Modelování lidského hlasu

Lidský hlas je tvořen akustickým signálem vydávaným kmitajícími hlasivkami. Tento signál je při průchodu rezonančními dutinami frekvenčně modifikován (obrázek 2). Na kvalitě tvorby hlasu se tedy podílejí jak hlasivky samotné, tak rezonanční dutiny dýchacích cest (zejména část mezi hlasivkami a ústním otvorem, takzvaný vokální trakt). Výška, pravidelnost a intenzita hlasu jsou dány především kmity hlasivek rozechvívaných vzduchem přicházejícím z plic. Velikostí a tvarem hlasového traktu jsou pak ovlivněny rezonanční frekvence různých hlásek, jež dotvářejí výslednou barvu hlasu. Proto jsou užitečné jak modely hlasivek a prostoru nad hlasivkami, tak modely komplexní, zahrnující i akustické prostory pod hlasivkami.

Model kmitů hlasivek buzených proudem vzduchu z plic (obrázek 2 vpravo) umožňuje simulovat na počítači vibrace hlasivek včetně rázů. K tomu je třeba zadat vstupní parametry systému: tlak vzduchu v plicích, geometrii a velikost hlasivek, vzdálenost hlasivek ve statické poloze před vydáním hlasu, přibližnou frekvenci základního tónu a materiálové vlastnosti hlasivkové tkáně. Výstupem jsou numerické simulace řady veličin a parametrů důležitých pro studium hlasu i pro foniatrickou a laryngologickou praxi, například akustického tlaku nad hlasivkami, napjatosti v hlasivkách při jejich dotyku v době rázu, maximální amplitudy kmitů, časového průběhu velikosti plochy mezihlasivkové štěrbiny, koeficientů otevření a uzavírání hlasivek a dalších klinicky měřitelných charakteristik vibrací hlasivek.

Důležitou informací je i detailní struktura proměnlivého proudového pole v oblasti hlasivek. Pole rychlostí proudění vzduchu kolem matematického modelu kmitajících hlasivek (obrázek 1) lze numericky simulovat a vypočíst metodou konečných prvků. ¹⁾ Podobným způsobe lze experimentálně zjistit pole rychlostí proudění vzduchu kolem samobuzeně kmitajícího fyzikálního modelu hlasivek (obrázek 3). ²⁾

Po několik let se zabýváme matematicko-fyzikálním modelováním hlasu člověka jak z hlediska poznávání základních fyzikálních principů tvorby lidského hlasu, tak z hlediska možných klinických aplikací. Součástí výzkumu je vývoj hlasivkových protéz pro pacienty, kterým musel být kvůli zhoubnému nádoru odebrán hrtan, či modelování vlivu poškození (rozštěpu patra, vynětí mandlí, popřípadě patologických změn v oblasti hlasivek či nosního traktu) na hlasový projev.

Dosud se vhodný náhradní zdroj akustického signálu, vyvolávaného u zdravých lidí hlasivkami, nepodařilo navrhnout a zkonstruovat tak, aby produkoval dostatečně silný akustický signál s požadovanou základní frekvencí a vyššími harmonickými složkami vibrací, ale zároveň aby se vešel do rozměrů maximálně zhruba 5 × 5 mm a byl schopen dlouhodobě odolávat agresivnímu prostředí na rozhraní dýchacích a trávicích cest.

Navrhli jsme experiment pro laboratorní měření akustických a dynamických vlastností modelů hlasivkových protéz. Jazýčková protéza je rozkmitávána proudem stlačeného vzduchu, který přichází z modelu průdušnice.

Měřen je časově proměnný tlak v modelu průdušnice, průtočné množství vzduchu a také vyzařovaný akustický signál i jeho spektrum s různou mírou základní frekvence a vyšších harmonických složek, které ovlivňují barvu hlasu. Vibrace jazýčku jsou zobrazovány stroboskopicky, ³⁾ nepravidelné, popř. chaotické kmity jsou snímány vysokorychlostní nebo videokymografickou ⁴⁾ kamerou.

Aplikace základního výzkumu biomechaniky hlasu směřují i do oblasti diagnostiky hlasových poruch u hlasových profesionálů (herců, zpěváků, reportérů, učitelů) a rehabilitace hlasu. Trojrozměrné modely nadhlasivkových akustických prostor při tvoření českých samohlásek (obrázek 4) byly získány na základě snímků pořízených magnetickou rezonancí. Nyní již se využívají při modelování tvorby zvuku zdravých i patologických hlasů, například u pacientů s rozštěpem patra či po vyjmutí mandlí.

Numerické simulace tvoření českých samohlásek lze získat také pomocí trojrozměrných modelů vokálního traktu (obrázek 5). Zdrojovými signály jsou časové průběhy tlakových a rychlostních změn proudového pole v místě kmitajících hlasivek. Simulované výstupní akustické signály u lidských úst jsou zaznamenávány v časové oblasti do zvukových souborů, a kvalitu takto simulovaného hlasu lze pak hodnotit i poslechem.

Protože data simulovaná konečnoprvkovými metodami ¹⁾ lze zatím i s pomocí výkonné výpočetní techniky získat až za poměrně dlouhou dobu, hodí se v některých situacích modely daleko jednodušší, které pracují mnohem rychleji (obrázek 6). Pro rozlišení jednotlivých samohlásek jsou nejpodstatnější polohy prvých dvou (nejnižších) akustických rezonančních frekvencí – formantů. ⁵⁾ Tímto způsobem jsou modelovány některé známé pěvecké techniky (při změně výšky tónu mění školený zpěvák tvar vokálního traktu), u kterých však není dostatečně podrobně znám ani jejich fyzikální původ, ani fyziologické možnosti jejich dosažení. ⁶⁾