一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究

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Ｉ—＇１学号ＳＯＯＣＨＯＷＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＩＩｆＩｔ１｜ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＶｏｃａｌＦｔ？ｌｄＣＦＶＦＲｅｖｉｓｉｏｎＭｏｄｅｌｗｉｔｈＬｅｓａｎｄＰａｒａｍｅｔｅｒＩｎｖｃｒｓｉｔ）ｎＭｅｔｈｏｄｉｏｎ研究生姓名曾座轰指导教师姓名陶智（教授）专业名称检测技术与自动化装置———一￣一—＾．研究方向语音信号处理所在院部苏州大学物理与光电？能源学部论文提交日期２０１７＾４＾ 苏州大学学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。〇丨“论文作者签名日期＞，…士：７ 学位论文使用授权声明本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定，即：丰位论文者作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信息情报中心、中国科学技术信息研宄所（含万方数据电子出版社）、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。涉密论文□本学位论文属在年＿月解密后适用本规定。＿非涉密论文□论文作者签名：ｈ命ｄ期：列冬（斗导师签名：ＪＢ期：＾（７．４． 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究中文摘要一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究中文摘要嗓音作为信息交流、情绪传递的介质，在人类的工作和生活中发挥着至关重要的作用。但受到环境问题及职业压力等影响，声带疾病的发病率也逐年增加。声学参数分析的病理嗓音识别技术越来越受到研究学者重视，但嗓音声学特征参数仅提供了临床症状信息，与造成病理嗓音产生的无规律声带振动信息间缺乏联系。随着发声物理模型被不断的提出及改进，通过病变声带模型物理参数分析，研究实际病理声带振动特性已成为研究热点。本文针对SH95声带模型在仿真病理发声时碰撞力及声门气流动力方面的不足与缺陷，提出病变声带的碰撞力修复和粘性气流影响（ContactForce-ViscousFlow,CFVF）修正模型。为进一步使修正模型再现实际病理发声振动特征，验证该模型在仿真实际病理发声时的有效性及优越性，本文提出一种以嗓音声源为匹配目标的声带模型参数反演方法，并对反演后的声带模型参数进行差异性分析。本文具体研究内容如下：(1)建立SH95声带模型，在其仿真病理发声时，分析碰撞力及声门气流动力变化情况。本文提出的CFVF修正主要涉及到传统模型在碰撞力方面及声门气流动力方面的修正研究。传统模型表征的左右声带在发生碰撞时，其碰撞力并不对称相等，本文充分考虑其应力应变关系修正非对称碰撞力。在仿真高度非对称振动时，SH95模型的质量块出现交叉重叠从而产生不必要的声门气流尖峰瞬态压力。本文先是通过约束声门开启条件修正声门气流动力从而消除该瞬态压力，但是这种条件修正缺乏同实际声带间的生理相关性，本文又从空气动力学角度，考虑气流粘滞效应进一步修正了声门气流动力。实验表明，CFVF修正模型在仿真同种病理发声时更能突出声带的无规律振动特征，修正了原始SH95模型的不必要的高阶振动区域。(2)为了使声带模型物理参数表征实际声带生理组织特性，同时验证修正模型在模拟实际病理发声时的有效性。通过模型仿真输出声源与实际嗓音声源的主要特征参数误差权重之和构建目标函数，利用遗传优化算法设计声带振动模型参数反演方法，获得反映实际病理声带组织参数的模型物理参数，并进一步对反演模型参数进行统计I 中文摘要一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究差异性分析。反演实验与差异性分析表明，经参数反演后的CFVF修正模型在模拟输出实际病理嗓音声源时，其平均加权准确度较原始SH95模型有所提高，且反演得到的正常和病变声带模型的劲度弹性参数和声门下压存在显著性差异。关键词：病理嗓音；声带建模；CFVF修正；嗓音声源；参数反演作者：曾晓亮指导教师：陶智II ResearchonVocalFoldCFVFRevisionModelwithLesionandParameterInversionMethodAbstractResearchonVocalFoldCFVFRevisionModelwithLesionandParameterInversionMethodAbstractAsamediumofinformationcommunicationandemotiontransmission,voiceplaysanimportantroleinhuman’slifeandwork.Withtheeffectsofenvironmentalproblemsandoccupationalstress,theprevalenceofvocaldisordersincreasesyearbyyear.Sothepathologicalvoicerecognitionbasedonacousticparametersispaidmoreandmoreattentionbyresearchers.However,theparametersthatprovidesymptominformationlackrelationstothevocalfoldirregularvibrationthatresultsinpathologicalvoice.Alongwiththeestablishedandimprovedphonationphysicalmodels,studyonvocalfoldirregularvibrationbyadjustingvocalfoldmodelphysicalparametersbecomesaresearchhotspot.TheSH95vocalfoldmodelhasdefectsincontactforceandglottalaerodynamicforcewhilesimulatingpathologicalphonation,thecontactforce-viscousflowrevisionmodel(CFVFrevisionmodel)areproposedtoovercometheaboveshortcomings.Moreover,toreproduceactualvocalfoldvibrationandvalidatetherevisionmodelagainstclinicalpathologicalvoicedata,aninversionmethodbasedonvoicesourceispresented.What’smore,varianceanalysishasbeendoneagainsttheinversedmodelphysicalparameters.Specificstudiesareshownasfollows:(1)ASH95vocalfoldmodelisestablished,observationandanalysisonthehistoriesofthecontactforceandglottalaerodynamicforceareneededtopointoutthedefectswhilesimulatingpathologicalphonation.TheproposedCFVFrevisionmodelconsistsoftherevisionsofcontactforeandglottalaerodynamicforce.Thecontactforcesarenolongerequalduringacollisionbetweentheleftandrightvocalcord.Wereconsiderstress-strainrelationshiptodefinethecontactforceterminmodifyingtheasymmetrycontactforces.AgainsttheunnecessaryglottalaerodynamicspikearisingfromtheSH95model’smassIII AbstractResearchonVocalFoldCFVFRevisionModelwithLesionandParameterInversionMethodoverlapping,theglottalopenphaseisrestrictedtoremovethespikeinmodifyingtheglottalaerodynamicforcefirstly.However，theconditioncorrectionisnotnecessarilyphysiologicallyrelevantwiththeactualvocalcords.Consequently,Theeffectofviscousflowisalsoconsideredthattheglottalaerodynamicforceactsontheaerodynamicsurfacesmoothly.ThesimulationexperimentshowsthattheCFVFrevisionmodelhasmoreirregularvibrationcharacteristicsthantraditionalmodelassimulatingsamepathologicalphonationandtheunnecessaryhigh-ordervibrationinSH95modeldoesn’texistintheCFVFrevisionmodel.(2)Inordertomakethemodelphysicalparametersrepresentactualvocalcordsphysiologicalstructureandvalidatetherevisionmodelagainstclinicalpathologicalvoicedata,Amodelparameterinversionprocedureisdesignedbasedonvoicesource’scharacteristicparametersandgeneticalgorithmtoobtainthemodelparametersthatreflectthephysiologicalstructureofvocalcords.Thenvarianceanalysisisdoneupontheinversedmodelparameters.TheinversionexperimentandvarianceanalysisshowthattheaverageweightedMREhasdeclinationinCFVFrevisionmodelcomparingwiththeSH95model.Moreover,theelasticparametersandthesubglottalpressurehavesignificantdifferencesamongnormalandpathologicalvocalcords.Keywords:Pathologicalvoice;Vocalfoldmodeling;CFVFrevision;ParameterinversionWrittenbyZengXiaoliangSupervisedbyTaoZhiIV 目录中文摘要...............................................................................................................................IAbstract..............................................................................................................................III第一章绪论.....................................................................................................................11.1课题的研究背景及意义..........................................................................................11.2病变声带建模的研究现状......................................................................................21.3声带振动模型参数反演的研究现状......................................................................31.4本文的主要研究工作及章节安排..........................................................................51.4.1本文的主要研究工作....................................................................................51.4.2本文的章节安排............................................................................................6第二章病理嗓音产生机制与临床表现.............................................................................72.1嗓音信号产生机制..................................................................................................72.2声带振动生理机制..................................................................................................92.3声带组织变化对嗓音特征的影响........................................................................102.4嗓音疾病的临床表现............................................................................................112.5本章小结................................................................................................................12第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究...........................................................133.1引言........................................................................................................................133.2病变声带的SH95模型........................................................................................133.2.1SH95模型介绍............................................................................................133.2.2病变声带模型的建立..................................................................................153.3病变声带SH95模型的缺陷与不足....................................................................163.3.1左右声带非对称碰撞..................................................................................163.3.2声门气流动力负载缺乏生理学意义..........................................................173.4病变声带模型的CFVF修正研究及分析............................................................183.4.1左右声带的非对称碰撞力修正..................................................................183.4.2约束声门开启条件修正声门气流动力......................................................193.4.3考虑粘性气流影响修正声门气流动力......................................................20 3.4.4病变声带模型的CFVF修正......................................................................233.5本章小结................................................................................................................24第四章病变声带模型物理参数反演研究.......................................................................254.1引言........................................................................................................................254.2嗓音声源提取方法................................................................................................254.3参数反演向量及目标函数....................................................................................264.3.1设定模型参数反演向量..............................................................................264.3.2参数反演的目标函数构造..........................................................................274.4声带模型参数反演优化算法设计........................................................................294.5病变声带CFVF修正模型参数反演系统设计....................................................314.6本章小结................................................................................................................32第五章仿真与实验结果及分析.......................................................................................335.1病变声带CFVF修正模型的振动对比分析........................................................335.1.1声带模型振动位移对比分析......................................................................345.1.2仿真声门气流体速率对比分析..................................................................385.2病变声带CFVF修正模型参数反演对比分析....................................................415.2.1实验数据......................................................................................................415.2.2反演效果对比评价......................................................................................415.3反演后模型物理参数差异性分析........................................................................445.4本章小结................................................................................................................45第六章总结与展望...........................................................................................................466.1论文工作总结........................................................................................................466.2未来工作展望........................................................................................................47参考文献.............................................................................................................................48攻读硕士学位期间发表的论文.........................................................................................54致谢.................................................................................................................................55 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第一章绪论第一章绪论1.1课题的研究背景及意义人们通过发出嗓音传达自己的观点和感受，嗓音在人们进行信息交流、表达个人感受方面发挥着重要的作用。随着生活习惯的紊乱和嗓音的过度使用，喉部声带出现疲劳性损伤、或是声带处出现结缔组织、或是喉返神经失效，导致各种嗓音疾病产生，[1]影响嗓音质量。嗓音疾病发病率因年龄、性别和职业而异，全球约有3%-10%的人患有声带类疾病，其中以声带水肿和声带麻痹为主，声带的滥用、吸烟和毒品是导致嗓音疾病产生的主要原因。在嗓音疾病发病率越来越高的情况下，针对声带类疾病的检测和治疗越[2]来越受到重视，越早检测出嗓音疾病则越能提高治疗效果。传统的嗓音疾病检测方法是通过内窥镜探入声带对其做详细的目视检查，在医师[3]的主观经验上确定嗓音疾病类型。随着数字信号处理技术的发展，嗓音的声学检测方法被应用于嗓音疾病的识别诊断。该方法主要研究病理嗓音信号的声学特征参数，[4]依据参数和疾病的相关度，采用模式分类器实现嗓音疾病的识别分类，较传统方法具有非侵入性的优点，也能够实现声带疾病的早期预诊，为后续治疗争取宝贵的时间。声带发生器质性病变或是喉返神经的功能紊乱，或是两者共同作用，产生的嗓音信号的表现形式大致相同，主要为粗糙声、气息声和嘶哑声等。嗓音信号的声学分析方法侧重于研究和提取信号的声学特征参数，采用的声学信号仅能提供声带疾病的临[5]床症状信息，缺乏对病变声带无规律振动特征的分析和研究。从生理学角度去研究声带振动机制，所采用的实验样本是动物的离体喉部，与人类喉部有一定的差距；而从解剖学角度模拟人体声带，构建声带的力学模型，有助于准确观测实际声带的振动机制，更好地解释器质性和功能性声带疾病的发病原因。依据声带生理结构和发声气流动力学原理构建喉部发声系统，改变部分模型参数值，可以获取不同类型的振动模[6]式，从而建立关键模型参数和振动模式间的因果关系。量化常见嗓音疾病的振动行为，匹配模型输出振动模式及嗓音疾病的振动模式，分析关键模型参数的改变对不同1 第一章绪论一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究嗓音疾病产生的影响，从关键参数中挖掘发声特征，结合传统声学特征，可以更加有效地辅助嗓音疾病的临床诊断。构建实际声带的力学振动模型，对基础发声机制尤其是病理嗓音发病机制的深入研究具有广泛的应用价值。声带建模研究对嗓音声学分析法中声学参数的选取及优化能提供理论依据及参考价值；通过模型输出不同类型的声门脉冲激励，为合成高质量语音提供可能；建立关键模型参数与具体声带疾病的对应关系，有助于临床医师快速找出患病部位，对嘶哑嗓音修复研究具有一定的指导意义。1.2病变声带建模的研究现状在过去的很长一段时间内，研究学者一直在尝试仿真人类发声。不同的生物力学[7]模型和数学模型被构建，其不仅用于描述人类发声的各个器官，同时也用于探究整个发声的机制。在发声系统的所有模型中，声带建模一直是重中之重，因为与声道的共鸣作用和嘴唇的辐射效应相比，声带振动决定了嗓音的基频，决定了表达的信息和[8]情绪。声门空气动力和声带软组织间的相互作用导致了嗓音的产生，因此声带建模方法应包括声门气流分布模型和声带振动模型两部分。最初的声带建模忽略了声门气流作用，假设声带位移是平稳的，Flanagan采用电声学仿真方法构建了一质量块声带模型用于描述声带振动特性，由于该模型只有单个自由度且产生的振动是单维的，无法解[9]释声门激励产生机制。之后的学者考虑到声门气流作用，假设声门气流的不可压缩和非粘性，利用伯努利定律描述声门气流压力分布，作用于Ishizaka和Flanagan提出[10]的二质量块模型，利用二维振动仿真实际声带振动，后经Steinecke和Herzel进行了相关的简化和改进，该模型能很好地捕捉声带振动特征，同时适用于对病变声带的[11]仿真与应用研究。声带振动是三维运动，近年来学者采用集中多质量块模型结合非[12]粘性气流进行嗓音产生机制的研究与分析，A.Yang和D.A.Berry等人就构建了声带的三维多质量块模型并提出了相关优化程序，研究了声带振动组织的生物力学特性。考虑到实际声门气流具有粘性和可压缩的特性，将有限元方法引入到声带振动模型中[13][14][15]，采用纳维-斯托克斯方程描述声门气流分布，BrianA、ZhaoyanZ、Raymond2 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第一章绪论[16]Greiss等对声带有限元振动模型进行了不同的扩展和应用，该模型基于连续介质力学，利用不同的材料模拟声带的分层结构，能够捕获发声的细节特征。从多质量块振动模型到有限元声带模型，这些高阶模型尽管能够准确观测实际声带发声机制，但由于高自由度和计算量大的问题，无法提供实际病变声带的定量结果和模型评价效果。在声带疾病产生成因的分析研究中，因自由度适中且能良好地表示声带振动特征，集中质量块模型常被用于仿真病变声带，简化二质量块模型作为集中质量块模型中的典型，被国内外多数研究学者作为基础，用于分析无规律振动及嗓音疾病产生机制[17-19][20]。通过引入非对称性系数，Q.Xue等人从该模型输出振动波形的基音频率、倍周期分岔等方面研究了声带的非对称性对发声的影响，并对气流扰动和声带震颤分别进行了研究。YuZhang等人在该模型上加入息肉质量块，研究了声带息肉疾病下声[21]门下压改变对声带振动造成的影响。通过改变该模型的弹性系数，他们又仿真了帕[22]金森症下声带的非线性、无规律振动。基于此模型，有学者还分析了喉表皮收缩、[23-24]功能亢进对发声的影响。上述各项研究表明简化二质量块模型在病变声带的振动[11]研究中存在广泛的应用价值，但在Steinecke和Herzel关于该模型的二参数分岔图中，高阶振动甚至是混沌振动模式并不是随着病理程度的增加而增加的，有一部分区域集中了大量的复杂振动模式，这并不符合实际声带振动的非线性程度随着病理程度增大而增大的特征。声带之间相互碰撞和声门气流在嗓音发声中起到关键作用，仿真[25]病理发声振动时，简化二质量块模型缺少了对碰撞弹性系数改变所造成影响的考虑。[26]实际流经声门的气流是相当复杂且多变的，这种复杂性会造成声带发声阈压的改变[27]及声带振动非对称及非线性程度的重大变化，简化二质量块模型基于理想气流特性定义了声门气流动力，对于实际发声，特别是病理发声的仿真，其振动的无规律特征无法得到突出。因此，为增强简化二质量块模型在研究病变声带振动中的鲁棒性，对该模型在碰撞力及声门气流动力方面的相关修正显得尤为重要。1.3声带振动模型参数反演的研究现状构建的病变声带模型需要仿真实际病变声带，在研究发声机制或是病理嗓音发病机制时才存在价值和意义。声带振动模型参数反演实质就是优化模型参数使模型输出3 第一章绪论一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究的振动模式与实际观测的振动模式相匹配。由于声带振动尤其是病变声带的振动是复[28]杂的非线性过程，声带模型参数和输出的振动模式之间存在非线性关系，因此在参数反演的优化算法选择上，为避免匹配目标函数陷入局部最小，多选用智能优化算法，主要为遗传算法、粒子群优化算法或是混合优化算法等。因此声带模型参数反演的改进工作主要集中在匹配目标的选取与模型参数时变特性这两个点。从匹配目标选取的[29][30]工作出发，现有研究更多地选用声门振动序列作为匹配目标，TaoC等通过高速成像技术观测声门面积变化序列，利用遗传优化算法匹配该序列，提取了正常发声时[31]各声带模型参数值，Raphael等同样利用高速摄影成像技术获取声带边界位移序列，通过匹配该序列研究了单侧声带麻痹成因。上述声门振动序列尽管充分体现了实际声带振动特性，但其主要来自于离体狗喉或猪喉，与人类声带振动仍存在一定的区别。[32]针对声带振动序列的缺点，XiaoYao等提取了嗓音的LPC残差信号频谱和基频进行匹配，对二质量块模型进行参数反演，通过优化的模型参数分析了受压嗓音的发声过程，同时提出了区分正常和受压嗓音的物理分类参数。声源信号是对原始嗓音信号采用逆滤波方法去除声带共鸣作用和口腔辐射作用提取得到的，它能充分反映实际声[33]带振动特性，因此声门波信号作为匹配目标更为简单和有效，且采用这种序列作为匹配目标的模型参数反演方法尚不多见。从考虑模型参数具有时变特性的角度出发，[34]HadwinP.J等考虑到参数的时变特性，设定模型参数关于时间的函数进行参数反演，[35-36]WurzbacherT等先后设定模型参数的时变特性进行了二质量块和多质量块模型参数的反演工作，并利用反演参数进行了一些正常和病理嗓音的识别分类。尽管模型参数能够实时捕获，但过大的参数搜索空间造成参数反演复杂度上升，同时无法避免匹配结果陷入局部最优，大大阻碍了声带建模方法在实际研究中的应用，因此在实现模型参数仿真实际声带生理组织构造的过程中，设定模型物理参数的平稳特性大大提高了参数反演的可行性。从声带振动输出的嗓音声源出发，以平稳模型物理参数为基础实现模型参数反演，不仅良好地体现了实际声带振动过程，较需要用高速成像设备对匹配目标序列进行采集的实验方法，其实验设备及手段也更为简单和方便，为病变声带物理模型应用于临床嗓音疾病的识别诊断提供了可能。4 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第一章绪论1.4本文的主要研究工作及章节安排1.4.1本文的主要研究工作简化二质量块振动模型在模拟病理发声时，缺乏对碰撞弹性系数受病理声带非对称性影响的考虑，且对声门气流假设过于理想化。本研究对原始声带模型进行了碰撞力、声门气流动力等方面的修正研究，提出了病变声带模型的CFVF修正，对比分析了原始声带模型与CFVF修正模型在仿真病理发声时声带振动特性差异；基于实际嗓音声源实现模型参数反演，在临床嗓音数据下进一步验证了CFVF修正模型在模拟实际病理发声时的有效性与优越性。本文的主要研究工作如下：(1)从病理嗓音的识别分类出发，指出了研究病变声带振动机制的必要性及重要性。介绍了生理学与解剖学方面实际声带振动原理，研究声带疾病对声带振动产生的影响，系统分析了目前仿真声带振动的各类物理模型的优缺点及发展历程。(2)指出了传统SH95模型在声带振动研究中能良好捕捉声带振动特征及计算代价小的优点。观察分析了传统SH95模型在实现病理发声振动时质量块的碰撞力变化及声门气流动力变化情况，在碰撞力方面发现了表征声带的左右质量块间进行非对称碰撞的缺陷，在声门气流动力方面指出了缺乏生理学意义的空气动力负载中出现不必要的气流尖峰瞬态压力的不足。(3)针对病理发声条件下SH95模型的上述不足，考虑实际碰撞力的应力应变关系修正碰撞力，以声门气流压力均匀分布作用于空气动力面上，考虑实际声门粘性气流的影响，提出病变声带模型的CFVF修正。(4)研究了嗓音声源从实际嗓音信号中提取出来的算法与流程，提出以嗓音声源的特征参数误差加权之和为目标函数，结合遗传优化算法的模型物理参数反演方法，使反演后模型参数能有效反映实际声带生理组织特性。(5)对声带的SH95模型与CFVF修正模型的参数反演效果进行对比分析及评价，对反演后模型参数进行差异性分析。5 第一章绪论一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究1.4.2本文的章节安排第一章：介绍了本课题的研究背景及意义，分析了声带建模与模型参数反演的研究现状，指出了本文的主要研究内容与工作，给出了本文的章节安排。第二章：阐述了嗓音产生机制与声带振动的生理学原理，对声带疾病的临床表现，其对实际声带振动与临床嗓音的影响进行了说明。第三章：分析了原始SH95模型在仿真病理发声振动时关于碰撞力与声门气流压力方面的不足与缺陷，对其不足与缺陷进行了相应的修正研究，据此在病理发声条件下提出声带的CFVF修正振动模型。第四章：介绍了嗓音声源提取方法，给出了声源的主要特征参数，通过遗传优化算法说明了本文模型参数反演的具体操作步骤，最后给出了本文的模型参数反演系统流程框图。第五章：在仿真病理发声下，对本文提出的修正模型与原模型的振动特性进行对比分析，基于正常与病理嗓音声源进行修正模型与原模型的模型参数反演实验，给出参数反演效果评价，分析反演后模型参数差异性。第六章：对本文研究内容及工作进行概况总结，指出未来需要解决的问题及指明下一步研究方向。6 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第二章病理嗓音产生机制与临床表现第二章病理嗓音产生机制与临床表现嗓音产生是在中枢神经系统对发音器官及构音器官进行复杂精确的控制下，由人的口腔处产生声学能量辐射的常见生物学现象。为了更好地对声带疾病发病机制进行系统深入地建模研究，首先要理解整个嗓音产生系统及各组成部分间的相互作用，然后应对发音器官(主要是声带)的振动机制进行分析，最后分析由声带疾病引起的声带组织特性变化对嗓音特征的影响，并了解常见嗓音疾病的临床表现。2.1嗓音信号产生机制嗓音信号的产生机制大致可分为三个部分：肺，声带和声道。肺部产生气流并充当动力源，当浊音产生时，声带准周期性地进行打开和闭合，从而将产生于肺部的气流转换成一系列气流脉冲，这些气流脉冲起到声门激励和浊音源的作用。声道则是一组介于声带与口鼻处的腔体，它可以被看做是声学滤波器，用于改变嗓音信号频谱特征。最后，嗓音通过口腔和鼻腔被辐射至周围空气中。整个嗓音产生机制如图2.1所示。肺部呼吸为嗓音产生提供源源不断的气流，呼吸活动由胸腔内腹肌和横膈肌共同控制，通过胸腔的放大和缩小，依靠肺内压与大气压间的压力差推动气流在气管内流动。通过肺部呼吸可以控制声门下压，声门下压决定了产生嗓音的音色和音量。喉部为发声的重要器官，其主要由甲状软骨、环状软骨、会厌软骨和成对的杓状软骨组成。在整个喉部构造内，对发声影响最大的是从甲状软骨至杓状软骨间的粘膜反褶，称作声带。声带振动是发浊音的必要条件，通过喉肌和部分软骨的牵拉作用，声带会进行不断收紧和放松，造成两侧声带间的部位不断的打开和关闭。声带开闭一次所花的时间为基音周期，其倒数为基频，不同个体声带的长度不同，一般在10-14mm间，男生的声带长度普遍大于女生，导致男生的发声基频要低于女生。7 第二章病理嗓音产生机制与临床表现一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究1.鼻腔2.硬腭3.牙槽嵴4.软腭5.舌尖6.舌背7.悬雍垂8.舌根9.咽10.会厌11.假声带12.声带13.喉14.食管15.气管图2.1嗓音产生机制及构造声道是由咽、喉及口腔处形成的管道，有些研究学者甚至将鼻腔也算作声道的一[37]部分。男生声道的平均长度约为17cm，女生约为15cm，儿童约为14cm。声道可以看做是一个可调节的声学滤波器，用于调整激励信号的频谱。受声道共鸣作用或是共振峰影响，每个元音都有其独特的频谱包络。声道形状则决定了共振峰频率大小。[38]为了简化嗓音信号产生机制，Fant引入了发声的源滤波器理论。该理论将整个发声过程模型化，由激励源模型和一系列滤波器模型组成，各模型间相互独立。如图2.2所示，仅考虑浊音发声过程，其由激励源模型Uz、声道模型Vz和口唇辐射模型Rz组成。传递函数可描述为下式：HzAUzVzRz(2-1)8 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第二章病理嗓音产生机制与临床表现激励源模型声道滤波器口唇辐射R(z)语音信号U(z)V(z)图2.2语音信号产生的源滤波器模型2.2声带振动生理机制声带是在喉内水平分布的两块具有弹性的软组织，两侧声带间的空隙被称为声门。声带振动是受到大量软骨和肌肉的协同作用而产生的，其前端连接着甲状软骨，后端连接着杓状软骨。通过喉部肌肉的作用，杓状软骨会产生移动，导致两侧声带间空隙的大小产生变化。当人体在呼吸时，声带之间是相互分离的，也被称作外展；一旦进入发声状态，他们会立即收缩到一块，此时也被称作为内收。图2.3展示了呼吸和发声状态下声门图像。声带声门(a)(b)图2.3呼吸(a)和发声(b)状态下声门图像发声时，当来自肺部的气流通过声带间狭窄的缺口，两侧声带开始周期性振动，这种振动导致原本连续的气流被转换成一系列周期性气流脉冲，这种气流脉冲常被称为声门气流或是声源，而产生浊音激励的这整个过程就是发声过程。声带由多个不同刚性度的表层组成，其最外层是在粘膜组织(固有层)之上的上皮层。在固有层内随着深度的增加，其组织的刚性度也会增大。声带的最内层是一块弹9 第二章病理嗓音产生机制与临床表现一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究性肌肉，被称作甲杓肌。声带振动主要发生在固有层也即粘膜组织处，其由气流压力变化和组织弹性维持，并不受肌肉作用。声带振动是复杂的三维运动，声带的上缘和下缘并不同相运动，这种现象是由垂[39]直方向的粘膜波动造成的。图2.4给出了单周期声带振动的剖面图，其很好地展示了声带的粘膜波动现象。另外，声带闭合在整个声带长度上并不是同时发生的，而是拉链式地先后进行。气管声道(a)(b)(c)(d)(e)图2.4正常声带单周期振动剖面图，箭头方向代表声带位移方向。(a)声门关闭相；(b)声门开启相；(c)声门开启与闭合临界点；(d)声门闭合相；(e)声门关闭相2.3声带组织变化对嗓音特征的影响嗓音声学特征与声带的组织特性及生物力学密切相关，不管是器质性、功能性或[40]是神经性声带疾病，均会对声带组织特性造成改变，导致嗓音表现异常。而嗓音声学特征与实际声带组织特性间的对应关系尚不明确，本文通过构建声带模型探究组织参数改变对发声及嗓音特征的影响，是一种行之有效的手段。嗓音基频反映了实际声带的振动频率，其与声带本身结构生理状态有关。基频不仅受实际声带长度影响，声带张力、质量及声门下压的变化也会导致基频发生改变，当这些因素共同作用于声带，嗓音的目标基频也就随之确定。一般而言，声带长度收缩，张力变小，单位长度的声带质量增大，其振动会变慢，表现为嗓音基频上则是基频减小。另一方面，声带弹性的增加会导致声门阻抗上升，此时只有增大声门下压才能产生更高频率的发声，因此增大的声门下压给声带造成了外展效应，声带需要适当地增加其张力才能维持在固定位置，此时也会导致声带振动加快，嗓音基频增大。10 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第二章病理嗓音产生机制与临床表现嗓音强度是与发声时声波密度相关的感知量。声波密度与声门下压、声带闭合持续时间等有关，当肺部存有更多气流导致声门下压更大，每一振动周期内声带闭合时间更长时，声门下气流密度会不断变大，随着内收的声带彻底被气流冲开，其外展程度也越大，此时会出现爆炸式的声门湍流，从而产生更大的声学能量，表现为嗓音强度变大。嗓音音质是与基频和强度不同的主观感知量，嗓音声源与声道的共鸣作用是影响嗓音音质的主要因素。受各种声带疾病的影响，声带组织及声门闭合程度会出现各种各样的差异，在发声时产生不同类型的声带振动，导致嗓音声源出现差别，造成各种嗓音音质异常的产生。因此对病变声带构建模型，研究实际组织参量改变对声带振动的影响，有助于理解不同疾病对应嗓音音质异常的产生原因。2.4嗓音疾病的临床表现嗓音疾病在临床上主要表现为嗓音的音质异常，嗓音声源中出现噪声干扰成分，[41]嗓音质量下降。国际上通常采用GRBAS分类法对嗓音音质进行听觉感知评价，各字母都有其含义：G为Grade，代表嘶哑度，表征嗓音变异的总体程度；R为Roughness，代表粗糙度，表征嗓音清晰度；B为Breathness，代表气息度，表征气流扰动程度；A为Asthenicity，代表无力度，表征嗓音在听觉感知上缺乏力量的程度；S为Strain，代表紧张度，表征音调异常程度。在临床测试中，声带疾病患者发出的嗓音主要表现为呼吸音、粗糙音、紧张音、刺耳音（粗糙音+紧张音）或是嘶音（呼吸音+粗糙音+紧张音）。无论是功能性、器质性还是神经性或是组合式声带疾病，其嗓音的临床表现无外乎以上所指的任何一种。呼吸音质总是和声门的不完全闭合有关，当声带松弛或是不完全闭合时，湍流会使嗓音中出现噪声成分，声波密度降低。粗糙音质主要与非周期性的声带振动有关，随着非周期性粘膜波增加了谱噪声，声波密度可能增大。而紧张音质总是和真声带的内侧[1]压缩或非周期性声带振动有关，其声波密度也可能增大。11 第二章病理嗓音产生机制与临床表现一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究2.5本章小结本章主要从嗓音信号产生机制出发，详细介绍了嗓音信号产生的关键过程：声带振动机制，然后从发声角度概述了声带疾病导致的声带组织变化对嗓音的基频、音强及音质的影响，最后对病理嗓音的临床表现做了简单的介绍。12 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究3.1引言[42-43]声带的集中质量振动模型在浊音发声的数值研究中是常用的工具，表征声带的质量块系统通过所连的弹簧与阻尼块体现实际声带的粘弹性特征，这种精简结构能够准确仿真声带振动特性，且计算代价较小。声带二质量块振动模型经常被用于解释发声原理，声带主体位移及其粘膜波动均[10]能被捕捉到。最早二质量块模型是基于双侧对称和声带组织的非线性弹性而提出的，[11]后来Steinecke和Herzel等利用线性弹性特征，并引入非对称组织特性对其进行了简化，由于该模型是在1995年提出的，因此该模型也被简称为“SH95模型”，其已经被应用于研究各类声带疾病发病机制及对应的病理嗓音现象。3.2病变声带的SH95模型3.2.1SH95模型介绍如图3.1，每个声带可由两个耦合的弹簧振子表示，声门下压提供空气动力使得左右声带产生振动，肺部气流经过声门的不断开闭被调制为一系列的气流脉冲，因此通过该声带动力学模型可以获取脉冲形式的声门波。声道k2lm2lm2rk2rr2lkclkcrr2rk1lk1rm1lm1rr1lr1r气管图3.1声带SH95模型结构示意图13 第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究[44]假设在声门最窄处形成射流，并忽略声门上和声门下气流间的相互作用、弹力的非线性作用及声门处的粘性损失，且作用在两侧声带的气流压力满足伯努利定律。[11]那么可由以下微分方程表示声带振动的动力学特征：mxiirxiikxiiaciiai2lkcxixjldPii(3-1)式中aiailaira0ilxilxir(3-2)aminmax0min，aa1l,2lminaa1r,2r(3-3)10xx(3-4)00x2P1Ps1aminamina1a1(3-5)P20(3-6)ckii3(3-7)Ug2Psamin(amin)(3-8)x是各质量块(i=1：下层；i=2：上层；=l：左侧；=r：右侧)的振动位移；m、iir、k、k分别表示各质量块的质量、阻尼常数、弹性系数及上下质量块间的耦合iic弹性系数；l、d、c则分别表示声带长度、各质量块的厚度及声带碰撞时的附加弹ii性系数；a、a、P、P、P分别代表声门间隙面积、最小声门面积、声门下压、imins12作用在下层质量块的气流压力和作用在上层质量块的气流压力；Ug、分别为该声带模型产生的声门气流体速度和空气密度。14 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究表3.1SH95模型参数标准值及初始条件m10m20ri0k10c10k20c20kc0ggNcmsNcmNcmNcmNcmNcm0.1250.0250.020.080.240.0080.0240.025d1d2Ps0a0ilx1l0x1l05gcm32cmcmatm=10pacmcmcmcms0.250.050.0080.001130.051.40.10.1x2l0x2l0x1r0x1r0x2r0x2r0cmcmscmcmscmcms000.10.100表3.1给出了该模型各物理参数标准值及初始运动条件。上表中从质量块质量mi到声带长度l均代表声带模型物理参数，各质量块初始振动位移和振动加速度分别为xi0和xi0。3.2.2病变声带模型的建立常见声带疾病主要影响负责声带张力的环甲肌，导致声带间张力不平衡。环甲肌影响了整个声带的弹性性质，因此SH95模型中有关弹性的参数均被影响。我们定义劲度系数Q(=l：左侧；=r：右侧)来描述声带环甲肌的作用，根据原始二质量块[10]模型对Q定义如下式：mkci0iiQ=(3-9)mkcii00i其中下标带0的表示标准参数值。由于Q代表了环甲肌对声带作用的张力，因此声带疾病造成的张力不平衡，也即声带的非对称系数可表示为=QQ。rl15 第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究声门下压P作为整个发声系统的能量源，对病变声带的无规律振动也存在明显的s影响。过高的声门下压会造成声带两侧强有力的内收，而过低的声门下压则会造成声带过分外展无法形成自激振动。实际声带疾病主要改变了声带的弹性组织特性与声门气流动力，进一步影响发出嗓音的质量，造成嗓音中各种扰动成分的出现，因此本研究对主要模型参数进行调整，使SH95模型模拟病变声带，进一步研究病变声带振动特性。3.3病变声带SH95模型的缺陷与不足3.3.1左右声带非对称碰撞式(3-1)描述了声带SH95模型的振动行为，其中参数c表示附加弹性系数，它i只在左右两个相邻质量块发生碰撞时产生作用，因此式(3-1)中的表达式项aciiai2l就表示分别作用在每个质量块上的碰撞力Fci,。在正常发声条件下，我们认为左右声带间弹性组织特性呈对称性或近似对称，有左右声带张力QQ，lr即声带的非对称系数=1。如图3.2(a)为正常发声时SH95模型各质量块的碰撞力变化情况。从图中可以看出，下层质量块m和m所受的碰撞力F和F随着振动时1l1rcl,1cr,1间的变化曲线相互重叠，上层质量块m和m所受的碰撞力F和F随着振动时间2l2rcl,2cr,2的变化曲线也相互重叠，说明同一层表征声带的左右质量块所受碰撞力均对称相等。图3.2(b)是SH95模型在仿真病理发声时，各质量块所受碰撞力的变化情况。从图中可以看出，同层质量块所受碰撞力F和F，F和F的变化情况并不一致，说cl,1cr,1cl,2cr,2明在仿真病理发声时，表征声带的左右质量块所受碰撞力并不对称相等。而对于实际刚性物体间的相互碰撞情况，各物体所受的碰撞力应是一对作用力与反作用力，其大小应对称相等，SH95模型在仿真病理发声时出现的这种现象不符合作用力与反作用的对称相等关系。16 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究(a)(b)图3.2正常(a)和病理(b)发声条件下SH95模型各质量块碰撞力变化情况3.3.2声门气流动力负载缺乏生理学意义SH95模型在假设气流是非压缩且无粘性的基础上，采用一维伯努利定律定义了声门气流动力负载，其与下声门面积a和上声门面积a密切相关。在模拟正常发声振12动(=1)时，SH95模型质量块的位移是对称的，关于最小声门面积和声门关闭的概念是明确的，最小声门面积不是下层质量块间的面积a就是上层质量块间的面积a，不12会出现其他混乱的情况。但随着模型仿真病理发声振动(1)时，各质量块的振动无规律性增强，特别是在高度非对称振动下，可能出现上层与下层中相对的两个质量块部分重叠的情况，而按照SH95模型关于最小声门面积的定义：aminmax0min，aa1l,2lminaa1r,2r，最小声门面积amin为0时，应为声门关闭状态，此时应无气流对声带壁面有任何力的作用。但此时如果上层质量块未完全闭合(a0)，按SH95模型关于气流压力FldP1aaaa的定义，111sminmin11会在声带闭合状态时产生一个气流尖峰瞬态压力，从而造成更加复杂的声带振动，而这种尖峰瞬态压力的出现与实际病变声带并无任何生理关联。图3.3为质量块交叉闭合状态下气流尖峰瞬态压力产生的示意图。从图(c)可以看出，下声门面积a(红色虚1线)大于0时，在竖虚线内的最小声门面积a(黑色实线)已经为0，而图(b)在该竖虚min17 第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究线对应的时段内出现了一个陡峭的声门气流压力。图3.3参数设置：P=1.49kPa,Q=1,Q=0.52β=0.52。(a)声门面积变化；(b)气流压slr力变化；(c)图(a)竖虚线内放大部分(可以发现a>0,但a=0)1minSH95模型是以断层的上下声门面积，并假设声门气流的非压缩且无粘性的基础上提出的，这就造成了模型在仿真严重病理发声时，其声门气流动力负载缺少了与实际声带声门气流动力的生理相关性，导致了上述声带闭合状态下声门气流尖峰瞬态压力的产生。3.4病变声带模型的CFVF修正研究及分析3.4.1左右声带的非对称碰撞力修正SH95声带模型在病理发声下，未考虑声带间的非对称张力对碰撞时弹簧形变的影响，造成左右碰撞力非对称。本研究假设病理发声下左右质量块碰撞时形变量分别为和，注意到左侧质量块在劲度为Q下发生形变，右侧质量块在劲度为Q下发ilirlr生形变，因此两者间碰撞时的形变关系应满足下式：QQlilrir(3-10)总的形变量应为：=ilirxilxira0il(3-11)18 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究通过联立(3-10)和(3-11)，可以分别获得左右两侧质量块碰撞形变量为：ilQrQlQrxilxira0il(3-12)irQlQlQrxilxira0il通过上述修正后碰撞力应为：Fcil,0aciilQrQlQrxilxirail(3-13)Fcir,0aciirQlQlQrxilxirail图3.4是修正前与修正后碰撞力变化情况对比。从图3.4(b)可以看出，同层质量块所受碰撞力F和F，F和F的变化情况一致，说明修正后模型在仿真病理cl,1cr,1cl,2cr,2发声时，分别表征左右声带的质量块受到的碰撞力满足了作用力和反作用力的对称相等关系。(a)修正前(原始SH95模型)(b)修正后图3.4碰撞力变化情况，参数设置：P=1.45kPa，Q=1，Q=0.56β=0.56slr3.4.2约束声门开启条件修正声门气流动力SH95模型在高度非对称振动时，由于本身声门面积的断层特性，导致了气流尖峰瞬态压力的产生。从图3.3(a)与(c)可以看出，声带处于外展状态时，也即声门打开时，来自肺部的气流会大量通过声门，这些气流会对靠近气管一侧的质量块(即m)1产生压力F，此时声门面积大小应该满足这样的关系：aa0(如图2.4(b)声门开11219 第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究启相)；当声门处于内收状态时，也即声门关闭时，气流大多已经完全通过声门，声带应已无气流作用，气流压力F=0，此时面积大小应满足：aa0(如图2.4(d)121声门闭合相)。从图3.3(a)和(c)看出，尖峰压力正好产生于声门闭合时段，因此要去除尖峰压力，只要在原始SH95模型关于气流压力的定义上面再增加aa0的条件12即可，因此修正后气流压力应表示为：F1ldP1s1aminamina1a1a1a2(3-14)图3.5是采用修正后气流压力运行SH95模型得到的声门面积变化与气流压力变化图。可以看出，对声门开启条件进行约束，即在原始声门气流压力定义上增加条件项aa，消除了SH95模型高度非对称振动时所产生的气流尖峰瞬态压力。12图3.5(a)声门面积变化；(b)气流压力变化。其中参数设置为：P1.49kPa,Q=1,slQ=0.52β=0.52。r3.4.3考虑粘性气流影响修正声门气流动力声带SH95模型在耦合气流进行振动时，采用的声门气流模型是伯努利方程，该[11]方程假设流经声门的气流是一维稳定且无粘性的类似气流柱的流体，因此这种理想气流在流动过程中并不会吸附至声带壁上，其造成的气流压力在空气动力学角度并不20 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究是平滑的。实际流经声门的气流是粘性的，其空气压力是连续分布作用在声带壁上的。声道qlqrx2lx2rk2lk2rm2lm2rkclkcrr2lr2rk1lk1rm1lm1rr1lr1rx1lx1r气管图3.6SH95模型中气流动力面与上下声门夹角示意图本研究在原始SH95模型的基础上假设气流的粘性特性，对声门气流压力进行重新修正。如图3.6，假设同侧的下层(靠近气管)质量块的重量集中在前缘，上层质量块(靠近声道)的重量集中在后缘，连接这两端，所连接的平面作为声带振动模型的气流动力面。声门开启和闭合时段可用上下声门间夹角变化来量化，以气流动力面方向与声门中线方向间夹角作为上下声门夹角q，从上图可以得到下式：qlarctanx1lx2ld1d2(3-15)qrarctanx1rx2rd1d2qq=lrq(3-16)以通过声门的气流连续分布作用在下层质量块m，且作用于气流动力面的气流1压力分布为：2pzP1aaaazddaaq(3-17)smin2211211因此声门开启时段内作用于下层质量块m的声门气流压力为：121 第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究d1F1,open=lpzdz0aa2(3-18)21ldP1s1amina1qda12a1ad11d2+1声门关闭时段内，声门处粘性气流分布具有非对称性，作用在左右两侧声带壁的[45][46]压力也不同，这种现象被称为“康达效应(Coandaeffect)”。本文按BLEAP方法给定声门关闭时段内，非对称气流作用于质量块m上的气流压力。假设非对称气流1只作用于下层右侧质量块m上，m上无气流作用，依据BLEAP方法理论分析得到1r1l作用于m上气流压力分布为：1r2nzzoffpclosezPs1aminq(3-19)zz30eoff其中，z=dd为声带垂直方向总长度，z=1.5mm为声带边界层厚度，参数e12offn0.015。一旦上下声门夹角q达到-6，声门射流会粘附在一侧声带上，对其产生[47]气流压力。因此声门关闭时段内作用于m上的气流压力为：1rdd12F1,rcloselpclosezdz02nn121zoffd12dzoff(3-20)lPds1d22naminq21nd12dzoff30总声门气流压力则可修正为：FF1l1,open(3-21)FFF1r1,open1,rclose22 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究图3.7参数设置：P=1.49kPa，Q=1，Q=0.52β=0.52。(a)声门面积变化；(b)作用slr于m的声门气流压力变化；(c)“康达效应”导致的气流压力1r图3.7是修正后声门面积变化与作用于m的声门气流压力变化图。从图3.7(b)1r和(c)中可以看出，受到粘性气流“康达效应”的影响，声门闭合相内也存在一段时间的声门气流动力作用于m上(图中竖虚线内部分)。1r3.4.4病变声带模型的CFVF修正针对原始SH95模型的声门气流动力修正，本文给出了两种修正方案。以约束声门开启条件对声门气流动力进行修正，只是消除了SH95模型在仿真严重病理发声振动时产生的不必要的气流尖峰瞬态压力，声门气流仍是非压缩且无粘性的，与实际声带的声门气流缺乏生理学相关性。而充分考虑粘性气流影响的声门气流动力修正，其生理学意义明确，更接近实际声带声门气流流动状况，因此本文结合SH95模型非对称碰撞力方面的修正，与考虑粘性气流影响的声门气流动力方面的修正，提出了病变声带的碰撞力修复和粘性气流影响(ContactForce-ViscousFlow，CFVF)修正模型。为了与病变声带CFVF修正模型作比较，本文将原始SH95模型的碰撞力修正，与消除尖峰瞬态压力的声门气流动力条件修正进行结合，确定了病变声带的碰撞力修复和气流尖峰瞬态压力(ContactForce-Spikes,CFS)修正模型。23 第三章病变声带SH95模型及CFVF修正研究一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究3.5本章小结本章从介绍原始SH95模型出发，对其在仿真病理发声振动下的缺陷与不足做了详尽分析，这些缺陷与不足主要有左右声带出现的非对称碰撞力不符合作用力与反作用力关系，以及在高度非对称振动下声门气流动力出现无任何生理意义的尖峰瞬态压力的问题。最后在重新考虑质量块所受应力应变关系的基础上，修正了非对称碰撞力。以约束声门开启条件消除气流尖峰瞬态压力，对声门气流动力做出简单的条件修正。但这种条件修正只是以消除气流尖峰瞬态压力为目的，并无与实际声带振动相关的生理学意义。本章又从空气动力学角度，充分考虑声门气流的粘滞特性及康达效应，以连续均匀分布作用于声门气流面的压力负载，进一步修正了声门气流动力。基于碰撞力修正和后者的声门气流动力修正提出了病变声带模型的CFVF修正。同时确定碰撞力修正和声门气流动力条件修正的CFS修正模型，以便与CFVF修正模型对比分析声带振动特性与声门气流体速率变化。24 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第四章病变声带模型物理参数反演研究第四章病变声带模型物理参数反演研究4.1引言上个章节对SH95模型在仿真病理发声时的缺陷与不足给出了物理解释，并作出了相应修正。但发声修正模型需要在实际与临床嗓音数据的验证下，才能真实反映出修正质量。为了在仿真发声振动模型与实际声带生理构造间建立联系，本章以匹配正常和病理喉声源信号为目标，对声带振动模型的物理结构参数进行参数反演研究。依据参数反演效果对比，对原始SH95模型与修正后模型进行修正质量评价，同时本研究对反演后模型参数进行差异性分析，进一步研究声带生理组织改变对实际嗓音的影响。模型参数反演是通过利用物理量的可观测数据，对未知的模型参数采用优化算法，使描述可观测物理量的计算值与观测值差的目标函数最小，从而获得模型参数最优值的一项操作。本研究提出利用实际喉声源作为可观测物理量，因通过逆滤波方式获取[48]的声源质量受共振波波纹影响，进一步提出声源特征参数作为观测数据以消除上述影响。通过不断调整模型参数向量，使声带振动模型输出量与实际观测量数据达到最佳拟合度。本文以遗传算法作为声带模型参数反演的优化算法，克服传统优化算法陷入局部最优的缺点，分别优化原始SH95模型和修正后模型的模型参数向量，使模型准确表征实际声带组织结构。4.2嗓音声源提取方法[49]本文利用离散全极点模型法(DiscreteAll-Pole，DAP)设计滤波器表征声道的频率响应，采用基于源滤波器理论的迭代自适应逆滤波算法(IterativeAdaptiveInverse[50]Filtering，IAIF)对实际嗓音信号去除声道和口唇辐射影响提取嗓音声源信号。DAP是在实际嗓音频谱上以谐波频率采样，并使邻接离散频率间的板仓测度最小从而获得全极点谱包络的一种算法，较线性预测算法(LinearPrediction，LP)，其对谐波波峰造成的共振峰更为敏感，因此其更为准确表征声道滤波器。如图4.1，IAIF首先利用高通滤波器去除传声器的低频扰动，获得处理后嗓音信25 第四章病变声带模型物理参数反演研究一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究号sn。通过逆滤波方式连续两次去除声道和口腔响应(2-6，7-11)来提取我们所需的喉声源，每次去除声道和口腔响应的操作包括两步，一步用DAP设计声道或口腔特征的滤波器Hz，另一步对嗓音信号进行逆滤波YzSzHz消除声道和口腔影响。其中各DAP滤波器的阶数p，q，g，r分别为1，28，4，28。阶数p，g的选取与考虑声门影响有关，所设计的滤波器应有-6db/octave的谱斜度特征。而q，r的选择则与准确估计声道响应有关，一般在ffkHz,kHz+3范围内，本研究使用ss的语音信号采样率f25kHz。s高通滤波器s0(n)1s(n)一次逆滤波DAPDAP逆滤波逆滤波积分(阶数p)(阶数q)2Hg1(z)3sg1(n)4Hvt1(z)5g1
(n)6g1(n)二次逆滤波g(n)g
(n)Hvt2(z)DAPsg2(n)Hg2(z)DAP积分逆滤波逆滤波(阶数r)(阶数g)1110987图4.1IAIF算法流程框图4.3参数反演向量及目标函数4.3.1设定模型参数反演向量实际声带通过肺部气流的作用输出脉冲形式的声门波，也称为嗓音声源。声带各部分组织结构或粘弹性发生改变，所产生的嗓音声源特征也会发生相应改变。为了匹配声带模型输出的声门波与实际嗓音声源的时频域特征，需要设定一组模型参数反演向量，通过不断调整该向量，使声带模型能再现实际声带的振动特征，辅助嗓音疾病在临床上的诊断。声带振动模型中的劲度系数Q描述了实际声带环甲肌的作用，体现了声带间的张力作用，影响了整个声带的弹性性质；声门下压P作为声带模型振动的能量源，其s26 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第四章病变声带模型物理参数反演研究对实际声带振动起到了至关重要的作用；耦合弹性系数k体现了实际声带的粘膜波c作用，影响同侧声带上下振动的相位差；阻尼r表征实际声带的粘滞特性，影响实i际声带振动。设定优化参数Q、Q分别为k、r相对于标准参数值的变化比例：crcikrciQQcr,(4-1)krci00下标0表示标准参数值。设定声带模型参数反演向量Φ=QQ,,Q,Plr,，crs其中各参数搜索范围为：QQ,cr,Qlr,0.5000,0.5001,0.5002,...,4.5000(4-2)Ps6.0,6.1,6.2,...,46.0cmHO1cmHO100Pa224.3.2参数反演的目标函数构造模型参数反演实质是寻找最优模型参数的一个过程，目标函数作为评价反演后模型参数向量优劣的标准，是进行模型参数反演操作中的重要组成部分。目标函数的构造应需对实际具体问题的特点等进行分析，以找寻优化的主要目标为目的进行实现。本研究需要对构建的声带模型参数进行反演优化，这些参数的改变直接影响声带的振动特征，嗓音声源随着声带振动期间开闭的变化而变化，反映了实际声带的振动情况，因此本文提出基于嗓音声源的特征参数进行目标函数的构造。图4.2是通过实际嗓音数据序列利用IAIF算法提取的实际声带单个振动周期内[51]的归一化声门波及其导数波形图。结合标准LF声门波模型给定图中各时间点及幅T值点的物理意义，其中to为声门开启时间点，to为下一周期声门开启时间点，tm对应声门波幅值最大的时间点，tc为声门关闭时间点，Ugc′和Ugr′分别表示声门波导数的正最大值和负最大值，Ugm则为声门波的最大幅值。按照上述时间点及幅值点给[52-53]出声门波的主要特征参数：基频F0，开商(OpenQuotient，OQ)，闭合商(ClosingQuotient，CIQ)，斜率比(Sloperate，Sr)及归一化振幅商(NormalizedAmplitudeQuotient，NAQ)。各参数表达式可参见表4.1。27 第四章病变声带模型物理参数反演研究一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究图4.2归一化声门波Ug与声门波导数Ug′波形图表4.1声门波主要特征参数及其表达式T基频F0F0=1totoT开商OQOQ=tctototoT闭合商CIQCIQtctmtoto斜率比SrSrUgcUgrT归一化振幅商NAQNAQUgmUgctoto本文模型参数反演的最终目标是使以反演后模型参数向量运行声带振动模型，模型能够仿真目标嗓音对应的实际声带振动，因此通过模型输出声源特征参数与目标嗓音声源特征参数之间的误差构造目标函数：28 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第四章病变声带模型物理参数反演研究fΦwF10modF0obj+w2NAQmodNAQobjSrmodSrobj(4-3)w3OQmodOQobjCIQmodCIQobj式(4-3)中，下标mod和obj分别表示模型声门波和目标嗓音声门波。声门关闭瞬间对应着所有共振峰被同时激励的瞬间，在声门波导数上表现出明显的奇异性，容易且准确地被检测出，因此检测出的基频较为准确，设定权重w0.5；声门波及其导1数的最大幅值仅与提取得到的声门波好坏有关，检测幅值大小较为准确，因此提取得到的与幅值有关的参数前权重设定为w0.15；声门波开闭时刻由LF模型估计得到，2同时与提取的声门波好坏有关，因此依据声门波开闭时刻提取得到的参数前权重设定为w0.1。34.4声带模型参数反演优化算法设计本研究考虑到模型优化参数与嗓音声源曲线间存在的非线性关系，因此本文上述构造的目标函数在参数搜索空间中存在非凸性，采用的优化算法应具有全局寻优特性，[54-55]应避免目标函数取值陷入局部最优解。遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)作为演化算法不需要复杂的数学计算，由于其进化特性，GA只需去寻找具体问题的优化解，而不要深究问题的内部运作方式。在全局搜索过程中，GA是一种相当有效的方式。因为较传统的优化算法通过比较相邻点来找寻最优点的方式，GA是直接在全局搜索空间找寻最小值点，而无需同相邻点进行比较。GA借用了生物演化的思想，在处理具体寻优问题时具有强大的灵活性，能表现出良好的鲁棒性。因此本文利用遗传优化算法设计整个声带模型参数反演过程，具体实施步骤如下：第1步：在声带模型参数反演向量的搜索范围内对各模型参数进行编码，本文采用浮点数编码。本研究将参数QQ,,Qlr,变化间隔设为0.0001，而参数crPs变化间隔设为0.1cmH2O，经过参数编码后形成参数反演向量的搜索空间。第2步：在上述搜索空间内用均匀分布的随机数生成Np个个体组成的初始种群{i}，i=1，2，…，Np。初始种群中的单个个体按以下等式生成：29 第四章病变声带模型物理参数反演研究一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究iΦi：[QQ,,Q|lr,]0.50.0001rand([0,1,...,4000])cr(4-4)iP60.1rand([0,1,...,400])cmHOs2rand为在一定范围内随机生成数。第3步：利用式(4-3)计算种群中各个体的目标函数值，取其倒数作为各个体的适应度值(i)。从中选择适应度值最大的个体作为全局最优个体best。第4步：对种群分别进行选择，交叉和变异操作。其中选择采用轮盘赌方式，每个个体的选择概率PΦi如下式所示：NpPΦiΦiΦi(4-5)i1设定交叉概率Pc，依据Pc进行交叉操作，交叉算子定义为：Φii1Φnewold=(4-6)Φji1Φnewold其中取为0~1间的随机数。设定变异概率Pm，依据Pm进行变异操作，变异算子定义为：21kkmaxΦioldΦimaxΦiold10.51Φinew=(4-7)21kkmaxΦioldΦioldΦimin100.5其中取为0~1间的随机数，k为当前代数。第5步：再次计算新种群中每个个体的适应度值。分别选出适应度值最大和最小的个体best＇、worst＇。若(best)>(best＇)，则用best＇替换worst＇，best替换best＇，保持其他个体不变，生成新一代种群，同时保留best为全局最优个体；反之，用best替换worst＇，保持其他个体不变，生成新一代种群，将best＇替换best为全局最优个体。第6步：若达到迭代次数，则输出全局最优个体；否则将新种群代入第4步，重复4~6步。第7步：得到全局最优个体即该嗓音声源所对应的反演后模型参数向量30 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第四章病变声带模型物理参数反演研究*****=Q,Q,Q,Plr,。crs4.5病变声带CFVF修正模型参数反演系统设计标准声带模型参数初始化实正际常嗓原始SH95声CFS修正声带CFVF修正声、音带模型模型带模型病信理号IAIF(基于仿真病理发声DAP)条件下声带振仿真振动位移动特性对比分仿真声门实际声源信号析波信号波形特征参数波形特征参数提取提取(F0mod，OQmod，(F0obj，OQobj，CIQmod，Srmod，CIQobj，Srobj，NAQmod)NAQobj)目标函数f交叉，变异(获得确定新的一组模型反演参数向量群)选择获得本代全局最优个体(本代最优模型参数向量)否是达到迭代次数?声源特征参数相对误差输出反演后模型参数向量参数反演效果评价，对修正模型与原模型反演效果进行对比分析差异性分析图4.3病变声带CFVF修正模型参数反演系统流程框图31 第四章病变声带模型物理参数反演研究一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究本研究首先将原始SH95模型，病变声带CFS修正模型及CFVF修正模型进行声带振动特性对比分析，研究CFVF修正模型在仿真病理发声条件下声带振动较原模型的改进与差异。然后将各声带模型分别进行模型参数反演，通过反演质量评价的对比分析进一步研究在临床嗓音数据下CFVF修正模型在模拟实际病变声带振动时的优劣。整个系统流程框图如图4.3。4.6本章小结本章考虑到嗓音声源激励有效反映实际声带振动情况，以匹配模型输出嗓音源与实际目标嗓音声源的特征参数来进行声带模型参数的参数反演过程。首先对实际嗓音源从嗓音信号中的提取过程做了方法介绍及分析，然后确定了模型参数反演向量，依据嗓音声源作为匹配目标，构造了整个参数反演系统的目标函数，采用遗传优化算法给定了本文具体如何调整模型参数向量以实现参数反演的整体步骤及方法，最后介绍了整个病变声带CFVF修正模型振动仿真实验及参数反演系统运行的流程。32 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第五章仿真与实验结果及分析第五章仿真与实验结果及分析本章通过仿真实验，在模拟相同病理发声时，对原始SH95模型、CFS修正模型及CFVF修正模型的声带振动位移及特征、声门波的变化进行对比分析；基于实际嗓音声源对上述模型分别进行模型参数反演实验，对三者的参数反演效果进行对比分析；对反演后模型物理参数进行差异性分析，进一步研究声带生理组织改变对实际嗓音的影响。5.1病变声带CFVF修正模型的振动对比分析图5.1给出了在仿真同种病理发声情况Ps1.49kPa,Q1,Q0.520.52lr下，SH95模型与CFS修正模型及CFVF修正模型的声带振动位移、声门波及xx11lr相轨迹的对比分析。图5.1P=1.49kPa,Q=1,Q=0.52β=0.52。各模型的声带振动位移x,x,声门气流体slr1l1r速度Ug及xx-相轨迹。(a)SH95模型；(b)CFS修正模型；(c)CFVF修正模型11lr33 第五章仿真与实验结果及分析一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究从各模型的声带振动位移图可以看出，原始SH95模型的振动行为复杂，在一个振动周期内，左右两侧声带进行多次开闭，振动呈现明显的无规律性，而修正后的模型，无论是CFS修正还是CFVF修正，其振动都呈现周期性，且受到病变仿真影响的右侧声带较正常的左侧声带以更大的幅度进行自激振动。从声门波变化图中可以看出，SH95模型受到自身的碰撞力及声门气流动力缺陷影响，在整个发声周期内多次产生声门气流，而修正后模型在单个发声周期内，其关闭相、开启相等时间段明确，且发声基频在一定程度上较原始模型减小。xx相轨迹作为描述复杂振动甚至是11lr混沌振动的有力工具，可以进一步展示原始模型更多复杂的振动行为。原始模型出现多个折叠式极限环，表征仿真的声带振动存在分频谐波成分，而修正后模型均显示为单个极限环，表示修正后的模型在仿真病理发声振动时，其振动规律性较好。针对上述分析，本文考虑传统声带振动模型在病理发声时的高阶振动，应该是由其自身缺陷与不足引起，因此本文在整个参数范围内继续进行三种模型的振动位移特性对比分析。5.1.1声带模型振动位移对比分析仿真病理发声时，声带模型左右质量块间的弹性组织参数呈现非对称性，且随着声门下压的不断变化，仿真的声带振动也会从发散状态过度到自激振动状态，因此本文在-P参数平面内观察各模型仿真声带振动行为的变化。如图5.2展示了三个模型s的-P参数平面。仿真实验是以每一组参数对(参数和P分别从0.35~0.6及ss0.8~1.5kPa中进行取值，参数间距分别为：=0.005，P=0.005kPa)运行声带模型，s仿真持续时间为250ms，在质量块位移x和x的完整振动周期内，分别取其极大值1l1r点个数n和n，最后计算每一组参数对所对应的n和n的比值。在图5.2中，同一1l1r1l1r颜色点代表了相同的极点数比值，如红色点代表了1:2的极点数比，说明左侧质量块m在一个振动周期内只出现了1个极点，即振动了1次，而右侧质量块m在一个振1l1r动周期内出现了2个极点，即振动了2次，且2次振动并不一致，其振动存在着非线性。34 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第五章仿真与实验结果及分析图5.2β-P参数平面分岔图。(a)SH95模型；(b)CFS修正模型；(c)CFVF修正模型s35 第五章仿真与实验结果及分析一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究从图5.2可以看出，原始SH95模型在=0.5~0.6，P1.3~1.5kPa处，其左右振s动位移在单个振动周期内出现多个(2个及2个以上)极大值点，表示质量块在一个完整振动周期内进行了多次振动，该处出现了高阶甚至是混沌振动，声门在一个完整振动周期内出现多次开闭。但随着非对称参数的不断减小，右侧质量块振动出现的极大值点数降为1，左侧也在下降，变为2或3，仿真的声带振动行为复杂性降低。这并不符合实际声带振动特性，因此可以看出这段区域是受到SH95模型本身缺陷与不足的振动位移分岔区域(=0.5~0.6，P1.3~1.5kPa)。从图5.2(b)及(c)可以看出，修s正后的模型并未在该区域出现左右质量块的高阶非线性振动，且CFVF修正模型较CFS修正模型更贴合实际病理声带振动特性，随着声带组织非对称性增大，更多高阶和复杂的振动行为逐渐产生(=0.37~0.38区域)。图5.3相对声门中线的左右声带振动位移波形图为了比较修正模型与原模型在振动位移非对称性方面的差异，本研究分别在正常和病理发声条件下提取了振动位移非对称参数。如图5.3，相对声门中线的左右两侧振动位移利用下式计算所得：36 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第五章仿真与实验结果及分析aa0102minx,x,a012minx22ll(5-1)nanelse,其中，=,LR分别表示左右质量块。以图中各关键时刻点及幅值点提取得到相位[56]非对称参数PA(PhaseAsymmetry，PA)，幅值非对称性参数AA(Amplitude[57][58]Asymmetry，AA)以及碰撞点偏移度AS(AxisShift，AS)。以式(5-2)表达各参数。ttAAxxRLLRoc(5-2)PA=,AA=,AS=OPAAwLR上述各参数中，PA体现了左侧声带与右侧声带振动时的相位差，AA与左右声带最大振动幅度间的差值有关，而AS则表示了左右声带碰撞点较声门中线处的偏移程度。表5.1不同发声条件下模型间的振动位移非对称程度对比Q1,Q1(1),P0.8kPaQ1,Q0.52(0.52),P1.3kPalrslrs参数SH95CFS修正CFVF修正SH95CFS修正CFVF修正F0Hz136.23136.23137.6878.4570.2271.40左右极点1:11:11:11:12:12:1数比PA%00038.6325.6925.60PA%0000.1500AA%001.1743.6259.1553.10AA%000.010.2300AS%000.1811.1043.6441.22AS%0000.170037 第五章仿真与实验结果及分析一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究从表5.1中可以看出，仿真正常发声时，SH95模型与CFS修正模型在声带振动时表现并无差异，CFVF修正因考虑了声门关闭时段内气流动力的非对称性，造成左右声带振动位移幅度有微弱的非对称性，更符合实际正常声带振动特性。仿真病理发声时，CFVF修正与CFS修正较原模型有更为复杂的振动行为(从左右极点数比可以看出)，除了相位延迟低于原始模型，峰值幅度差及碰撞点偏移较原始模型都更大，振动位移的非对称特征更加明显。5.1.2仿真声门气流体速率对比分析本文主要通过对碰撞力及空气动力方面的改进来修正SH95模型，而嗓音声源及声门气流体速度受空气动力影响较大，因此本文分析声门气流体速度方面的各类参数变化，进一步对比原始模型与修正后模型的优劣。图5.4(a)给出了声门气流体速率波动的均方根Ug随着非对称参数及声门下rms压P的变化情况。Ug表征声源的波动强度大小，间接反映了声带振动幅度。从图srms中可以看出，CFVF修正较原始模型与CFS修正模型，其波动强度较弱。在同种非对称程度下，使得模型能够进行自激振动的声门下压较大，也即CFVF修正模型需要更大的发声阈压使得声带进行发声。另外，对同一声门下压，声带间越不对称，其声源的波动强度也越大。图5.4(b)描述了声门气流体速率变化速率的均方根Ug的变化情况。Ug与发rmsrms[59]声气流强度直接相关。在声带弱非对称的发声条件下，修正模型与原始模型的声源变化速率并无多大差异，且CFS修正的值要稍大于其他两种模型。而随着声带劲度的非对称程度增大，CFVF修正的发声气流强度较其他两种模型要小(如=0.4时)。另外，对同一声门下压，声带间越不对称，其声源的变化速率越弱，表征了发声强度也越弱，所以结合图5.4(a)和(b)可以发现，病理发声时，声带振动幅度越大，即声源波动强度越大，其发声强度越弱。38 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第五章仿真与实验结果及分析(a)(b)(c)(d)图5.4各模型的模型物理参数(β,P)对声门气流体速率的影响s图5.4(c)为不同模型不同病理发声条件下的平均声门气流体速率Ug。可以看mean出修正后模型较原始SH95模型的Ug较小。从声带非对称程度上看，声带越不对mean称，其值越大。这与实际情况类似，因为人在正常呼吸时，声门处于外展状态，平均声门气流体速率较大，所以高Ug对应着“呼吸”音，能在一定程度上体现声带的病mean理程度。图5.4(d)为单个完整周期内最小声门气流体速率Ug随着不同病理程度的变leakage化图。该值非0时，说明声门未完全闭合，有气流从声门处流出。从该图中可以看出，39 第五章仿真与实验结果及分析一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究所有模型的Ug均是先增大后减小,然后随着声门下压的不断增大，该值为0。leakageUg增大部分发生于声带未能进行自激振荡时，由于CFVF模型的发声阈压较其leakage他模型大，因此其增大的时间最长。另外，随着声带非对称性降低，其在整个声门下压范围内未能完全闭合次数增多。表5.2不同发声条件下模型间的声门气流体速率参数对比Q1,Q1(1),P0.8kPaQ1,Q0.52(0.52),P1.3kPalrslrs参数SH95CFS修正CFVF修正SH95CFS修正CFVF修正UgmaxLs194919491860324036903543MFDR0.01470.01470.01350.01430.01690.01723210LsOQ%67.7667.7668.5190.3561.2459.14OQ%0.810.810.820.8700SQ%313.98313.98321.631075.50259.12245.77SQ%8.078.078.5798.6900CIQ%31.6931.6930.949.3438.4840.57CIQ%0.810.810.820.8700表5.2分别列出了正常和病理发声条件下原始和修正模型的声门气流体速率各参数大小情况，其中MFDR为声门气流体速率最大下降率(MaximumFlowDeclination[60]Rate，MFDR)，其与发声强度密切相关。正常发声条件下，由于CFS修正模型仅仅是约束了声门开启条件，及修正了病理发声时的非对称碰撞力，其各项参数与原始SH95模型并无任何差异，CFVF修正模型在最大声门气流、MFDR与速度商SQ方面与原模型有较大差异，其他参数改变不大。病理发声条件下，修正模型的最大气流体速率及MFDR比原始模型更大，说明发声的呼吸声成分增多，病理状况体现程度较40 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第五章仿真与实验结果及分析原模型更高，开商、速度商均降低，闭合商均提高，声门压紧程度更大，与原模型相比，嗓音声源的病理成分更为突出。5.2病变声带CFVF修正模型参数反演对比分析5.2.1实验数据表5.3嗓音数据统计情况嗓音类别人数年龄均值，标准差(年)正常2034.6，8.0声带水肿735.0，8.2声带息肉633.0，0声带麻痹735.3，7.4声带病变合计2033.9，7.6[61]本实验所用数据来源于MEEI(MassachusettsEyeandEarInfirmary)数据库，该数据库的测试集均为元音/a:/，并给出了患者的年龄、性别及专家诊断结果。本文从该数据库中选取20例正常嗓音和20例声带病变嗓音进行了病变声带模型参数反演实验，具体统计数据可参见表5.3。所有嗓音样本的采样率均为25kHz。5.2.2反演效果对比评价本文首先从表5.3的嗓音样本中挑选了4例正常嗓音和4例病理嗓音(声带麻痹2例、声带水肿和声带息肉各1例)用于参数反演效果的主观评价。遗传优化算法方面，设定种群中个体数目为100，迭代次数不超过500，交叉概率Pc为0.7，变异概率Pm为0.3。41 第五章仿真与实验结果及分析一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究(a)正常嗓音(b)病理嗓音图5.5嗓音声源匹配结果图5.5(a)是原始SH95模型的正常嗓音声门波在时域上的匹配结果。从该图可以看出，参数反演后的声带模型可以输出与实际正常嗓音声门波波形近似一致的嗓音声源，仿真效果良好。图5.5(b)是以该模型为基础的病理嗓音声门波在时域上的匹配结果。从该图可以看出，病理嗓音声门气流脉冲出现了气声、声门压紧等病理类型。以声门波特征参数误差加权和为目标函数，对声带模型进行参数反演后，病变声带模型能够很好地捕捉到实际病理嗓音声门波的特征。在气声类型(即图5.5(b)中第1张声门波时域匹配图)的声门波匹配中，模型输出声门波的最小幅度Ug不为0，表示病变min声带模型良好地捕捉到了该病变声带声门闭合不全的特征。为了验证在实际临床嗓音数据下，CFS修正模型与CFVF修正模型较原始SH95模型在模拟实际病理声带发声时的优越性，同时为了客观地对模型物理参数反演效果进行评价，本文定义嗓音声源各主要特征参数的匹配相对误差MRE(MatchingRelativeError)：fpfpmodobjMRE100%(5-3)fpobj其中，fp和fp分别表示模型声门波时频域特征参数和实际嗓音源特征参数。modobj匹配相对误差MRE越小，则说明反演效果越好。为了进一步对参数反演效果进行总体评价，以本文目标函数为基础定义总的加权匹配相对误差，如下式：42 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第五章仿真与实验结果及分析wMRE1F0w2MRESrMRENAQw3MREOQMRECIQ(5-4)其中w、w、w为本文目标函数中设定的权重值。123表5.3不同模型间正常嗓音声源参数MRE匹配结果SH95CFS修正CFVF修正正常嗓音MREMREMREMREMREMRE声源MREMREMREminmaxminmaxminmaxF0%0.361.010.560.361.130.620.270.920.48OQ%0.731.250.930.801.251.010.621.120.82CIQ%0.791.401.010.871.320.950.681.210.93Sr%0.531.130.720.631.240.840.551.240.87NAQ%0.721.210.840.701.110.800.631.020.72%0.681.040.920.631.100.940.570.920.85上述实验结果表明，CFS修正模型声源参数的平均加权匹配误差与原始SH95模型基本相同，而CFVF修正模型声源参数的平均加权匹配误差要稍低于原始SH95模型，说明考虑声门气流的粘性特性及康达效应在仿真实际正常声带发声时更为准确。表5.4给出了不同模型间病理嗓音声源参数MRE匹配结果。从该表可以看出，当利用声带振动模型模拟实际病理声带发声时，CFS及CFVF修正模型的平均加权匹配误差分别比原始模型低0.13%及0.19%，尤其对CFVF修正模型而言，除了参数Sr的平均MRE稍高于原始模型，其他各参数的平均MRE均低于原始模型，证明了本文提出的关于原始SH95模型的CFVF修正在仿真实际病理发声的有效性及优越性。43 第五章仿真与实验结果及分析一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究表5.4不同模型间病理嗓音声源参数MRE匹配结果SH95CFS修正CFVF修正病理嗓音MREMREMREMREMREMRE声源MREMREMREminmaxminmaxminmaxF0%0.621.511.010.691.380.900.571.430.87OQ%0.911.731.320.821.821.420.951.651.29CIQ%0.891.821.470.961.941.380.721.751.33Sr%0.721.230.830.791.150.900.621.370.85NAQ%0.881.461.210.931.661.090.751.581.12%0.801.671.380.851.581.250.761.481.195.3反演后模型物理参数差异性分析为了分析声带关键部位的病变对嗓音信号产生的影响，采用独立样本t检验，对正常、病理嗓音样本经CFVF修正模型反演后的物理参数均值，分别进行差异显著性[62]检验。独立样本t检验常用于比较两样本平均数与各自代表的总体差异是否显著，利用下式计算其统计量：XX12t2211nn11(5-5)1122nnnn2121222其中，XX,为样本平均数，,为样本方差，nn,为样本量。依据上式计121212算得出t值后，查询t值表即可得P值，从而判断两样本间的均值差异是否显著。设定统计显著性P=0.05，当P<0.05，两样本间具有显著差异。从表5.5可以看出，除了阻尼系数在正常和病变声带间无明显差异性，声带的劲度非对称系数、耦合弹性系数及声门下压的改变都对病理嗓音的产生起到了关键作用。44 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第五章仿真与实验结果及分析表5.5反演后模型物理参数在正常和病理嗓音间的差异性QQrlcQQcrclrQQrrrlPsP值0.0350.0420.1330.0235.4本章小结本章主要从两方面验证了修正模型相对原始SH95模型在仿真病理声带发声时的有效性及优越性。首先研究了不同模型仿真病理发声振动时，声带振动位移非对称程度及其复杂性的差异，结果表明CFVF修正模型与CFS修正模型消除了SH95模型本身固有的复杂振动区域，且CFVF修正模型在仿真同类病理发声时，其振动的非对称特征更为明显。在仿真实验中，还研究了不同模型的声门气流体速率的差异，结果表明修正模型较原始模型更能体现嗓音的病理特征(“呼吸音”成分增多)。在模型物理参数反演实验中，基于实际嗓音数据再次证明了修正模型较原始模型能更为准确表达实际病理发声振动特征。最后进行了反演后模型物理参数的差异性分析，结果表明声带弹性组织及声门下压的改变是造成病理嗓音产生的关键因素。45 第六章总结与展望一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第六章总结与展望6.1论文工作总结声带疾病导致的声带生理组织改变是产生病理嗓音的重要原因，传统的病理嗓音识别方法过多关注嗓音信号的症状信息，缺乏对病变声带无规律振动信息的根本原因的研究。本文从传统的SH95声带模型探究声带振动机制出发，仿真病理发声振动，并基于此发现并分析了SH95模型在病理发声条件下碰撞力、声门气流动力方面的缺陷与不足，针对上述各问题分别进行修正研究，提出病变声带CFVF修正模型。为了进一步验证修正模型在模拟实际病理发声时的有效性及优越性，对实际嗓音信号进行迭代逆滤波提取嗓音声源信号，通过遗传优化算法进行模型参数反演操作，对比分析反演效果，对反演后模型参数进行差异性分析。本文介绍了传统SH95声带振动模型，引入劲度系数Q表征实际声带的环甲肌作用，通过改变声门下压P及劲度系数Q来仿真病理发声的非对称振动。对病理发s声情况下，两侧质量块间的碰撞力及声门气流空气动力变化情况进行分析，指出SH95模型在仿真病理非对称振动时的不足与缺陷，针对非对称碰撞力考虑应力应变关系对其进行修正；在左右质量块参数高度非对称情况下出现的气流尖峰瞬态压力，先通过约束声门开启段条件对该瞬态压力进行消除，修正声门气流动力。但为了更为准确仿真实际声带振动特征，同时考虑到声门气流动力的条件修正缺乏生理学意义，本文又从空气动力学角度，以均匀分布作用于声门气流动力面的空气动力定义，进一步修正了声门气流压力。最后提出了碰撞力和粘性气流影响修正后模型(CFVF修正模型)，并与碰撞力和气流尖峰瞬态压力修正后模型(CFS修正模型)，对仿真同类病理发声下的质量块振动特性进行了对比分析。仅仅从物理仿真角度对比分析本文提出的修正模型较原SH95模型的改进是不够的，结合临床嗓音数据进行验证则能够充分体现修正模型在模拟实际病理发声时的有效性及优越性。因此本文提出基于嗓音声源的模型参数反演方法，使声带振动模型有效体现实际声带组织特性。首先从实际嗓音信号中通过迭代逆滤波方式提取嗓音声源，46 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究第六章总结与展望结合本文匹配喉声源的目标，确定声门波特征参数误差权重和的目标函数，基于目标函数采用遗传优化算法反演声带模型参数，对原模型及CFVF修正模型的反演效果进行对比评价，对反演后模型参数进行差异性分析。最后，本文分别进行了声带模型在病理发声振动时的仿真实验与模型参数反演实验。结果表明，无论从物理仿真角度还是实际临床嗓音数据验证角度，本文针对原始SH95模型的CFVF修正模型在模拟实际病变声带组织时具有有效性及优越性，同时进一步指出声带弹性组织及声门下压在正常和病变声带间具有显著性差异。6.2未来工作展望虽然本文提出的CFVF修正模型较原始SH95模型，无论从物理仿真角度还是临床嗓音数据下都表示出在模拟病理发声振动时的优越性，更加适合于声带疾病发病机制的进一步研究，但由于时间有限，还存在以下几点需要进一步改善并进行相关研究：(1)声带疾病种类繁多且组织结构复杂，本文修正模型只是在碰撞力及空气动力方面做了基础修正，在模拟具体声带疾病的发声振动时，还需依据实际声带的组织结构特征建立针对具体疾病的声带振动模型，以做进一步研究。(2)本文参数反演的实验数据是对实际嗓音信号逆滤波后得到的嗓音声源数据，如何改进嗓音声源提取方法，以提高模型参数反演效果仍是未来研究的重点。(3)反演后模型参数仅反映出实际声带生理组织结构，本文研究声带振动模型的目的，是为了进一步研究嗓音疾病发病机制来辅助临床嗓音疾病的识别分类，因此对嗓音信号声学参数与声带模型物理参数间建立映射关系仍有待研究。(4)目前国内外对声道的研究已有3D打印出来的实物模型产品，如何将我们研究的病变声带仿真模型应用于实际声带实物化，也是一个值得期待的研究点。47 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攻读硕士学位期间发表的论文一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究攻读硕士学位期间发表的论文[1]曾晓亮,张晓俊,吴迪,邵雅婷,陶智.利用声带动力学模型参数反演方法进行病变嗓音分类.声学学报.(已录用).[2]ZengXiaoliang,ZhangXiaojun,WuDi,ShaoYating,TaoZhi.Parameterinversionmethodofvocalfolddynamicsmodelinpathologicalvoiceclassification.ChineseJournalofAcoustics.(已录用)[3]陶智,曾晓亮,顾玲玲,张晓俊,吴迪,薛隆基.病理嗓音发声系统的非对称建模研究.数据采集与处理.2016,31(2):260-267.54 一种病变声带CFVF修正模型及其参数反演研究致谢致谢研究生生活稍纵即逝，即将离开学习和生活了七年的大学校园，内心充满了不舍。回首整个研究生学习生涯，这三年里遇到的各种人和事都让我不断成长，从当初年轻莽撞的少年到如今沉着冷静的青年，学校里的良师益友无论是在学习上，还是生活上都给予了我极大的帮助，再此我要衷心地对他们表示感谢！首先我要真诚地感谢我的导师陶智教授，我的主要研究工作都是在陶老师的帮助下完成的，从整个研究方向的确定，研究工作的敦促，论文细节的把握，陶老师对我都做了详尽的说明和指导。在生活中，陶老师更像是我的朋友和亲切的长辈，教诲我们要做个诚实和勤奋的人，要学会提高自己的情商以很好地适应这个我们即将面对的社会，当我们有任何困难时，都可以找陶老师谈谈，陶老师会给我们开导和提供一些建议。陶老师有很高的学术造诣和素养，无论是小论文还是这篇毕业论文，陶老师都灌注了大量的心血，非常感谢我的这位伟大和亲切的导师。感谢顾济华教授在学术上悉心的关怀，顾老师深厚的学术功底、认真负责的工作态度和平易近人的品质都使我收益匪浅。感谢赵勋杰研究员、李成金教授和许宜申副教授，本科时就受到各位老师的教育之恩，各位老师们专业的学术知识和严谨的治学精神使我在研究生学习中获益颇多。感谢张晓俊老师和吴迪老师，在我的小论文和大论文上都给出了专业的修改建议，同时在生活中也对我提供了无私帮助。感谢肖仲喆老师、陈大庆和钱敏等老师，你们在学术上的严谨和求真务实的态度都是我学习的榜样。感谢师兄孙宝印、周孝进、倪赛华、周华和孙焕，师姐沈燕、顾玲玲、袁悦、常静雅和周佳秦的关心和帮助；感谢两位师妹邵雅婷和王琰的支持和帮助；感谢同窗好友肖龙飞、史聪文、王珺玥、周思阳、王磊、秦跃和樊晓鹤等同学的陪伴和帮助。感谢陶老师及整个病理嗓音课题组，是你们让我充满了默默做科研工作的不竭动力，同时让我充分感受到了团队的温暖和无私关爱。最后感谢我的父母对我二十多年的养育和细心栽培，谢谢你们给我提供了安心学习的物质基础和快乐生活的良好环境，感谢我亲爱的朋友们的支持和鼓励。55 苏州大学ｔｉＩ硕士学位论文１：１（学术学位）＊＇＊一苏州大学研究生院统印制．１■＿