عملية التصنيع لنماذج الطيات الصوتية فائقة النعومة غير اللاصقة
Summary
توضح هذه الدراسة تصنيع نماذج الطيات الصوتية غير اللاصقة وفائقة النعومة من خلال تقديم طريقة محددة لإنشاء طبقات الطيات الصوتية ، وتقديم وصف تفصيلي لإجراءات التصنيع ، وتوصيف خصائص النماذج.
Abstract
تهدف هذه الدراسة إلى تطوير نماذج طيات صوتية فائقة النعومة وغير لزجة للبحث الصوتي. تؤدي عملية التصنيع التقليدية لنماذج الطيات الصوتية القائمة على السيليكون إلى نماذج ذات خصائص غير مرغوب فيها ، مثل مشكلات الالتصاق والتكاثر. نماذج الطيات الصوتية هذه عرضة للشيخوخة السريعة ، مما يؤدي إلى ضعف قابلية المقارنة عبر القياسات المختلفة. في هذه الدراسة ، نقترح تعديلا على عملية التصنيع عن طريق تغيير ترتيب طبقات مادة السيليكون ، مما يؤدي إلى إنتاج نماذج طيات صوتية غير لزجة ومتسقة للغاية. نقارن أيضا نموذجا تم إنتاجه باستخدام هذه الطريقة مع نموذج الطي الصوتي المصنع تقليديا والذي يتأثر سلبا بسطحه اللزج. نقوم بتفصيل عملية التصنيع وتوصيف خصائص النماذج للتطبيقات المحتملة. تظهر نتائج الدراسة فعالية طريقة التصنيع المعدلة ، مما يسلط الضوء على الصفات الفائقة لنماذجنا ذات الطيات الصوتية غير اللزجة. تساهم النتائج في تطوير نماذج طيات صوتية واقعية وموثوقة للبحث والتطبيقات السريرية.
Introduction
تستخدم نماذج الطيات الصوتية لمحاكاة إنتاج الصوت البشري والتحقيق فيه في ظل الظروف العادية والمرضية 1,2. أحد أكبر التحديات في إنشاء نماذج الطيات الصوتية هو تحقيق نعومة ومرونة واقعية تقترب بشكل وثيق من تلك الخاصة بالبشر. لتحقيق هذه الخصائص ، غالبا ما يتم استخدام اللدائن المصنوعة من السيليكون ، والتي يتم تخفيفها بكميات عالية من زيت السيليكون لتحقيق وحدات المرونة المقابلة 3,4. عامل حاسم آخر في إنشاء نماذج طيات صوتية واقعية هو الطبقات ، حيث تتكون الطيات الصوتية من طبقات متعددة ذات نعومة متفاوتة ، والتي تحدد نمط الاهتزاز الناجم عن التدفق والتردد الذي يكون فيه الاهتزاز ممكنا.
في هذه الدراسة ، أنشأنا نموذجا نموذجيا للطية الصوتية. استخدمنا الهندسة الشائعة التي قدمها Scherer5 ، والتي تمثل أبعادا نموذجية للطيات الصوتية للذكور بطول 17 مم وفقا ل Zhang6 وتتكون من ثلاث طبقات: طبقة واحدة للعضلة الصوتية (طبقة الجسم) ، وواحدة للطبقة المخاطية بأكملها (طبقة الغطاء) ، وواحدة للظهارة. يمكن رؤية هذا الهيكل في عرض المقطع العرضي الإكليلي في الشكل 1.
الشكل 1: المقطع العرضي الإكليلي لوحدات الحنجرة. مقطع عرضي إكليلي لوحدات الحنجرة يوضح أوسع عرض للطيات الصوتية (8.5 مم). تتكون كل طية صوتية من طبقة جسم وطبقة غطاء وطبقة ظهارة. تم تعديل هذا الرقم من13. مستنسخة من Häsner، P.، Prescher، A.، Birkholz، P. تأثير جدران القصبة الهوائية المتموجة على ضغط بداية التذبذب للطيات الصوتية السيليكونية. J Acoust Soc Am.149 (1) ، 466-475 (2021) بإذن من الجمعية الصوتية الأمريكية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تستخدم المنشورات الأخرى جزئيا طبقة واحدة فقط7 ، طبقتين بدون طبقة ظهارة2 أو نموذج الغشاء المخاطي بطبقات متعددة3. عادة ، يتم صب الطبقات من الداخل إلى الخارج ، أي بدءا من أعمق طبقة. يتم صب الظهارة ، وهي رقيقة جدا بسمك 30 ميكرومتر ، في النهاية على كامل الجسم لتغليفها بجلد قوي8.
طبقة الغطاء في النموذج هي الجزء الأكثر نعومة ، مع معامل يونغ حوالي 1.1 كيلو باسكال9. بالنسبة لطبقة الجسم ، فإن معامل يونغ التقريبي في الاتجاه العرضي باستخدام القياسات في المختبر 10 هو 2 كيلو باسكال. في الجسم الحي ، قد يكون معامل يونغ للعضلة الدرقية أعلى بسبب وجود الألياف في الاتجاه الطولي وكذلك الشد المحتمل للعضلة. لتحقيق معامل Young المنخفض للغاية ، من الضروري إضافة كمية عالية من زيت السيليكون إلى خليط السيليكون (حوالي 72٪). ومع ذلك ، تنصح الشركة المصنعة بشدة بعدم استخدام نسبة زيت أكبر من 5٪. بشكل عام ، تهدف إضافة زيت السيليكون إلى المطاط الصناعي إلى زيادة التدفق ووقت التنقيط ، وكذلك تقليل انكماش بوليمر السيليكون المعالج. يساعد السيليكون على العلاج بشكل أكثر اتساقا ، وبالتالي تقليل الضغط في المادة. والغرض منه هو تحسين قابلية وخصائص المواد المعالجة ، بدلا من زيادة نعومتها ، على الرغم من أن هذا أيضا نتيجة. وذلك لأن زيت السيليكون خامل كيميائيا ، مما يعني أنه لا يمكنه بلمرة نفسه ولا يتم دمجه في شبكة بوليمر السيليكون11. بدلا من ذلك ، يبقى كطور سائل في مصفوفة البوليمر ، مما يضعف بنية البوليمر عند مستويات أعلى ويحتمل أن يتسبب في ذوبانه من المادة المعالجة والالتصاق بالسطح. نتيجة لذلك ، من الممكن حدوث خصائص سلبية أخرى مثل اضطرابات العلاج ، والفلكنة غير المتكافئة ، والانكماش الكيميائي ، والهشاشة. تم فحص نماذج الطيات الصوتية ذات المحتويات العالية من زيت السيليكون فيما يتعلق بالشيخوخة والتكاثر ، ووجد أن هناك تباينا كبيرا في خصائص النماذج المختلفة وتغييرا في خصائصها بمرور الوقت11.
عند إنتاج نماذج الطيات الصوتية بالطريقة التقليدية 7,12 ، يمكن أن يكون التصاق الطبقة الظهارية مشكلة لأنه يمكن أن يؤثر على تجانس الاهتزاز ويؤدي إلى تمزق الظهارة. على الرغم من أن السيليكون المستخدم في صنع الظهارة غير مخفف ، إلا أنه يمكن افتراض أن الزيت الذي يتسرب من طبقة الغشاء المخاطي المجاورة له تأثيرات مماثلة على السيليكون كما لو كان مخففا. تمت معالجة مشكلة الالتصاق بإضافة مساحيق مختلفة مثل التلك أو مسحوق الكربون كطبقة وسيطة بين الغشاء المخاطي والطبقة الظهارية12. قد يكون هذا النهج ناجحا لأن المسحوق تم امتصاص الزيت جزئيا ، ونتيجة لذلك ، يمكن تقليل التصاق السطح الظهاري.
في هذا المنشور ، نظهر أنه يمكن التحايل على مشكلة الالتصاق من خلال تعديل طفيف لعملية تصنيع الطيات الصوتية. من خلال تغيير ترتيب الطبقات والبدء بالسيليكون الظهاري غير المخفف (ما يسمى بالسيليكون المغلق) ، يمكن إنتاج نماذج طيات صوتية فائقة النعومة غير لاصقة. يتضمن هذا التغيير أنواعا غير عادية من القوالب والأساليب التي يتم تقديمها وشرحها بشكل أفضل في شكل فيديو. في هذه الورقة ، نصف عملية التصنيع لدينا بالتفصيل ونوضح كيف يمكن تمييز خصائص نماذج الطيات الصوتية في التطبيق.
Protocol
Representative Results
Discussion
تتضمن عملية التصنيع المعروضة هنا خطوات حاسمة تؤثر بشكل كبير على نجاحها. أولا ، تجدر الإشارة إلى أن عملية التصنيع المقدمة لا تحل مشكلة تشبع الزيت في مادة جسم الطي الصوتي ولكنها تتحايل على بعض الآثار الجانبية السلبية. ولا يزال انبعاث الغازات وما يرتبط به من انكماش وتموج سطحي قائما، وإن كان ب…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا المشروع من قبل مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) ، المنحة رقم. BI 1639 / 9-1.
Materials
| 3D Printer | ULTIMAKER | Type S5 | |
| 3D Printing software | ULTIMAKER CURA | Version 5.2.2 | |
| CAD Software | Autodesk Inventor | Version 2023 | |
| High Speed Camera | XIMEA GmbH | MQ013CG-ON | |
| PLA+ 3D Printer Material | eSun | none | white |
| Primary silicone | KauPo Plankenhorn | 09301-005-000041 | EcoFlex 00-30 |
| Release Agent | KauPo Plankenhorn | 09291-006-000001 | UTS Universal |
| Secondary silicone | KauPo Plankenhorn | 09301-005-000181 | DragonSkin NV10 |
| Silicone Thinner | KauPo Plankenhorn | 09301-010-000002 | |
| Tougth PLA 3D Printer Material | BASF | black |
References
- Drechsel, J. S., Thomson, S. L. Influence of supraglottal structures on the glottal jet exiting a two-layer synthetic, self-oscillating vocal fold model. J Acoust Soc Am. 123 (6), 4434-4445 (2008).
- Stevens, K. A., Shimamura, R., Imagawa, H., Sakakibara, K. I., Tokuda, I. T. Validating Stereo-endoscopy with a synthetic vocal fold model. Acta Acustica United with Acustica. 102 (4), 745-751 (2016).
- Murray, P. R., Thomson, S. L. Synthetic, multi-layer, self-oscillating vocal fold model fabrication. J Vis Exp. (58), e3498 (2011).
- Spencer, M., Siegmund, T., Mongeau, L. Determination of superior surface strains and stresses, and vocal fold contact pressure in a synthetic larynx model using digital image correlation. J Acoust Soc Am. 123 (2), 1089-1103 (2008).
- Scherer, R. C., et al. Intraglottal pressure profiles for a symmetric and oblique glottis with a divergence angle of 10 degrees. J Acoust Soc Am. 109 (4), 1616-1630 (2001).
- Zhang, Z. Mechanics of human voice production and control. J Acoust Soc Am. 140 (4), 2614-2635 (2016).
- Birkholz, P., Wang, L. . Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , 58-66 (2017).
- Murray, P. R. . Flow-induced responses of normal, bowed, and augmented synthetic vocal fold models. , (2011).
- Alipour, F., Vigmostad, S. Measurement of vocal folds elastic properties for continuum modeling. J Voice. 26 (6), e21-29 (2012).
- Chhetri, D. K., Zhang, Z., Neubauer, J. Measurement of young’s modulus of vocal folds by indentation. J Voice. 25 (1), 1-7 (2011).
- Häsner, P., Birkholz, P. Reproducibility and aging of different silicone vocal folds models. J Voice. , (2023).
- Gabriel, F., Häsner, P., Dohmen, E., Borin, D., Birkholz, P. . Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , 221-230 (2019).
- Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effect of wavy trachea walls on the oscillation onset pressure of silicone vocal folds. J Acoust Soc Am. 149 (1), 466-475 (2021).
- Birkholz, P. . Studientexte zur Sprachkommunikation: Elektronische Sprachsignalverarbeitung. , (2016).
- Boersma, P., Weenink, D. Praat, a system for doing phonetics by computer. Glot. Int. 5, 341-345 (2001).
- Fukui, K., Shintaku, E., Honda, M., Takanishi, A. Mechanical vocal cord model for anthropomorphic talking robot based on human biomechanical structure. Trans Japan Soc Mech Eng Ser C. 73 (734), 2750-2756 (2007).
- Syndergaard, K. L., Dushku, S., Thomson, S. L. Electrically conductive synthetic vocal fold replicas for voice production research. J Acoust Soc Am. 142 (1), 63 (2017).
