研究模型声乐折叠聚合物引起的三维流量分离

摘要

声乐折叠息肉会破坏声波折叠动力学，从而对患者的沟通能力产生毁灭性的影响。使用颗粒图像速度、皮肤摩擦线可视化和墙压测量来检查壁挂模型息肉引起的三维流量分离及其对墙压加载的影响。

摘要

对正常语音的流体结构能量交换过程进行了广泛的研究，但对病理条件却知之不周。息肉和结节是声乐褶皱中间表面形成的几何异常，它们会破坏声波折叠动力学，从而对患者的沟通能力产生毁灭性影响。我们的实验室报告了粒子图像速度 （PIV） 测量，对位于 体外 驱动声折叠模型中间表面的模型息肉进行了调查，结果表明，这种几何异常会大大破坏光子喷射行为。这种流场调整是息肉患者声乐质量严重下降的一个可能原因。更全面地了解几何突起（如声折叠息肉）对涡流结构的形成和传播，以及由此对驱动声乐折叠动力学的空气动力学负荷的影响，对于推进这种病理条件的治疗是必要的。目前的调查涉及壁挂式石板半球体引起的三维流分离，其横流的纵横比为2：1， 即 使用油膜可视化技术的模型声乐折叠息肉。使用皮肤摩擦线可视化和墙压测量检查不稳定、三维流量分离及其对墙压加载的影响。

引言

声乐折叠是横跨声乐气道的两个组织带。当达到关键的肺压时，会产生语音，通过被导引的声乐折叠迫使空气。声乐折叠由许多层组织组成，通常由简化的双层身体覆盖系统¹表示。细胞外基质，占覆盖层的大部分，由胶原蛋白和弹性蛋白纤维组成，提供非线性应力应变特性，这对声乐褶皱^1，2的正确运动很重要。空气动力将能量传授给声折叠的组织，激发自我维持的振荡^3。当声乐折叠振荡时，它们之间的开口，称为glottis，形成一个时空变化的孔，从收敛物过渡到制服，然后过渡到发散通道，然后关闭并重复周期^4，6。正常语音的振动频率通常分别跨越男性和女性的100-220赫兹，形成一个脉冲流场，通过glottis^7。对正常语音的流体结构能量交换过程^{进行了广泛的研究}。然而，对于某些病理学来说，这一过程的中断并不十分清楚。声乐折叠的病理条件可能导致其动态发生巨大变化，并影响产生语音的能力。

息肉和结核是声乐褶皱的中间表面形成的几何异常。这些异常会影响患者^{的沟通能力}。然而，直到最近，由于几何突起（如息肉）而中断了流^场。研究表明，语音的"正常"流体结构能量交换过程发生了巨大变化，流场的改变是息肉和结核患者声质严重下降的最可能原因。尚未对脉动流中的息肉的三维流分离产生的流动结构进行全面了解。息肉的涡流结构的生成和繁殖，以及它们随后对驱动声波折叠动力学的空气动力学负荷的影响，是推进患者息肉手术修复的必要关键组成部分。

虽然^在15-23日对稳定流动中安装的半球体的流量分离进行了调查，但令人惊讶的是，在受脉动或不稳定流动条件影响的墙壁上的半球体中，几乎没有关于不稳定的三维流分离的信息。Acarlar 和 Smith¹⁵ 的开创性作品分析了层压边界层内安装的半球体的墙壁上稳定流动产生的三维连贯结构。阿卡拉和史密斯确定了两种类型的漩涡结构。一个站立的马蹄涡形成于半球状突起的上游，并延伸到两侧的突起下游。此外，发夹涡流定期从墙上安装的半球体脱落到唤醒。对发夹涡流的复杂运动和进展进行了详细的调查和描述。

以前曾研究过在湍流剪切流中凹凸的上和下游获得表面静态压力测量和表面油可视化的流经。油膜技术可可视化皮肤摩擦线、高速和低速区域以及表面流中的分离和连接点，并有助于研究壁挂物体的唤醒。对于此技术，感兴趣的表面涂有油底和细粉色素（即 灯黑、石墨粉或二氧化钛）混合物的薄膜。在所需的流动条件下，摩擦力使油沿着表面移动，导致颜料粉末沉积成条纹。临界点或奇点，剪切应力为零或平均速度的两个或两个以上成分为零的位置，可从由此产生的皮肤摩擦线图案中归类为鞍点或节点^24-26。

对于山丘几何形状，在上游没有发现分离引起的奇点：这归因于颠簸的平稳上升轮廓，这并没有产生与半球突起发生的逆压梯度。因此，发现流加速，直到颠簸的顶峰之后，不稳定的鞍焦点分离点发展后不久的颠簸中心线，从发夹漩涡^27，28的形成预期。在一项使用不同壁挂几何形状的类似实验技术的研究中，Martinuzzi 和 Tropea²⁹ 在表面安装的立方体周围稳定流动的油膜可视化显示物体上游的两条清晰的皮肤摩擦线。第一条皮肤摩擦线对应于由逆压梯度引起的主分离线，第二条皮肤摩擦线标记了马蹄涡的时间平均位置。在物体上游进行的表面压力测量显示，马蹄涡线沿线为局部最低值，主要分离线和马蹄涡线之间的局部压力最大值为局部压力。类似的上游分离线与其他表面安装的几何形状，包括圆形圆柱体，金字塔和锥^形29-31形成。壁挂式物体下游的表面可视化通常显示由物体³⁰后面的再循环区域引起的两个foci。两个涡流产生于卵泡位置，对应于壁挂式半球^体32后看到的"拱形"或发夹涡流。

粒子图像速度 （PIV） 以前用于研究合成声乐折叠模型^33-35的下游流量。PIV 是一种非侵入性可视化技术，它可在平面内拍摄跟踪器粒子运动，以捕捉时态流体动力学^36。Neubauer等人研究了在振荡声折叠下游形成的三维连贯结构。³⁷：观察到涡流生成、对流和喷射拍打。最近，克雷布斯等人³⁸使用立体 PIV 研究了光子喷射的三维性，结果演示了光子喷射轴开关。Erath 和 Plesniak¹⁴调查了模型声乐折叠息肉在 7.5 倍放大动态驱动声乐折叠模型的中间表面上的影响。聚合物下游形成了一个再循环区，喷射动力学在整个语音周期中受到影响。先前的研究，除了由Erath和Plesniak14驱动的声乐折叠息肉研究，没有探索由中位声乐折叠息肉或结核引起的流体动力学。

在包括声折叠移动壁、诱导压力梯度、密闭几何体积和其他复杂情况之前，了解模型息肉在稳定且脉动流场中的流体动态效应非常重要。当前的工作重点是在稳定和不稳定的流量条件下，下游墙体上的流量结构的特征。从突出和下游壁脱落的涡流结构之间的相互作用对声折叠息肉和其他生物因素的调查非常感兴趣，因为这些相互作用会引起生物反应。

研究方案

在这项工作中，壁挂式质极球体， 即 模型声乐折叠息肉，位于吸力型风洞的测试区间地板上，收缩比为5：1。通过油流可视化、墙压测量和粒子图像速度测量，对不稳定的三维流量分离及其对墙面压力加载的影响进行调查。不稳定的压力测量是使用带有压生应力传感器的十六个通道扫描压力传感器获得的。压力传感器的频率响应为 670 Hz。不锈钢管积形成的静态压力水龙头位于模型声折叠息肉的上下游，便于表面压力测量，并缩短扫描压力装置的使用时间。油流可视化和表面压力测量不能同时获得，因为油会流入压力水龙头，导致污染。

下一节提供了在安装在壁上层的质黄层半球体周围设置和获取油膜可视化和表面压力测量的协议。虽然正在获取相平均和时间解决的粒子图像速度测量，但 PIV 采集不包括在此协议中。作者建议拉菲尔 等人引用这些建议。³⁶ 和阿德里安和韦斯特维尔³⁹ 深入了解 PIV 实验设置、数据采集和数据处理。

1. 生成突起（即型号聚合）

1. 构建具有所需几何形状的三维计算机辅助设计 （CAD） 模型。生成模型声乐折叠息肉作为一种质子半球体，长5.08厘米，宽2.54厘米，高1.27厘米。安装一个2.54厘米的方形底座，是0.64厘米厚的模型声乐折叠息肉的底部。此基础将用于将模型锚定到测试部分楼层。
2. 导出 3D CAD 模型作为立体图 （STL） 文件。STL 文件格式将模型表面生成为一系列三角形。选择适当的分辨率，以确保模型息肉表面光滑。建议分辨率至少为 600 点/in。
3. 将 STL 文件上传到适当的软件中，使用高分辨率三维打印机或构建层分辨率至少为 20μm 的快速原型打印 STL 文件。
4. 风洞测试部分约为30.48厘米×30.48厘米x121.92厘米，底部有可拆卸的板， 如图1所示。将一个2.54厘米见方的孔磨成约0.85厘米深的风洞测试区地板可拆卸板，安装模型声乐折叠息肉进行测试。孔应位于测试区宽的中心，并位于所需的下游位置进行测试。

2. 油流可视化准备

1. 为了准备测试部分，用白色胶纸覆盖风洞内的测试区面。小心放置并平滑胶粘纸，确保测试部分地板不会因气泡或粘合纸上的折痕而出现凸起。在测试区地板方孔上方的胶纸上切一个孔，以便模型聚锚连接到测试区壁上。
2. 将突起（模型声乐折叠息肉）插入锚位置，为测试做准备。见 图1。
3. 在风洞测试区上方安装高分辨率摄像头。对焦摄像机以查看所选视场，包括模型息肉和周围的测试区。设置用于测试的相机采集参数。视频设置应用于捕获油流可视化的瞬时部分，或者如果不稳定或脉动流感兴趣。
4. 通过将婴儿油、复制碳粉和煤油按体积 7：1：2 的比例组合，准备流式可视化油混合物。例如：将 35 毫升婴儿油、5 毫升复制碳粉和 10 毫升煤油混合在一起。将婴儿油和碳粉混合在容器中，搅拌至碳粉完全溶解。然后加入煤油，混合好。
5. 将混合物转移到喷雾瓶中，以便于应用到测试区表面。

3. 油流可视化测量

1. 每次涂油混合物之前，清洁和干燥测试区表面。
2. 使用装满油混合物的喷雾瓶在感兴趣的部分喷洒薄薄的，甚至一层液体。薄薄的油混合物层对于生成适当的油膜可视化图像非常重要。
3. 启动相机上的图像或视频采集。在风洞通电之前开始相机采集，以便捕捉初始瞬态油混合物运动。
4. 将吸风洞设置为所需的速度。油混合物将开始沿测试区表面流动。
5. 一旦油混合物停止流动并达到稳定状态（即 模式是静止的），或当所需的时间已经过去时，停止摄像机记录并关闭风洞供电。
   注意： 视频 1 显示油混合物流动，直到达到稳定状态，皮肤摩擦模式变得静止。在视频中，流从左向右移动。

4. 表面压力测量准备

1. 通过钻孔将不锈钢管（0.16 厘米外径和 2.54 厘米长）安装到测试区板中，准备测试区板地面（可拆卸板），以构建静态压力水龙头。从质黄层半球的锚位置中线开始，在跨度方向跨越 8.89 厘米的网格上钻孔，在下游 22.86 厘米处钻孔，带 1.27 厘米跨度网格间距和 2.54 厘米下游网格间距（见 图 1）。不锈钢管一端有凸起，用于连接柔性管子，另一端直立安装。
   注意：静态压力水龙头可以更紧密地定位，以获得更精细的压力采集位置网格。
2. 将围绕墙锚位置的凸起安装在测试区地板上所需的配置中，以备测试之需。管状应与测试区地板齐平。
3. 将短柔性管件（6.35 厘米长、0.159 厘米内径、0.475 厘米外径透明聚氯乙烯管）从安装的不锈钢管连接到扫描压力传感器测量端口。扫描压力传感器有 16 个压力端口。

5. 表面压力测量采集

1. 将扫描压力传感器连接到计算机，并使用扫描压力传感器软件配置采集参数。将采集软件设置为以 500 Hz 获取数据，以在所需的数据采集持续时间内获取数据。
   注：由于低振荡频率的压力变化很小，以扫描压力传感器（500 Hz）的最大采样速率获取数据。
2. 将吸风洞设置为所需的速度。
3. 开始压力测量采集。压力测量可以与任何所需的流量诊断技术（如 PIV、激光多普勒气压计、热线测定 法等）同时获得。

结果

先前使用 7.5 倍放大动态驱动声乐折叠模型的工作表明，几何突起、模型声乐折叠息肉的存在，在整个声循环中会破坏光子喷射的正常动态。先前驱动声乐折叠模型研究的代表性结果显示在 图 2 和 视频 2 中。该视频演示了驱动声乐折叠从收敛到发散几何形状的运动。声乐折叠模型动态驱动在1.67赫兹与雷诺兹号码995和斯特鲁哈尔号码1.9 x^10-2。数据是在息肉下游7.5?...

讨论

了解几何突起中涡流结构的形成和传播及其随后对驱动声乐折叠动力学的空气动力学负荷的影响，对于提供洞察力和模型以推进声折叠息肉和结核的处理是必要的。在这个实验中，由模型息肉引起的空气动力学负荷的变化预计将有助于在息肉^13，41患者中观察到的不规则声折叠动力学。未来的工作包括利用粒子图像速度研究不稳定流量条件下的三维流量分离，并将结果与表面流可视化和表?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Rapid Prototyper	Objet	Objet24	Tray Size (X xY x Z): 240 x 200 x 150 mm Build layer thickness =  28 µm  Accuracy = 0.1 mm Build Resolution: X-axis: 600 dpi, Y-axis: 600 dpi, Z-axis: 900 dpi
Rapid Prototyper Model Material	Objet	VeroWhite Plus Fullcure 835
Rapid Prototyper Support Material	Objet	FullCure 705 Support
Copy Toner	Xerox
Kerosene	Sunnyside
Baby Oil	Johnson's
Adhesive Paper	Con-Tact Brand		White adhesive covering
Tygon Tubing	Tygon	PVC Tubing	1/16 in ID, 3/16 in OD
Pressure Scanner (16 channel)	Scanivalve	DSA3217	Used for gas pressure measurements Pressure range = ±5 in H2O Full scale accuracy = ±0.3% full scale accuracy.  Maximum scan rate = 500 Hz/channel
Stainless Steel Tubulations	Scanivalve	TUBN-063-1.0	0.063 in Diameter and 1 in Length