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Patrick
Anmeldungsdatum: 05.07.2006
Beiträge: 417
Wohnort: Nieder-Wöllstadt
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 Patrick Verfasst am: 10. Jun 2007 21:03 Titel: Bewegung von Stimmbändern / Finite-Elemente-Methode |
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Hallo,
kann mir jemand sagen, wie man die Bewegung von Stimmbändern beschreiben kann? Welches Verfahren wird da verwendet? Vielleicht
die Finite-Elemente-Methode?
Aber wie führt man eine Finite-Elemente-Methode durch? Den Artikel
von Wikipedia habe ich nicht nachvollziehen können.
Oder muss man da eine Interpolation durchführen?  |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 11. Jun 2007 02:50 Titel: |
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Um herauszufinden, wie sich Stimmbänder bewegen, und mit welchen Frequenzen und Amplituden sie schwingen, muss man zuallererst mal experimentell beobachten:
Zum Beispiel den Stimmbändern beim Schwingen zuschauen, mit einer kleinen Kamera, wie sie zum Beispiel ein Hals-Nasen-Ohren-Arzt verwendet. Oft verwendet man dabei den Trick, dass man stroboskopisch beobachtet, das heißt, man beleuchtet die Stimmbänder mit Lichtblitzen in regelmäßigem Zeitabstand, um die schnelle Bewegung der Stimmbänder besser beobachten zu können.
Oder zum Beispiel den Stimmlippen beim Schwingen zuhören, mit einem Mikrofon, so dass man die Geräusche aufnehmen und dann fouriertransformieren kann, dann kann man sehen, welche Frequenzen mit welchen Amplituden erzeugt werden. Und das in einer übersichtlichen Darstellung auftragen, die man Sonagramm nennt. (Siehe zum Beispiel S. 35 von 203 (= Seite 15) in http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=969161840&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=969161840.pdf ) oder das folgende Bild aus Wikipedia (vertikale Achse: Frequenz, horizontale Achse: Zeit, die Farbe stellt die Intensität dar, gesprochen wurde der Vokal a)
 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/thumb/6/6a/VOWEL_I.JPG/300px-VOWEL_I.JPG
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Und dann merkt man beim hinschauen und beobachten, dass es viele Dinge gibt, die einen Einfluss darauf haben, wie die Stimmbänder schwingen. Das sind:
- Die Muskeln, die beeinflussen, wie die Stimmbänder gespannt sind (an welchen Stellen sie frei schwingen können, an welchen Stellen sie nicht schwingen können, und wie straff sie gespannt sind)
- Der Luftstrom, der beim Ausatmen an den Stimmbändern vorbeiströmt
- Und vor allem all die vielen Muskeln, die einstellen, welcher Resonanzraum (im Mundraum, aber auch im Nasenraum, im Rachenraum und in der Lunge, siehe zum Beispiel das Bild auf Seite 19 (S. 39 von 203) in http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=969161840&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=969161840.pdf ) zur Verfügung steht, damit die Luft dort schwingen kann.
Um beschreiben zu können, wie sich Stimmbänder bewegen, und wie man das beeinflussen kann, muss man also vor allem beobachten und ausprobieren. Ausrechnen kann man die Bewegung nicht, denn dafür müsste man ja all die Parameter und ihre Werte kennen, von denen sie abhängt.
Um physikalisch etwas berechnen zu können, muss man sich einfachere Modellsysteme aussuchen, bei denen man herausfinden kann, welche vereinfachenden Annahmen man machen kann und welche Parameter man dann in die Rechnung hineinstecken muss. |
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Patrick
Anmeldungsdatum: 05.07.2006
Beiträge: 417
Wohnort: Nieder-Wöllstadt
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| Patrick Verfasst am: 11. Jun 2007 17:46 Titel: |
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Vielen Dank erstmal!
Ich habe die Erfahrung gemacht, dass die Stimme von Menschen
oft lauter werden, wenn sie sich z.B. in Gefahr befinden. Oder
manche schreien, wenn sie von hohen Sachen runterfallen.
Wieso ist das so? Also zumindest treten folgende Situationen bei den
Stimmbändern auf:
- es strömt mehr Luft durch die Stimmbänder
- Stimmbänder werden scheinbar straffer
- ...
Dies muss man doch physikalisch darstellen können!
Kann man auch Gehirnströme mit den Schallwellen der Stimmbänder
verknüpfen?  T: Verknüpfungsfunktion
Das müsste so sein, nämlich bei irgendwelchen Impulsen im Gehirn,
kann jemand anfangen zu schreien. Ich denke, man nutzt die Maxwell-Gleichungen und die Gleichung für mechanische Wellen gleichzeitig;
schon hat man den Beweis dazu:
Und in Matrizenschreibweise kann man einen Operator-Vektor und
die Matrix mit psi und A und deren Ausbreitungsgeschwindigkeits-Koeffizienten schreiben. Für nichttriviale Lösungen muss die Koe-
ffizientendeterminante verschwinden. Danach bemerkt man die lineare
Abhängigkeit von Gehirnstrom(psi) und Schallamplitude(A).
Ist das so ein richtiger Ansatz? |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 12. Jun 2007 03:37 Titel: |
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| Patrick hat Folgendes geschrieben: |
Ich habe die Erfahrung gemacht, dass die Stimme von Menschen
oft lauter werden, wenn sie sich z.B. in Gefahr befinden. Oder
manche schreien, wenn sie von hohen Sachen runterfallen.
Wieso ist das so?
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Das ist ein automatischer Reflex, mit dem das Gehirn auf die Gefahr reagiert. Ganz offenbar hat es sich in der Natur als praktisch und vorteilhaft erwiesen, dass Menschen diesen Reflex haben. Zum Beispiel werden die anderen Menschen in der Nähe durch den Schrei schnell auf die Gefahr aufmerksam und können vielleicht noch rechtzeitig helfen oder gemeinsam die Gefahr abwenden oder sich rechtzeitig in Sicherheit bringen. Oder das wilde Tier, dem man überraschend begegnet, zuckt zurück, wenn man schreit, und man kommt mit heiler Haut davon. Auch plötzliche Muskelanstrengungen werden durch einen Schrei unterstützt, (das hast du vielleicht schon mal bei asiatischen Kampfsportlern gesehen, wenn sie Ziegelsteine durchschlagen, oder manchmal bei Tennisspielern, wenn sie kräftig gegen einen Ball schlagen) also kann man zum Beispiel besser schnell der Gefahr ausweichen oder sich gegen die Gefahr wehren.
Besonders früher, vor sehr vielen tausend Jahren, war dieser Reflex also sicher in vielen Situationen entscheidend fürs Überleben, und deshalb findet man ihn auch heute noch im Gehirn des Menschen.
Das Schreien bei plötzlichem Schmerz ist übrigens ein ganz ähnlicher Reflex, dazu habe ich diesen Link gefunden:
http://www.wdr.de/themen/forschung/1/kleine_anfrage/antworten/schmerz_schrei.jhtml
| Zitat: |
Also zumindest treten folgende Situationen bei den
Stimmbändern auf:
- es strömt mehr Luft durch die Stimmbänder
- Stimmbänder werden scheinbar straffer
- ...
Dies muss man doch physikalisch darstellen können!
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Man könnte da sicher mal probieren, ein Modell zu bauen, mit einer Röhre, durch die man Luft schicken kann, und zwei elastischen Körpern, die so eingespannt sind, dass sie den Luftweg verschließen und von der strömenden Luft zum Schwingen angeregt werden können. Und probieren, unter welchen Bedingungen sich dabei ein Ton bildet. Dann hat man wohl eine Chance, die Parameter zu messen und zu kontrollieren, die man für eine Rechnung kennen muss, und die Bewegung der Bänder auch rechnerisch zu berechnen oder zu simulieren.
So eine Simulation habe ich selbst bisher noch nicht gemacht; ich würde erst mal mit einfachen Aussagen an die Sache herangehen, wie zum Beispiel, dass ich erwarten würde, dass sich die Frequenz erhöht, wenn die Bänder straffer gespannt sind, so wie man das von einer Saite kennt.
| Zitat: |
Kann man auch Gehirnströme mit den Schallwellen der Stimmbänder
verknüpfen? T: Verknüpfungsfunktion
Das müsste so sein, nämlich bei irgendwelchen Impulsen im Gehirn,
kann jemand anfangen zu schreien.
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So allgemein ist das sicher richtig. Eine physikalische Berechnung dieses Zusammenhangs ist aber zugleich viel einfacher und viel komplizierter als du vermutet hast.
Wenn man genau wüßte, welche eine Nervenzelle das Stromsignal, das "bitte Schreien" bedeutet, aussendet und welcher eine Muskel dieses Signal empfängt und die Aktion "Schreien" ausführt, dann bräuchte man keine Maxwellgleichungen, um das zu rechnen. Denn dann könnte man einfach in der Tat sagen, je mehr Signal durch die Nervenleitung kommt, umso stärker arbeitet der Muskel und umso lauter wird der Schrei, und so ein linearer Zusammenhang würde dann sicher in einem gewissen Bereich eine prima Näherung sein.
Und ich meine, da muss man sogar nicht einmal mit einer Stromstärke rechnen, denn für die Stärke des Signals, das eine Nervenzelle aussendet, ist soweit ich weiß einfach nur entscheidend, wie viele Pulse pro Zeiteinheit durch die Nervenleitung gesendet werden.
Aber nun weiß man ja als Physiker gar nicht, welcher der vielen, vielen Ströme im Gehirn für das Auslösen eines Schreis zuständig ist, und ob man da nicht wahrscheinlich sogar sehr viele verschiedene Ströme gleichzeitig braucht. Und es gibt natürlich auch sehr viele Muskeln, an die die passenden Signale übertragen werden müssen, damit ein Schrei erfolgt.
Also müssen wir hier auf Wissen aus der Biologie und der Medizin zurückgreifen. Dort kann man zum Beispiel ausprobieren, in welcher ungefähren Gegend im Gehirn besonders viel passiert, wenn der Mensch gerade zum Beispiel etwas bestimmtes macht, zum Beispiel seine Hand hebt. (Dazu verwendet man zum Beispiel übrigens eine physikalische Messmethode, die sogenannte funktionelle Magnetresonanz-Bildgebung.) Aber natürlich kann man dadurch in aller Regel noch lange nicht sagen, welche Nervenzelle genau für welche Aktion zuständig ist. Ich würde sagen, die allermeisten Dinge werden wohl sowieso durch ein Zusammenspiel von sehr vielen Nervenzellen gesteuert.
Natürlich kann man als Physiker zum Beispiel beschreiben, mit welcher Geschwindigkeit ein Stromsignal an einer einzelnen Nervenzelle läuft, wenn man herausgefunden hat, wie und aus welchen Materialien so eine Nervenzelle aufgebaut ist und wenn man die elektrischen Eigenschaften dieser Materialien und am besten auch der gesamten Nervenzelle gemessen hat. Und man kann auch versuchen, durch Programmieren von neuronalen Netzen etwas zu simulieren, was im Prinzip vielleicht ein bisschen ähnlich funktioniert wie manche Vorgänge im Gehirn.
Aber das menschliche Gehirn besteht aus so vielen verschiedenen Zellen, und ist bei jedem Menschen im Detail unterschiedlich, dass die Beobachtungen der Biologen und Mediziner und das experimentelle Ausprobieren nicht durch Rechnungen ersetzt werden können. Das  und das  aus deinem Ansatz oben wären dazu sicher viel zu kompliziert. |
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Patrick
Anmeldungsdatum: 05.07.2006
Beiträge: 417
Wohnort: Nieder-Wöllstadt
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| Patrick Verfasst am: 12. Jun 2007 14:13 Titel: |
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Nochmals Danke!
Ich habe den Artikel gelesen und war etwas enttäuscht über manche
Aussagen, wie z.B.:
"Der Schmerzensschrei ist ein Reflex, der einfach nur aus Urzeiten
stammte"
Aber manche würde ich schon eher akzeptieren (nämlich Gründe, die mehr der Physik entsprechen), wie z.B.:
"Man schreit bei Schmerzen, damit man viel Luft holen kann und somit
der Körper viel mit Sauerstoff versorgt werden kann"
Und dazu kann man auch bestimmt eine Gleichung aufstellen:
Da Schmerzensschreie relativ kurz sind, wählt man tS (Schreidauer;
berechenbar durch Mittelwertsberechnung, ...) möglichst kurz.
vS müsste eine Proportionale Zuordnung zwischen
Schallgeschwindigkeit sein: 
Und nach Benutzung der Wellengleichung:
Außerdem gilt ungefähr: 
Und nach Einsetzen des konstanten Lungenvolumen und der Querschnitts-
fläche f kann man eine weitere partielle Differentialgleichung lösen.
Das müsste weiterbringen. Ist mein Ansatz so richtig?
Oder muss ich was anderes machen? |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 14. Jun 2007 00:49 Titel: |
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Ich finde, die Aussage über den Reflex aus Urzeiten ist einfach nur recht knapp formuliert, weil sie den Fachbegriff "Reflex" als bekannt voraussetzt, anstatt ihn ausführlich zu erklären.
Aus der Physik wissen wir zum Beispiel, was Gravitation ist, und dass durch die Gravitation seit Milliarden von Jahren Galaxien und Sterne und Planeten entstehen.
Genauso ist aus der Biologie bekannt, was Evolution ist, und dass durch die Evolution seit vielen Millionen Jahren Lebewesen entstehen, die Eigenschaften haben, die für das Überleben und für die Fortpflanzung vorteilhaft sind. Reflexe sind solche vorteilhaften Eigenschaften, sie sorgen dafür, dass Lebewesen viele wichtigen Dinge automatisch können, auch dann, wenn sie gar nicht denken können oder für ein Nachdenken nicht genug Zeit wäre. Zum Beispiel sorgen der Saugreflex und der Schluckreflex dafür, dass Säugetierbabys und Menschenbabys trinken können, ohne dass sie es lernen müssen. 
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Zu deiner Gleichung
| Zitat: |
Und dazu kann man auch bestimmt eine Gleichung aufstellen:
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habe ich noch ein paar Fragen: Ich habe schon nachvollziehen können, dass  das Luftvolumen bezeichnet, das die Lunge bei einem Schrei verlässt.
1) Magst du noch dazusagen, was du mit dem Volumen  meinst (wofür steht das N ?)?
2) Welche der Werte der Variablen in dieser Formel möchtest du als bekannt annehmen oder annehmen, dass sie zum Beispiel durch eine Messung oder Abschätzung bestimmt werden können?
3) Und den Wert welcher Variable in dieser Formel möchtest du mit dieser Formel bestimmen?
Und vermute ich richtig, dass das Ziel der gesamten Rechnung die Bestimmung der Auslenkung ) der Schallwellen, die den Mund verlassen, sein soll? Und dass mit dieser "Auslenkung der Schallwellen" konkret der Luftdruck ) vor dem Mund gemeint sein soll? |
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