Mathematische Optimierung von Stimmlippenmodellen (LSOPT)

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Fehlende direkte Beobachtbarkeit und unzureichend bestimmbare Materialdaten erschweren eine direkte physikalisch mathematische Modellierung der Stimmentstehung. Aus diesem Grunde werden in den Teilprojekten APP, IMFD und AMK numerische Modelle mit unterschiedlichen Schwerpunkten entwickelt, mit deren Hilfe die dynamischen Eigenschaften des menschlichen Kehlkopfs untersucht werden. Um das tatsächliche Schwingungsverhalten menschlicher Stimmlippen möglichst genau nachbilden zu können, müssen bestimmte Parameter des jeweiligen Modells geeignet eingestellt werden. In der ersten Antragsphase waren dies einerseits die Elastizitätsmodule, sowie die Schichtgeometrien in einer auf laminiertem Material beruhenden Stimmlippenmodellierung, sowie optimale Nockengeometrien in einem membranüberspannten Nockenmodell. Es wurden spezielle Optimierungswerkzeuge entwickelt, mit deren Hilfe die genannten Modellparameter im Zuge einer inversen Optimierung aus gegebenen Messdaten berechnet werden konnten. Die hierbei verwendeten Messdaten, bestehend aus Kräfteszenarien und zugehörigen Deformations- und Schwingungsmustern stammten direkt aus hierfür durchgeführten in vitro Hemilarynx-Experimenten.In der neu beantragten Projektphase werden die in den ersten drei Jahren bereitgestellten Verfahren weiterentwickelt, die Methoden verfeinert und angewendet. Erstes Ziel ist die Verbesserung der Signifikanz von Messdaten mit Hilfe sogenannter „Design-of-Experiment“-Verfahren. Des Weiteren werden die bestehenden Verfahren zur Modellparameteridentifikation mit Blick auf die Verwendung von Daten aus registrierten Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ausgebaut. Im Zusammenhang damit wird das zugrunde liegende numerische strukturmechanische Modell in Zusammenarbeit mit AMK erweitert. Insbesondere werden Kontakt- und Reibungsphänomene erfasst, die während der Phonation eine wichtige Rolle spielen. Dies macht den Einsatz spezieller Optimierungsmethoden, sogenannter nichtglatter Verfahren, notwendig, die am LSOPT entwickelt werden.Ein weiteres Ziel ist es, den Einfluss lokaler Struktur- und Materialänderungen auf die Stimmlippenbewegungen zu untersuchen. Über die reine Analyse hinaus wird es mit Hilfe der am LSOPT entwickelten Materialoptimierungsverfahren möglich sein, Materialeigenschaften von sich pathologisch (asymmetrisch) bewegenden Stimmlippen gezielt so zu verändern, dass diese wieder eine normale (symmetrische) Schwingung erzeugen.