title: Experimental investigation of multiphase flow and acoustics during voice production
Creators: name: Tur, Bogac
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025

description: This dissertation advances the understanding of human phonation by integrating biomechanical modeling, aerosol analysis, and acoustic evaluation in a single comprehensive framework. First, a biomimetic, multi-layered synthetic larynx model was developed to replicate key features of human vocal fold physiology. By embedding ligament fibers with varying diameters and tensile strengths, the model allows controlled posturing (elongation, abduction, adduction) and dynamic manipulation of vocal fold stiffness. Systematic experiments revealed that increased fiber tension raises fundamental frequency and subglottal pressure, closely mirroring physiological observations of pitch regulation and providing a robust platform for studying both healthy and pathological voice conditions. In a second step, the thesis elucidates aerosol formation mechanisms during phonation by combining the synthetic larynx model with synthetic mucus formulations that replicate human laryngeal mucus properties. Detailed high-speed imaging and particle image velocimetry showed that reduced surface tension and increased airflow reinforce aerosol particle generation, emphasizing the influence of mucus rheology and vocal fold dynamics on droplet release at the glottal level. These findings have direct implications for understanding transmission risks of airborne pathogens during speech and singing. Finally, the acoustic effects of professional singing masks were investigated to reconcile infection control measures with vocal performance demands. Tests on a KEMAR head phantom demonstrated that although specialized fabrics and plastic face shields can mitigate frontal aerosol dispersion, they also introduce measurable spectral filtering of the acoustics, especially at higher frequencies. Some designs additionally cause low frequency amplification or altered directional radiation, potentially compromising vocal quality and clarity. Collectively, this work integrates advanced physical modeling of physiological vocal fold oscillation with applied aerosol dispersion during phonation and the impact on the resulting acoustics. The outcomes not only enhance fundamental knowledge of vocal fold biomechanics but also support evidence-based strategies for safeguarding public health improving vocal performance in professional and educational settings, as well as addressing clinical needs.
description: Diese Dissertation erweitert das Verständnis der menschlichen Stimmgebung, indem sie biomechanische Modellierung, Aerosolgenerierung und -ausbreitung und akustische Untersuchungen in einem umfassenden Forschungsansatz vereint. Zunächst wurde ein biomimetisches, mehrschichtiges synthetisches Larynxmodell entwickelt, das zentrale Aspekte der menschlichen Stimmlippenphysiologie abbildet. Durch die Integration von Ligamentfasern unterschiedlicher Durchmesser und Zugfestigkeiten ermöglicht das Modell eine gezielte Veränderung von Elongation, Adduktion und Abduktion sowie eine dynamische Anpassung der Steifigkeit der Stimmlippen. Systematische Experimente zeigten, dass eine höhere Faserspannung sowohl die Grundfrequenz als auch den subglottalen Druck erhöht und somit die menschliche Stimmgebung realistisch nachbildet. Damit bietet das Modell eine robuste Plattform, um gesunde und pathologische Zustände der Phonation zu untersuchen. Im zweiten Schritt beleuchtet die Arbeit die Entstehung von Aerosolen während der Phonation, indem das synthetische Larynxmodell mit synthetischem Mukus kombiniert wurde, der die viskoelastischen Eigenschaften von menschlichem laryngealen Mukus nachahmt. High-speed Videoaufzeichnungen der Stimmlippenschwingung und Strömungsvisualisierung im supraglottalen Bereich zeigen, dass eine verringerte Oberflächenspannung des Mukus und ein erhöhter Luftstrom die Bildung von Aerosolpartikeln verstärken. Dies unterstreicht den Einfluss der Mukusrheologie und Stimmlippendynamik auf die Partikelentstehung auf glottaler Ebene und liefert wertvolle Erkenntnisse für die Bewertung von Infektionsrisiken bei Sprech- und Gesangstätigkeiten. Abschlie\ss end wurden die akustischen Auswirkungen professioneller Sängermasken untersucht, um Infektionsschutzmaß nahmen mit den Anforderungen an die stimmliche Lei\-stungsfähigkeit zu vereinen. Versuche an einem KEMAR-Kopf belegten, dass spezielle Stoffe und transparente Kunststoffe zwar den frontalen Aerosolausstoß reduzieren, jedoch gleichzeitig deutlich hörbare akustische Filtereffekte, insbesondere bei hohen Frequenzen, hervorrufen. Zusätzlich können bestimmte Maskentypen zu einer Verstärkung tiefer Frequenzen oder einer veränderten räumlichen Schallabstrahlung führen und damit Klangqualität und Verständlichkeit beeinträchtigen. Zusammenfassend vereint diese Arbeit die physikalische Modellierung physiologischer Stimmlippenschwingungen mit der praxisnahen Untersuchung von Aerosolausbreitung während der Phonation und den Einfluss auf die resultierende Akustik beim Tragen von Masken, um die Ausbreitung von Aerosolen zu reduzieren. Die Ergebnisse tragen nicht nur zu einem vertieften Grundlagenverständnis der Biomechanik der Stimmlippen bei, sondern unterstützen auch evidenzbasierte Strategien zum Schutz der öffentlichen Gesundheit, zur Verbesserung der stimmlichen Leistungsfähigkeit in beruflichen und pädagogischen Kontexten sowie zu Optimierungen im klinischen Betrieb.