JAIST Reposi https://dspace.j Title 有限要素法による 3 次元声道伝達特性の推定に関する研 究 Author(s) 冨山, 慶一 Citation Issue Date 2000-03 Type Thesis or Dissertation Text version author URL http://hdl.handle.net/10119/1365 Rights Description Supervisor: 赤木正人, 情報科学研究科, 修士 Japan Advanced Institute of Science and
3 2000 2 15 Copyright c 2000 by Yoshihide Tomiyama
(FEM) MRI /i/ (normal) (abnormal) 3 /i/ MRI 1 /i/
1 1 1.1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1.1.1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1.1.2 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1.1.3 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 1.1.4 3 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 1.1.5 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 1.2 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 2 4 2.1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 2.2 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 2.3 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6 2.4 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7 2.5 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8 3 9 3.1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 3.2 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 3.3 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 3.4 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11 3.5 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11 3.6 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11 4 13 4.1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 13 i
4.2 (Raw Data Model) : : : : : : : : : 15 4.3 (Constant Length Model) : : : : : : : : : : : : 15 4.4 (Proposed Model) : : : : : : : : : : : : : : : 16 4.5 : : : : : : : : : : : : : 16 4.6 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17 5 31 5.1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 31 5.2 (Normal-1) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32 5.3 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32 5.3.1 Abnormal-1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32 5.3.2 Abnormal-2 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32 5.3.3 Abnormal-3 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33 5.3.4 Abnormal-4 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33 5.4 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33 5.5 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 34 5.6 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 34 6 51 6.1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 51 6.2 (Abnormal-4) : : : : : : : : : : : : : 51 6.3 (Abnormal-2) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52 7 59 7.1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 59 7.2 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 60 ii
3.1 F.E.Model of Straight tube : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 10 3.2 Frequency Response of Straight tube : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 12 4.1 Vocal Tract Shape of Normal and Abnormal : : : : : : : : : : : : : : : : : 14 4.2 RawData Vocal Tract : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 18 4.3 F.E.Model of RawData Vocal Tract : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 19 4.4 Frequency Response of RawDataModel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 20 4.5 Constant Length Data (l = 14[cm]) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 21 4.6 Frequency Response of Constan Length Data (Normal) : : : : : : : : : : : 22 4.7 Frequency Response of Constant Length Data (Abnormal) : : : : : : : : : 23 4.8 Proposed Model Data : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 24 4.9 Frequency Response of ProposedModel (Normal) : : : : : : : : : : : : : : 25 4.10 Frequency Response of ProposedModel (Abnormal) : : : : : : : : : : : : : 26 4.11 Proposed Model Data (Normal), l =0 4[cm] : (1) r =1:3[cm], (2) r = 1:5[cm], (3) r =1:1[cm] : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 27 4.12 Proposed Model Data (Abnormal), l = 0 4[cm] : (1) r = 1:3[cm], (2) r =1:5[cm], (3) r =1:1[cm] : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 28 4.13 Frequency Response of ProposedModel (Normal) : : : : : : : : : : : : : : 29 4.14 Frequency Response of ProposedModel (Abnormal) : : : : : : : : : : : : : 30 5.1 Proposed Model Data of Normal-1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 36 5.2 Frequency Response of Normal-1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 37 5.3 Proposed Model Data of Abnormal-1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 38 5.4 Frequency Response of Abnormal-1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 39 5.5 Proposed Model Data of Abnormal-2 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 40 5.6 Frequency Response of Abnormal-2 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 41 iii
5.7 Vocal Tract Shape of Abnormal (a:front tongue - d:back tongue) : : : : : : 41 5.8 Proposed Model Data of Abnormal-3 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 42 5.9 Frequency Response of Abnormal-3 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43 5.10 Proposed Model Data of Abnormal-4 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 44 5.11 Frequency Response of Abnormal-4 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 45 5.12 Proposed Model Data of Abnormal-3 and Abnormal-4 : : : : : : : : : : : : 46 5.13 Frequency Response of Abnormal-3 and Abnormal-4 : : : : : : : : : : : : : 47 5.14 Proposed Model Data of Abnormal-1 and Abnormal-3 : : : : : : : : : : : : 48 5.15 F.E.Model of Abnormal-1 and Abnormal-3 : : : : : : : : : : : : : : : : : : 49 5.16 Frequency Response of Abnormal-1 and Abnormal-3 : : : : : : : : : : : : : 50 6.1 Proposed Model Data of Abnormal-4 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54 6.2 Frequency Response of ProposedModel at Abnormal-4 : : : : : : : : : : : 55 6.3 F.E.Model of ProposedModel at Abnormal-2 : : : : : : : : : : : : : : : : : 56 6.4 Frequency Response of ProposedModel at Abnormal-2 : : : : : : : : : : : 57 6.5 Frequency Response of ProposedModel at Abnormal-2 : : : : : : : : : : : 58 iv
1 1.1 1.1.1 1.1.2 LPC 1
1.1.3 [1] [2] 1.1.4 3 3 3 /i/ MRI 1 [3] 1 2 3 F1,F2,F3 3 1 3 3 3 Finite Element Method, FEM 1.1.5 FEM 2
1.2 1 4 /i/ /i/ F2 3 1 3
2 element [4] 2.1 [5] 2.2 4
2 1 1. 2. 3. 4. 5. 6. [6] 5
2.3 [7] r 2 = 0k 2 (k =! c = 2! ) p u p = j! u = 0r FEM Z V (0! i )(r 2 p + k 2 p)dv =0; i =10 n n p = X i N i p i W = X i N i p i nx Z e i =1 V ei p(r 2 p + k 2 p)dv =0 i 1 n element number p N i 1 2 nx Z 4X ( (rprp + k 2 pp)dv 0 V e i =1 ei S j =1 Z (n ) 6 S j prp 1 nds) =0
nx e i ([S] 0 k 2 [T ]+jk c z R [G])[p] = nx e i (0jkcu)[F ] [S] [T ] [G] 4 2 4 matrix [p] [F ] 4 P n e i node matrix n [S] [T ] [G] n 2 n [p] [F ] n ([S all ] 0 k 2 [T all ]+jk c z R [G all ])[p all ]=0jkcu[F all ] 2.4 Gauss n 2 n k ij = k ji 2 6 4 k11 k12 k13 0 0 0 k21 k22 k23 k24 0 0 k31 k32 k33 k34 k35 0 0 k42 k43 k44 k45 k46 0 0 k53 k54 k55 k56 0 0 0 k64 k65 k66 2 6 4 k11 k12 k13 k22 k23 k24 k33 k34 k35 k44 k45 k46 k55 k56 0 k66 0 0 3 7 5 3 7 5 7
band matrix band width Gauss 2.5! U(x; y; z; t) =ue j!t rp = 0 du dt u = 0 rp jkc = 0 1 jkc! @p @x ; @p @y ; @p @z 8
3 3.1 NIT Numerical Intergration Technologies SYSNOISE 3.2 [8] f n = c 2l (n 0 1 2 ) (c [m=s] l [m]) 3.3 Altair HyperMesh 3.1 r =1:0[cm] l =17[cm] 3 9
3.1: F.E.Model of Straight tube 10
1. element size: 1:0[cm] (number of nodes : 125) 2. element size:0:50[cm] (numberofnodes:595) 3. element size:0:25[cm] (numberofnodes:2779) 3.4 y y =0 1:0 y = l 0:001 1 impedance = 1 c = 340[m=s] =1:225[kg=m 3 ] 3.5 U out U in 20[Hz] 8000[Hz] 20[Hz] 3.2 3.6 500; 1500; 2500; 111[Hz] 0:50[cm] 0:25[cm] 2 5000[Hz] 5 4500[Hz] 2% 1 (F1) 3 (F3) 0:30[cm] 1 0 11
3.2: Frequency Response of Straight tube 12
4 4.1 /i/ F2 ( 4.1)[10] 1 3.4 13
4.1: Vocal Tract Shape of Normal and Abnormal 14
4.2 (Raw Data Model) MRI (Normal-0) (Abnormal-0) 4.2 4.3 4.4 4.1 /i/,/a/ [9] /i/ F1 F2 F1 F2 F1 F2 F1 F2 (l =8 13[cm]) 2 (glottis) F1 F2 4.3 (Constant Length Model) 2 l =14:0[cm] glottis 4.2 4.5 4.1: Average Acoustic Mode of Vowel /i/ F1 F2 F3 Vowel /i/ 270 2290 3010 Vowel /a/ 730 1090 2440 15
4.6,4.7 F1 F1,F2 4.4 (Proposed Model) l =0[cm]z 6:0[cm] l =0[cm] 4:0[cm] r =1:3[cm] l =6:0[cm] r =0:8[cm] 4.2 4.8 4.9,4.10 F4 F3 4.5 /i/ 4:0[cm] r =1:3[cm] 4.4 ProposedModel-1 ProposedModel- 2 ProposedModel-3 ProposedModel-1 : r =1:3[cm] ProposedModel-2 : r =1:5[cm] 4.4 16
ProposedModel-3 : r =1:1[cm] 4.2 4.11,4.12 4.13,4.14 (ProposedModel-2) (ProposedModel-1) F1,F2 (ProposedModel- 3) (ProposedModel-1) F1,F2 F1,F3 F1,F3 4.6 MRI 3 /i/ 17
4.2: RawData Vocal Tract 18
4.3: F.E.Model of RawData Vocal Tract 19
4.4: Frequency Response of RawDataModel 20
4.5: Constant Length Data (l = 14[cm]) 21
4.6: Frequency Response of Constan Length Data (Normal) 22
4.7: Frequency Response of Constant Length Data (Abnormal) 23
4.8: Proposed Model Data 24
4.9: Frequency Response of ProposedModel (Normal) 25
4.10: Frequency Response of ProposedModel (Abnormal) 26
4.11: Proposed Model Data (Normal), l =0 4[cm] : (1)r =1:3[cm], (2) r =1:5[cm], (3) r =1:1[cm] 27
4.12: Proposed Model Data (Abnormal), l = 0 4[cm] : (1) r = 1:3[cm], (2) r =1:5[cm], (3) r =1:1[cm] 28
4.13: Frequency Response of ProposedModel (Normal) 29
4.14: Frequency Response of ProposedModel (Abnormal) 30
5 5.1 (Normal) (Abnormal) PNS 1 5.1 1 3.4 4 1 PNS:Posterior Nasal Spine( ) [11] 5.1: Speach Analysis F1 F2 F3 Normal-1 312 2421 3398 Abnormal-1 312 1992 2343 Abnormal-2 351 2304 3281 Abnormal-3 312 1640 2734 Abnormal-4 312 1953 2578 31
5.2 (Normal-1) 5.1 5.2 F1 F2 F1 F2 F1 F2 5.3 5.3.1 Abnormal-1 5.3 5.4 Abnormal-1 F2,F3 F2 F3 5.3.2 Abnormal-2 5.5 5.6 Abnormal-2 F2,F3 (1) 32
(2) ( 5.7) 3 5.3.3 Abnormal-3 5.8 5.9 Abnormal-3 F1 F2 F3 F2 F3 Abnormal-1 5.3.4 Abnormal-4 5.10 5.11 F2 F3 F2 F3 Abnormal-2 5.4 (Abnormal-3,Abnormal- 4) 5.12 5.13 /i/ Abnormal-3,4 1 F2 F3 Abnormal-4 33
F2 F3 5.5 Abnormal-1 Abnormal- 3 5.14 5.15 5.16, Abnormal-1 Abnormal-3 Abnormal-1 F2 F3 Abnormal-3 F2 F3 5.6 F1,F2,F3 Abnormal-1 Abnormal-3 Abnormal-4 Abnormal-3 Abnormal-2 5.7 B D 34
35
5.1: Proposed Model Data of Normal-1 36
5.2: Frequency Response of Normal-1 37
5.3: Proposed Model Data of Abnormal-1 38
5.4: Frequency Response of Abnormal-1 39
5.5: Proposed Model Data of Abnormal-2 40
5.6: Frequency Response of Abnormal-2 5.7: Vocal Tract Shape of Abnormal (a:front tongue - d:back tongue) 41
5.8: Proposed Model Data of Abnormal-3 42
5.9: Frequency Response of Abnormal-3 43
5.10: Proposed Model Data of Abnormal-4 44
5.11: Frequency Response of Abnormal-4 45
5.12: Proposed Model Data of Abnormal-3 and Abnormal-4 46
5.13: Frequency Response of Abnormal-3 and Abnormal-4 47
5.14: Proposed Model Data of Abnormal-1 and Abnormal-3 48
5.15: F.E.Model of Abnormal-1 and Abnormal-3 49
5.16: Frequency Response of Abnormal-1 and Abnormal-3 50
6 6.1 6.2 (Abnormal-4) Abnormal-4 PNS ProposedModel-1 : r = 1:2[cm] ProposedModel-2 : r = 1:5[cm] ProposedModel-3 : r = 1:7[cm] 6.1 5.16, 51
Abnormal-4 3 6.3 (Abnormal-2) Abnormal-2 F1,F2 F2 3 ( 5.7) Abnormal-2 ProposedModel-1 : 5.3.2 ProposedModel-2 : 1[cm] ProposedModel-3 : ProposedModel-4 : 6.3 ProposedModel-1,2,4 6.4 ProposedModel-1,3,4 6.5 (ProposedModel- 2) 6.4 3 F2 (ProposedModel-3) 6.5 52
(ProposedModel-4) 2 3 53
6.1: Proposed Model Data of Abnormal-4 54
6.2: Frequency Response of ProposedModel at Abnormal-4 55
6.3: F.E.Model of ProposedModel at Abnormal-2 56
6.4: Frequency Response of ProposedModel at Abnormal-2 57
6.5: Frequency Response of ProposedModel at Abnormal-2 58
7 7.1 /i/ /i/ /i/ 1 3 /i/ 59
7.2 60
MRI 3 2 61
[1],,,1996. [2],,,1997. [3],, JAIST Reserch Report,IS-RR-98-0011P,1998. [4],, 18, Vol. 18,pp41{44,1996. [5],, 1,p.3,,1979. [6],, 5,pp.143{148,,1979. [7],,, 3,,vol.J80-A,No.9,pp.1351{1359,1997. [8], (Acoustic Engineering), 2,p.26,,1987. [9],, 3,p.48,,1983. [10], MRI 3,,2-Q-13,pp305{306,1999. [11], 1,p282,. 62