012)。理解这一过程的力学机制非常重要。在体内情况下研究声带是一项困难的工作。然而，通过同步辐射X射线显微断层扫描技术，已经提取出了声带纤维的取向、形状和尺寸 (Bailly et al., 2018)。文献中已通过多种方法对人类和动物声带的力学特性进行了研究。假设线性行为，使用单轴拉伸试验研究了声带的力学特性 (Alipour & Vigmostad, 2012)，而使用多尺度方法测定了声带的非线性和各向异性，如 Miri et al. (2013) 所述。此外，还使用了移液管抽吸技术提取体内声带的弹性特性 (Scheible et al., 2023)。研究了声带各层在拉伸、压缩和剪切下的力学行为 (Cochereau et al., 2020)。流固耦合 (FSI) 仿真为深入理解发声过程提供了有价值的工具 (Ghorbani et al. 2022)。这些仿真使我们能够对声带与空气之间的动态相互作用进行建模。我们的研究重点是调查犬声带的力学特性，并将这些发现应用于 FSI 仿真中。通过这一仿真，我们旨在揭示这些力学特性如何影响发声过程。方法 为了研究犬声带的力学特性，对6只混种犬进行了体外研究。样本取自因与研究无关原因被安乐死的犬尸体。随后，在动物安乐死后3-4小时内取下声带并进行测试。实验使用配备 100 kg 传感器的 STM-1 设备 (SANTAM Co.) 进行。对每个样本进行了七次单轴拉伸试验，位移速率分别为 1、5、10、20、40、60 和 120 mm/min。选择 1 mm/min 的极慢速率是为了在消除粘性效应的情况下仅评估弹性特性。使用各种超弹性模型拟合实验数据。随后，针对每个模型，确定了超弹性模型参数及其残差的均值和标准差 (SD)。在 FSI 分析中，我们使用了一个简化的喉部模型，为一个直径 50 mm、厚度 3 mm 的空心圆柱体。喉部总长度设为 100 mm。声带被建模为位于圆柱段中间带有小椭圆形裂隙的圆盘。边界条件根据压差设定，入口表压设为 1200 Pa，出口相对压力设为 0。为了考虑喉部内气流的湍流特性，我们使用 K-epsilon 方法，在 ANSYS FLUENT 2021 中通过双向流固耦合仿真求解运动微分方程。该方法使我们能够研究犬声带获得的力学特性如何影响发声过程中的 FSI 仿真，从而更全面地理解其影响。为了确定声带的振动频率，我们计算了达到最大位移所需的时间，并将该值乘以四以获得振动周期。
引用
@article{arxiv.2411.12291,
title = {Investigation of Vibrational Frequency of Canine Vocal Folds Using a Two-Way Fluid-Solid Interaction Analysis},
author = {Abolfazl Mohammadi Gorjaei and Mohammad Ali Nazari and Asghar Afshari and Saeed Farzad-Mohajeri and Pascal Perrier},
journal= {arXiv preprint arXiv:2411.12291},
year = {2024}
}