La solució del problema de la veu humana des de la mecànica computacional és objecte d'estudi per part de diverses disciplines, com per exemple la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD), la biomecànica o l'acústica. En la present tesi s'encara el problema des de l'Aeroacústica Computacional (CAA) i el primer objectiu consisteix en desenvolupar mètodes numèrics d'aplicació general que puguin ser part de la solució, amb un cost computacional raonable, de qualsevol escenari relacionat amb la fonació humana. En aquest sentit, només les equacions de flux compressible de Navier-Stokes aconsegueixen descriure totes les escales alhora, tant les dinàmiques com les acústiques, sense recórrer a cap modelització, conegut com a Simulació Numèrica Directa (DNS), però el seu cost computacional és normalment inassumible. Fins i tot en el cas d'una Large Eddy Simulation (LES), on les escales petites són modelades, el cost pot resultar excessiu a causa de la complexitat del problema. Aquest fet encara és més accentuat en el règim de baix nombre de Mach donada la gran disparitat entre la velocitat del fluid i la del so i el conseqüent mal condicionament del sistema d'equacions, sobretot en esquemes conservatius. Per tant, tenint en compte les baixes velocitats de l'aire al tracte vocal, té sentit recórrer a l'aproximació de flux incompressible. Els fluids incompressibles no inclouen la part acústica, de manera que cal calcular un segon problema que descrigui la propagació de les fonts de so.

Aquests són els anomenats mètodes híbrids, que permeten un millor condicionament del problema gràcies a la segregació de les escales acústiques de les dinàmiques. S'ha pres l'analogia de Lighthill com a punt de partida, però la seva restricció a casos en camp obert ha motivat l'extensió del mètode cap a geometries arbitràries i fluxos no uniformes. El primer desenvolupament en aquesta direcció consisteix en la divisió de l'analogia de Lighthill en una component quadrupolar i una altra de dipolar, fet que no altera el problema original però que permet analitzar la contribució de cossos sòlids en la generació de so. El segon pas consisteix en el desenvolupament d'una formulació estabilitzada en elements finits (FEM) de les Acoustic Perturbation Equations (APE), que incorporen la propagació en fluxos no uniformes i que realitzen un filtrat complet de les escales acústiques. El pas final assumeix la compressibilitat del fluid però omet l'equació d'energia, i per tant considera la dinàmica i l'acústica fenòmens isentròpics. En aquest cas el solver és unificat i per tant s'ha desenvolupat un mètode per imposar condicions de contorn compatibles entre ambdues escales del fluid. Finalment, les formulacions numèriques han estat adaptades a casos de fonació dinàmica mitjançant una referència Arbitrària Lagrangiana Euleriana (ALE). A més, es presenta una estratègia de remallat amb interpolació conservativa entre malles. En l'últim capítol es presenta un cas de fonació humana que suposa un repte per la seva complexitat i que ha servit per validar les formulacions numèriques presentades: la fricativa sorda /s/. A diferència de les vocals, que són sons sonors definits per unes poques freqüències característiques, les fricatives no poden ser simulades com la propagació d'una funció analítica coneguda (pols glotal) perquè les fonts de so corresponen a un rang ampli d'escales turbulents. Per tant és necessària una simulació CFD per tal de capturar-les. El problema se soluciona amb un model de turbulència LES amb el mètode d'estabilització Variational Multiscale. L'anàlisi se centra en la representació numèrica de la turbulència i en el senyal acústic al camp llunyà, tot comparant-lo amb dades experimentals. Finalment, s'avalua la contribució dels incisius superiors en la generació del so fricatiu sord /s/. Totes les simulacions han estat realitzades amb el codi FEM multi-físic en paral·lel FEMUSS, basat en programació orientada a objectes en FORTRAN i en OpenMPI.


URL Thesis