[发明专利]一种获得声门下压力值及计算发声效率的方法

摘要

本发明公开了一种基于声带的三维形状重建和发声的空气动力学建模技术的，获得声门下压力值与计算发声效率及其它空气动力学参数值的方法。具体包括：提出了一种定义声带三维几何形状特征值的方法；在此基础上给出了声带表面三维形状重建的方法；同时提出了一种基于三维有限元算法的发声的空气动力学建模方法；并进而给出了获得声门下压力值、计算发声效率及其它空气动力学参数值的方法。本发明的方法对于单侧或双侧声带麻痹、息肉、杓状肌固定、厚边、组织水肿、上皮损伤、喉癌等临床喉病病症的辅助诊断及治疗均有广泛的应用前景，同时为发声功能评价、发声生理和基础研究，以及艺术嗓音、语音声学、语音信号处理和语言学等学科都有重要意义。

主权项

1.一种获得声门下压力值及计算发声效率的方法，其特征在于，包括下列步骤：1)首先对声带表面三维形状特征用一组形状参数来定义声带运动过程中处于各种状态的形状和参数；2)利用图像的边缘检测和提取技术对人体喉部的X线的横向断层及纵向断层图进行边缘检测和提取，将提取出来的声带边缘曲线与声带运动过程中的参数进行拟合，得到最小声门直径、声门入口曲线半径、声门出口曲线半径、声门上表面角、声门下表面角、声门倾角、声门长度、声门上腔长度、声门下腔长度和声门厚度参数；3)将步骤2)所获得的各项声门形状参数，用步骤1)所述的方法进行声带表面三维形状重建，由发声对象发/a：/音时测得的语音压力信号和气流流量值作为边界条件，采用补偿有限元算法进行空气动力学建模，即可获得出声门下压力值及其它空气动力学参数值；假设气流均质、无重力、且其流动为定常、不可压缩，则三维Navier-Stokes方程表达为：$\frac{{\partial v}_x}{\partial t}+v_x\frac{\partial v_x}{\partial x}+v_y\frac{{\partial v}_x}{\partial y}+v_z\frac{\partial v_x}{\partial z}+\frac{1}{\rho }\frac{\partial p}{\partial x}-\frac{\mu }{\rho }[\frac{{\partial }^2{v}_x}{{\partial x}^2}+\frac{{\partial }^2{v}_x}{\partial y^2}+\frac{{\partial }^2{v}_x}{{\partial z}^2}]=0...\left(1\right)$ $\frac{{\partial v}_y}{\partial t}+v_x\frac{\partial v_y}{\partial x}+v_y\frac{{\partial v}_y}{\partial y}+v_z\frac{\partial v_y}{\partial z}+\frac{1}{\rho }\frac{\partial p}{\partial y}-\frac{\mu }{\rho }[\frac{{\partial }^2{v}_y}{{\partial x}^2}+\frac{{\partial }^2{v}_y}{\partial y^2}+\frac{{\partial }^2{v}_y}{{\partial z}^2}]=0...\left(2\right)$ $\frac{{\partial v}_z}{\partial t}+v_x\frac{\partial v_z}{\partial x}+v_y\frac{{\partial v}_z}{\partial y}+v_z\frac{\partial v_z}{\partial z}+\frac{1}{\rho }\frac{\partial p}{\partial z}-\frac{\mu }{\rho }[\frac{{\partial }^2{v}_z}{{\partial x}^2}+\frac{{\partial }^2{v}_z}{\partial y^2}+\frac{{\partial }^2{v}_z}{{\partial z}^2}]=0...\left(3\right)$ 以及$\frac{{\partial v}_x}{\partial x}+\frac{\partial v_y}{\partial y}+\frac{{\partial v}_z}{\partial z}=0...\left(4\right)$ 其中vx，vv，vz分别为x，y和z方向的速度分量，ρ是空气密度，p是空气压力，μ为空气的分子粘度系数；在补偿有限体积方法中，连续性方程可表达为：$\frac{{\partial v}_x}{\partial x}+\frac{\partial v_y}{\partial y}+\frac{\partial v_z}{\partial z}=-\frac{1}{\lambda }p...\left(5\right)$ 其中λ是补偿数，当补偿数趋于无穷大时，满足质量守恒定律；有限体积方程是由Galerkin方法构造的，速度元使用四阶的形状函数进行内插值计算，压力元则采用四面体单元上定义的线性形状函数来内插替换计算，这种压力内插函数能产生高精度的快速收敛结果；在整个气流域中，采用十节点的速度元和四节点的压力元；整体有限体积方程采用直接迭代法进行求解，每次迭代的解都用亚松驰方法校正以确保迭代的稳定性，直到标准误差比收敛标准小时，整体有限体积方程的迭代就完成，标准误差定义为：$e_i=\underset{j=1,N}{\mathrm{Max}}\left[\right|\frac{a_{i,j}^n-a_{i,j}^{n-1}}{a_{i,\max }^n}\left|\right]...\left(6\right)$ 其中下标i＝vx，vy，vz或者p，表示流体变量的每个分量，n是迭代级数，ai，j表示在第j个节点上的第i个气流变量的节点值，N表示节点的总数；4)利用步骤3)所获得的声门下压力和通过呼吸面罩获得的口腔气流流量和口腔语音压力的直流分量值来计算获得发声效率：发声效率通过下式计算：$\mathrm{VE}=\frac{P_r}{P_a}=\frac{P_s{A}_m}{P_{\mathrm{sb}}U}...\left(7\right)$ 其中：Pr为唇端辐射的声学信号功率；Pa为声门下空气动力功率；Ps为测量呼吸面罩内麦克风得到的声压信号；Am为测量呼吸面罩的内表面面积；Psb为声门下平均压力；U为声门气流体积速度波平均值。