基于含水孔隙弹性理论的声带振动和发声机理研究

声带振动与发声机理研究与生物声学，语音编码、识别、合成，喉病理学，神经动力学等学科的发展息息相关。以往研究通常将声带看作是离散质量块或者单一物态的弹性连续体，不同于此，本项目将Biot含水孔隙弹性理论引入到声带振动的研究中；理论分析Biot参数和声带振动模态的关系；采用生物力学和超声学方法，实验测量实际声带组织的含水孔隙弹性参数；并建立基于含水孔隙弹性理论的有限元声带模型，研究各种生理条件下的声带振动，以及含水孔隙弹性特性与失声、不规则发声之间的关系。项目预期将揭示声带组织Biot参数与声带振动特性之间的关系，并建立以Biot参数为自变量的声门波数学模型。本项目的研究内容，不仅可以为改进语音合成、编码、识别技术提供重要信息；而且可能为喉病理学、嗓音治疗等医学领域的研究提供科学依据。

语音是人们日常信息交流的最主要方式。声带是人类发声系统的核心器官，它在很大程度上决定了人类嗓音的基本特征。因此，声带组织的病变不仅会给患者身体上带来痛苦，也会给人们的日常生活、交流带来巨大的不便。以往的研究将声带组织始终是被看作单一物态的物质。然而，大量的解剖学和生理学研究已经充分地揭示了声带组织是液体和孔隙弹性固体共同组成的一种复合材料，正因为如此，以往的单一物态的声带理论并不能很好揭示很多与固液两相特性相关联的声带振动和发声现象。.为此，本项目中，课题组提出将含水孔隙弹性体这一全新理念引入到发声机理的研究中，通过理论分析、计算机有限元模拟和实验测量等研究手段，揭示声带组织含水孔隙弹性特性与声带振动、组织病变之间的关系。在过去的三年时间内，课题组按照研究计划书提出的研究目标和内容开展工作，取得了预期结果：.课题组利用Ritz方法理论分析声带组织两相参数和声带振动模态之间的关系，发现了声带振动过程中的固液振动模式解耦现象，阐明了振动声带中体液运动的动力学规律，这一成果揭示了水肿、脱水等疾病情况下发声紊乱的动力学机制；课题组提出了利用超声多普勒效应非侵入地测量声带振动的方法。由于利用了声道的声波导效应，使得该测量系统无需深入体内，就可以有效地测量不同发音情况下的声带振动特性。由于超声波对人体的安全性，这一方法是一种完全无损的非侵入的声带振动测量方法。因此，该研究为喉功能的日常临床检查提供了一种新方法；课题组还提出了测量具有孔隙弹性特性的声带组织的微结构的光声测量方法。该新法克服了成像精度与成像深度和工作频率的矛盾，为利用组织的微结构差异评估组织病变提供了可能性，而且该方法还具有进一步地应用于更加广阔的生物医学领域的巨大潜力。.相比于质点近似或者单相弹性近似，含水孔隙弹性理论能够更真实地描述声带组织特性，因此本项的研究成果揭示了很多以往研究所不能解释的发声现象，为完善声门波模型，发展更高自然度的合成语音，优化语音编码，改进语音识别技术提供重要信息；而且为嗓音治疗、喉部疾病的诊断提供有价值的信息和新的诊断手段。

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