– AkustischeBeschreibungeinigerLautklassen Quelle-Filter-Theorie • TeilII:Sprachschall– – M¨oglichkeitenderSchalldarstellung SchwingungenundWellen • TeilI:AllgemeineAkustikundSchwingungslehre– Inhalt

(1)

Akustische Phonetik

Uwe Reichel, Phil Hoole

IPS, LMU München

(2)

Die Bereiche des ‘signalphonetischen Bandes’

Aus Pompino-Marschall (1995), Abb. 2, S. 14

Phonetische Vorgänge

(3)

Inhalt

• Teil I: Allgemeine Akustik und Schwingungslehre – Schwingungen und Wellen

– M¨oglichkeiten der Schalldarstellung

• Teil II: Sprachschall – Quelle-Filter-Theorie

– Akustische Beschreibung einiger Lautklassen

Inhalt 1

(4)

Schwingungen und Wellen

Schall

• Ausbreitung von lokalen Druckschwankungen in Form einer Welle

• Druckschwankungen werden als Schwingung behandelt

Schwingung

• zeitlicher Verlauf einer Druckschwankung in einem festen Raumpunkt

• Kenngr¨oßen:

– Frequenz: Anzahl der Schwingungsdurchg¨ange (Perioden) pro Sekunde, in Hertz (Hz); Periodendauer = 1/Frequenz

– Amplitude: vertikaler Abstand zur Zeitachse; in Pascal (Pa, absolute Skala) oder Dezibel (dB, logarithmische Verh¨altnisskala)

– Phase: horizontale Verschiebung der Schwingung

Akustik Teil I: Allgemeine Akustik und Schwingungslehre 2

(5)

Eine schwingende Stimmgabel führt zu lokalen

Luftdruck-

schwankungen (Schalldruck), die sich fortpflanzen.

(aus Ladefoged, 1962, Fig. 1.2)

Abb. 1a

(6)

Bewegung der Luftmoleküle im Zuge der

fortschreitenden Welle

(aus Ladefoged, 1962, Fig. 1.3)

movement of sound waves t

i m e

Abb. 1b

(7)

0 pi 2pi

−1 0 1

Amplitude

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

−1 0 1

Amplitude

Zeit (s)

1Hz 2Hz

Oben:

Ein Umlaufen des Kreises von 0 bis 2π

entspricht einer Periode.

Unten:

Die Frequenz gibt an, wie oft der Einheitskreis in einer Sekunde

umlaufen wird, wieviele Perioden also in eine Sekunde pa

t das genal, bei 2 Hz zweimal, usf.

Frequenz:

Wieviele Perioden passen in eine Sekunde?

1Hz = einmal

2Hz = zweimal, usw.

Abb. 2

(8)

M¨ oglichkeiten der Schalldarstellung

1. Als Zeitsignal (Oszillogramm)

• Amplitude (Schalldruck) als Funktion der Zeit

• Ort fest

• vgl. Abbildung 2

2. Als Spektrum

• Amplitude als Funktion der Frequenz

• Ort und Zeitintervall fest

• Zerlegung komplexer Schwingungen in ihre Teilschwingungen (Sinoidalschwingungen)

• Fourieranalyse: Zeitsignal −→ Spektrum; Bestimmung der Amplituden (und Phasen) der enthaltenen Sinoidalschwingungen

• Grundfrequenz f0: gr¨oßter gemeinsamer Teiler (ggT) der enthaltenen Frequenzen

(9)

0 0.25 0.5 0.75 1

−5

−4

−3

−2

−1 0 1 2 3 4 5

Amplitude

Zeit (s) Zeitsignal

0 2 4 6 8

0 1 2 3 4 5

Amplitude

Frequenz (Hz) Spektrum

Zeitsignal und Spektrum einer komplexen Schwingung (rot), als

Ergebnis der Addition von zwei Sinoidalschwingungen (blau, grün).

Die Grundfrequenz ist gleich der Frequenz der tiefsten Komponente

(genauer: gleich dem GGT der Komponenten)

.

Abb. 3

(10)

Abbildung 4: Spektren f¨ur die Laute [ia@]

Quelle [ i ]

[ a ] Schwa

Frequenz (Hz) Frequenz (Hz)

(11)

3. Als Spektrogramm (Sonagramm)

• Amplitude als Funktion von Frequenz und Zeit

• x-Achse: Zeit

• y-Achse: Frequenz

• Schw¨arzungsgrad: Amplitude

Abbildung 5: Breitbandsonagramm von [aeiou]. Horizontale Orientierungslinien in 1000-Hz- Schritten.

a e i o

Zeit ===>

2000 4000 6000 Hz

(12)

Quelle-Filter-Theorie (Fant, 1960)

Sprachschall: Rohschall (Quelle), der durch einen nachgeschalteten Resonator (Filter) verformt wird

1. Quelle

• Schwingung der Stimmlippen: periodische Anregung

Abbildung 6: Oszillogramm und durch Glottisschl¨age erzeugtes periodisches Anregungssignal. Das Schließen der Stimmb¨ander (blaue Linien) markiert den Beginn einer Periode.

Akustik Teil II: Sprachschall 9

(13)

• Artikulatrische Enge (Frikative): Rauschen

Abbildung 7: Entstehung von Rauschen an Verengungen: Umschlagen der laminaren in eine turbulente Luftstr¨omung.

• Verschlusssprengung (Plosive): transiente Anregung (Impuls)

• Quellen kombinierbar: z.B. Glottis+Enge bei stimmhaften Frikativen

(14)

Verknüpfung von Quelle (a) und Filter (b) im Frequenzbereich:

Multiplikation des Rohschallspektrums mit der Übertragungsfunktion des Filters.

Ergebnis (c): Sprachschall

(n: Index über spektrale Anteile)

Abb. 51 aus Pompino-Marschall

2. Filter (Artikulationstrakt)

(15)

2. Filter (Artikulationstrakt)

• Verst¨arkung von Frequenzbereichen (Resonanzfrequenzen) des Quellsignals

Abbildung 8: Spektren f¨ur die Laute [ia@]. Rohschall (oben links) wird durch unterschiedliche Filter (charakterisiert durch ihre blau eingezeichnete Ubertragungsfunktion) verformt. Schwarze¨ vertikale Linien markieren die verst¨arkten Frequenzbereiche (Formanten).

Quelle [ i ]

[ a ] Schwa

Frequenz (Hz) Frequenz (Hz)

Formanten:

markiert durch

schwarze

senkrechte

Linien

(16)

Formanten:

• Frequenzbereiche erh¨ohter Energie; abh¨angig von resonatorischen Eigenschaften des Artikulationstrakts

• Artikulationstrakt als Sequenz von akustisch definierten Resonatoren repr¨asentierbar:

Abbildung 9: Repr¨asentation des Vokals [i] als Sequenz von Resonatoren.

(17)

Artikulation des Vokals [i], schematisch als 5 ohrsystem dargestellt

Drei Resonatortypen:

1. Vorderrohr (c-d); einseitig geschlossenes Rohr 2. Hinterrohr (a-b); beidseitig geschlossenes Rohr

3. Helmholtzresonator (Hinterrohr (a-b) + Verengung (b-c));

“Körper+ “Hals”

(18)

Akustische Beschreibung einiger Lautklassen

Orientierung im Sonagramm

• vertikale Linien (Amplitudenmodulation): Glottisschl¨age

• schwarze Balken: Formanten; f¨ur die Charakteristik von Sprachlauten sind die ersten drei Formanten F1–F3 ausschlaggebend

Praat download: www.praat.org

(19)

Time (s)

1.4120 2.908

4000

Frequency (Hz)

Time (s)

Formant frequency (Hz)

1.4120 2.908

1000 2000 3000 4000

Hz

i a u

F2

F1

Als weitere Zusammenfassung:

F1 und F2 für die Eckvokale als Sonagrammdarstellung

Vokale: Ausgeprägte Formantstruktur

(20)

Plosive

Abbildung 13: Plosiv-Vokal-Sequenz [atada].

• Phasen:

– Pause; bei stimmhaften Plosiven mit Voice Bar gef¨ullt

– Verschlusssprengung (Burst): transiente Anregung; deutliche vertikale Linie ¨uber großen Frequenzbereich

– Aspiration (Rauschen, nur bei Fortis-Plosiven); stochastische Schw¨arzung

• Voice Bar: durch Gewebe abgestrahlte tieffrequente Anteile des Glottissignals, Balken im unteren Frequenzbereich bis ca. 500 Hz

2000 4000 6000 Hz

a t a d a

(21)

Plosive

• Phasen:

2000 4000 6000 Hz

a t a d a

(22)

Plosive

• Phasen:

2000 4000 6000 Hz

a t a d a

(23)

• Artikulationsstelle:

– u.a. ¨uber Formanttransitionen ermittelbar

– Formanttransition: zeitliche Änderung der Formantfrequenzen an Lautübergängen und in Diphtongen

– Beispiel: in Abbildung 13 liegt von den Plosiven aus gesehen der

Ausgangspunkt (Lokus) der Transitionen des zweiten Formanten jeweils bei etwa 1800 Hz

−→ alveolare Artikulationsstelle

(24)

Plosive

• Phasen:

2000 4000 6000 Hz

a t a d a

Abb. 13. Transitionen

(25)

Frikative

Abbildung 14: Frikativ-Vokal-Sequenz [fasaSaCaxaha].

• Anregungssignal: Rauschen; stochastische Schw¨arzung

• Artikulationsstelle: Je weiter entfernt von Mund¨offnung die Konstriktion, desto l¨anger das Resonanzrohr −→ desto

– h¨oher die Gesamtenergie,

– tiefer der Energieschwerpunkt und

– strukturierter das Spektrum (velare und larngale Frikative weisen Formantstruktur auf).

2000 4000 6000 Hz

f a s a ʃ a ç a x a h a

(26)

Nasale

• durch oralen Verschluss geschlossene Mundh¨ohle entzieht dem Signal Energie im Bereich ihrer Resonanzen −→ Antiformanten (“Energieeinbr¨uche” im Spektrum)

Trills

• niederfrequente Amplitudenschwankungen, die die Glottisschl¨age ¨uberlagern;

vertikale “Riffelung”

Laterale, Approximanten

• Formantstruktur, niedriger erster Formant

(27)

Abbildung 15: Sequenz [laranaja].

l a r a n a j a

2000 4000 6000 Hz