病理喉声源发声系统模型的非线性分析及其优化研究

摘要

嗓音的好坏直接影响着语言的表达，由于环境、职业等因素，声带疾病的患病率逐年增加，极大地影响了人们的健康和生活质量。声学检测用于病理嗓音识别还处于理论研究阶段，且对特征参数的研究仍存在不足，嗓音声学特征优化与实际声带生理结构缺乏联系。声带病变是导致嗓音异常的重要原因，近年来，关于声带的各类物理模型相继被提出，各类病理声带发声模型相关参数的研究为声带疾病分类提供了新的思路。
　　本文针对声带疾病分类时参数选择存在的局限性，从发声系统建模的角度，提出对声带模型进行连续的非线性分析，优化模型参数匹配实际喉声源，并分析息肉和麻痹声带模型的连续非线性参数以及物理参数的差异性。首先对正常和病理发声系统振动进行分析，考虑声门下压对发声系统的影响，在不同声门下压条件下提取基频、振幅相关参数和非线性动力学参数，引入不同声门下压下的连续非线性参数并分析其差异性；其次采用优化算法对声带模型进行参数优化，实现实际喉声源的准确仿真，使所建模型能够准确反映声带的生理结构，并对优化得到的模型物理参数进行差异性分析。具体研究内容如下：
　　（1）根据实际声带生理结构，分别建立正常和病理声带的发声模型，并耦合声门气流产生喉声源，求取喉声源基频和幅度相关参数；引入庞加莱截面，分岔图对模型振动进行非线性分析；改变声带病理参数及声门下压，分析频率参数和混沌参数李雅普诺夫指数的变化。仿真实验结果表明：声带麻痹减小了嗓音发声基频，并且只在一定压力范围内系统出现混沌，声带息肉引起的混沌则分布在整个发声压力范围内。
　　（2）为了使声带模型参数和实际声带生理参数相匹配，采用模型结构或参数的变化描述声带病变所引起的喉生理参数的改变，提出用粒子群-拟牛顿算法（PSO-QN）优化声带生物力学模型参数，匹配正常和病理喉声源，得到反映实际喉参数的模型参数，并对优化得到的模型参数进行差异性分析。
　　本文引入病理喉声源的声带物理模型，提出了连续声门下压下的最大李雅普诺夫指数，并进一步对声带模型参数进行了优化，结果表明，声带麻痹和声带息肉的最大李雅普诺夫指数随声门下压变化的分布存在明显差异性。本文提出的优化声带模型可以产生与实际喉声源一致的声门波形，且优化得到的正常、息肉和麻痹声带模型参数间存在显著差异。

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第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 声带疾病分类的研究现状

1.3 发声系统非线性动力学建模的研究现状

1.4 本文的主要研究工作及章节安排

第二章 病理嗓音的发声机理与物理特性

2.1 嗓音信号产生机理

2.2 声带振动系统的物理模型仿真

2.3 声带疾病的临床表现

2.4 声带疾病对发声系统的影响

2.5 本章小结

第三章 嗓音声学特征及动力学特征分析

3.1 嗓音特征提取概念

3.2 传统声学特征

3.3 非线性动力学特征

3.4 本章小结

第四章 病理喉声源声带模型连续非线性分析

4.1 引言

4.2 病理声带模型建立

4.3 连续声门压力下发声系统分岔分析

4.4 不同疾病发声系统分岔及混沌现象

4.5 病理发声模型连续非线性分析

4.6 本章小结

第五章 病理喉声源声带模型物理参数优化

5.1 病理喉声源提取

5.2 优化参数及目标函数

5.3 病理喉声源声带模型优化算法设计

5.4 病理喉声源声带模型物理参数优化及差异性分析

5.5 本章小结

第六章 仿真结果及讨论

6.1 病理发声系统振动仿真分析

6.2 病理喉声源发声系统模型优化

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢