K3.1 Phonetik und Phonologie II

2. Sitzung

http://menzerath.phonetik.uni-frankfurt.de/teaching/K3_1.html

Akustische Phonetik

Sprachsignale

Stimmhafte Sprachschallsignale sind quasiperiodische Signale. Deren Analyse ist möglich durch Zerlegen in übereinandergelagerte sinusförmige Bestandteile. Dies Verfahren wird Fourier-Reihenanalyse genannt.

Fourieranalyse

Der Sinusbestandteil mit der niedrigsten Frequenz wird als die sogenannte Grundfrequenz (f0) oder erste Harmonische bezeichnet.

Die anderen Sinusbestandteile sind ganzzahlige Vielfache (2f0 ,3f0, 4f0 etc.) der Grundfrequenz.

Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen = Schwingungen pro Sekunde

Verhältnis der Harmonischen

Grundfrequenz = 100 140

1f0 = 1002f0 = 2003f0 = 3004f0 = 4005f0 = 500Etc.

1. Harmonische

2. Harmonische

3. Harmonische

4. Harmonische

5. Harmonische

Verhältnis der Harmonischen

Grundfrequenz = 100 140 220

1f0 = 100 1402f0 = 200 2803f0 = 300 4204f0 = 400 5605f0 = 500 700Etc.

Verhältnis der Harmonischen

Grundfrequenz = 100 140 220

1f0 = 100 140 2202f0 = 200 280 4403f0 = 300 420 6604f0 = 400 560 8805f0 = 500 700 1100Etc.

Grundfrequenz - Periodendauer

f = 1 / T Frequenz (Hz) ist der Kehrwert der Periodenlänge in Sekunden (s)T = 10 ms = 0,01 sf = 1/T = 1 / 0,01 = 100Die Frequenz eines Signals mit einer Periodenlänge von 10 ms beträgt 100 Hz.

1. Harmonische = Grundfrequenz

T = 0,01s = 10 ms

1/T = 1/0,01 = 100 Hz

1. + 2. Harmonische

1. + 2. + 3. Harmonische

1. + 2. + 3. Harmonische und resultierendes komplexes Signal

Amplitude

Amplitude

Höhere Harmonische haben geringere Amplitude wie in der unteren Abbildung schematisiert

1.Harm.2.Harm.

3.Harm.

1.Harm.

2.Harm.

3.Harm.

Fourieranalyse

Übliche Frequenzen, die in Sprache vorkommen

Hörbarer Bereich: 20-20.000 HzGrundfrequenz

Männer ca. 120 Hz

Frauen ca. 220 Hz

Kinder ca. 250-400 Hz

TelefonqualitätFestnetz 300-3.400 Hz

Handy 300-3.200 Hz

Quelle-Filter-Modell

Literatur:

Gunnar Fant. Acoustic Theory of Speech Production. The Hague: Mouton 1960.

Das Sprachschallsignal ergibt sich aus dem Quellsignal (Stimmlippenschwingung) und der Filterfunktion des Vokaltrakts (und evtl. Nasaltrakt).

Quelle und Filter sind (weitgehend) unabhängig voneinander regelbar. D.h. die Höhe der Grundfrequenz hat keinen Einfluss auf die Filterfunktion des Vokaltrakts.

Quelle-Filter-Modell

Quelle-Filter-Modell

Stimmlippenschwin-gungen Grundfrequenz und Obertöne

Übertragungs-funktion des Vokaltrakts

Am Mund abgestrahltes Signal

Quelle-Filter-Modell

Stimmlippenschwin-gungen Grundfrequenz und Obertöne

Übertragungs-funktion des Vokaltrakts

Am Mund abgestrahltes Signal

f0 2f0 3f0 4f0 5f0 6f0

ungedämpfte Resonanz-bereiche

gedämpfte Resonanz-bereiche

Quelle-Filter-Modell

Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre

Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre

Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre

Geschlossenes Ende am Kehlkopf

Offenes Ende an den Lippen

Resonanzen einer geschlossenen Röhre

Geschlossenes Ende am Kehlkopf

Geschlossenes Ende an den Lippen

Stehende (Sinus-)welle.

Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre, die an einer Seite geöffnet ist.

Geschlossenes Ende am Kehlkopf

Offenes Ende an den Lippen

Stehende (Sinus-)welle. ¼ λ

Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre

Geschlossenes Ende am Kehlkopf

Offenes Ende an den Lippen

Nächstmögliche (ungerade) Harmonische der stehenden (Sinus-)welle. 3 * ¼ λ

Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre

Geschlossenes Ende am Kehlkopf

Offenes Ende an den Lippen

Nächstmögliche (ungerade) Harmonische der stehenden (Sinus-)welle. 5* ¼ λ

Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre, die an einer Seite geöffnet ist.

Geschlossenes Ende am Kehlkopf

Offenes Ende an den Lippen

Stehende (Sinus-)welle. ¼ λ

Bestimmung der Resonanzfrequenzen in einer halboffenen zylindrischen Röhre (Vokaltrakt in Neutralform, entspricht etwa [ə])

λ Wellenlänge 4 * 0,175 m (17,5 cm Vokaltraktlänge wird häufig für durchschnittliche Vokaltraktlänge eines erwachsenen Mannes, 13,5 cm Vokaltraktlänge für eine erwachsene Frau angegeben)

c Schallgeschwindigkeit in trockener Luft bei 20 °C 343 m/s

(entspricht 1235 km/h) in feuchter wärmerer Luft höher

ƒ Frequenz

c = λ * ƒ

d.h. die Frequenz

ƒ = c / λ = 343 / 4 * 0,175 = 343 / 0,7 = 490

Die erste Resonanzfrequenz des neutralen Vokaltrakts liegt bei 490 Hz F1 ≈ 500 Hz

Bestimmung der Resonanzfrequenzen (Formanten) in einer halboffenen zylindrischen Röhre (Vokaltrakt in Neutralform, entspricht etwa [ə])

¼ λ für die erste Resonanzfrequenz

3 * ¼ λ für die zweite Resonanzfrequenz

5 * ¼ λ für die dritte Resonanzfrequenz

ƒ1 = c / λ = 343 / 4 * 0,175 = 343 / 0,7 = 490

Die erste Resonanzfrequenz des neutralen Vokaltrakts liegt bei 490 Hz

ƒ2 = c / λ = 3 * 343 / 4 * 0,175 = 343 / 0,7 = 1470

Die zweite Resonanzfrequenz des neutralen Vokaltrakts liegt bei 1470 Hz

ƒ3 = c / λ = 5 * 343 / 4 * 0,175 = 343 / 0,7 = 2450

Die dritte Resonanzfrequenz des neutralen Vokaltrakts liegt bei 2450 Hz

F1 ≈ 500 Hz, F2 ≈ 1500 Hz, F3 ≈ 2500 Hz für [ə]

Literatur zum Nachlesen und für weitergehende Details

Reetz, H./A. Jongman (2009) Phonetics. Wiley-Blackwell: Malden, Oxford, Chichester, Kap. 9.

Johnson, K. (1997) Acoustic & Auditory Phonetics. . Blackwell: Malden, Oxford, Chichester, Kap. 5.

Reetz, H. (1999) Artikulatorische und akustische Phonetik. Wissenschaftlicher Verlag Trier: Trier, S. 131ff.

Clark, J./C. Yallop (1995) An introduction to phonetics and phonology. Second edition. Blackwell: Oxford, Cambridge, S. 243Ff

Vowel Demonstrator – Ein Programm, das Vokale synthetisiert

https://www.youtube.com/watch?v=sx5KNQYY_cg