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Von Spektren und Formanten Grundlagen akustischer Analyse und Manipulation Martin Meyer/Franziskus Liem 28.03.2011 1.

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Präsentation zum Thema: "Von Spektren und Formanten Grundlagen akustischer Analyse und Manipulation Martin Meyer/Franziskus Liem 28.03.2011 1."—  Präsentation transkript:

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2 Von Spektren und Formanten Grundlagen akustischer Analyse und Manipulation Martin Meyer/Franziskus Liem

3 2 Übersicht I Theorie Das Oszillogramm Fourier Transformation, Spektrum und Spektrogramme Formanten II Praxis

4 3 Das Oszillogramm Oszillogramme einfacher Sinussignale

5 4 Das Oszillogramm Oszillogramme einfacher Sinussignale

6 5 Das Oszillogramm 2 Dimensionen x: Zeit y: Auslenkung (durch Schall entstandene Luftdruckschwankungen) Was kann man daraus ablesen? Amplitude Ausschlag/Auslenkung des Signals Lautstärke Frequenz Anzahl der Nulldurchgänge innerhalb einer Sekunde bzw. 1/Periodendauer Hertz [Hz] Tonhöhe

7 6 Das Oszillogramm

8 7 Wie unterschiedlich sind die beiden Töne?

9 8 Übersicht I Theorie Das Oszillogramm Fourier Transformation, Spektrum und Spektrogramme Formanten II Praxis

10 9 Fourier Transformation Überlagerung zweier Schwingungen Addition zu einer neuen

11 10 Fourier Transformation Jedes (auch noch so komplexe) periodische Signal (zB Sprache) stellt eine Addition einfacher Sinusschwingungen dar Die FT zerlegt ein komplexes Signal in einzelne Sinusschwingungen mit unterschiedlicher Frequenz

12 11 Fourier Transformation 100 Hz 200Hz Energie (Amplitude) OszillogrammSpektrum FT

13 12 Spektrum 2 Dimensionen Frequenz [Hz] Energie - Schalldruckpegel (Sound Pressure Level - SPL) [dB/Hz] Dezibel - dB Logarithmische Hilfseinheit Faustregel: +10 dB entspricht ungefähr der doppelten Lautstärke Schallereignis (Pa) Referenzdruck (Pa)

14 13 Spektrum Welches Signal ist lauter, höher?

15 Spektrum 14

16 Spektrum 440 Hz Hz =

17 16 Spektrum Wie sieht das Spektrum aus?

18 17 Meyer et al. (2006) Spektrum Was kann aus einem Spektrum ablesen? Verteilung der Frequenzen und ihre Intensität Klangfarbe Klangfarbe Im Zeitbereich Im Frequenzbereich

19 18 Spektrum Abfallend oder Ansteigend?

20 19 Spektrum Keine Aussage über Veränderungen, Trends über die Zeit gut geeignet, um durchschnittliche Charakteristik eines Signals bzw. eingeschwungene Signale darzustellen Sprache, Musik… sind zeitlich sehr komplexe Signale Darstellung im Spektrogramm

21 20 Spektrogramm (=Sonagramm, Sonogramm) 3 Dimensionen x: Zeit y: Frequenz z (Schwärzung): Energie (Intensität)

22 21 Spektrogramm Was kann man daraus ablesen? Verteilung der Frequenzen und ihre Intensität Verlauf über die Zeit

23 22 Spektrogramm

24 23 Spektrogramm Abfallend oder Ansteigend?

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27 26 Zusammenfassung AchsenGut Ablesbar Oszillogramm Zeit Auslenkung Lautstärke, Pausen/Segmente Spektrum Frequenz Intensität Gesamtcharakteristik der Frequenz/Intensität, Klangfarbe Spektrogramm Zeit Frequenz Intensität Frequenz- & Intensitätsverlauf über die Zeit

28 27 Übersicht I Theorie Das Oszillogramm Fourier Transformation, Spektrum und Spektrogramme Formanten II Praxis

29 Das Quelle-Filter-Modell der Vokalproduktion Quelle-Filter-Modell – ein Filter lässt bestimmte Frequenzen passieren & dämpft andere 28

30 Resonanzfrequenz – je grösser das Objekt desto tiefer f res RauschenResonatorgefiltertes Rauschen QuelleFilter Output 29

31 Vokaltrakt als Resonator – Vokalproduktion StimmlippenVokaltraktSprache QuelleFilter Output 30

32 31 Formanten Entstehung einer Lautäusserung - Quelle/Filter-Theorie Larynx (Kehlkopf): Phonation = Erzeugung eines akustischen Signals (Schwingung der Stimmbänder mit Grundfrequenz f0) - Quellsignal Tonhöhe (f0), Stimmqualität (zB gepresst) Lunge: Luftdruck Lautstärke logopaedie.rwth-aachen.de Ansatzrohr (Mund-, Nasen-, Rachenraum (Pharynx)): Artikulation = Modulation / Filterung des Quellsignals Ausdifferenzierung der Phoneme Formanten supralaryngal laryngal sublaryngal Fitch (2000)

33 Vokaltrakt (Ansatzrohr) als Resonator mehrere Resonanzräume -> mehrere Resonanzfrequenzen 32

34 je nach Stellung der Artikulatoren unterscheiden sich die Formantfrequenzen 33

35 34 Formanten Supralaryngale Artikulatoren Zunge Lippen Gaumensegel

36 35 Formanten Quellsignal: f0 & Harmonische (ganzzahlige Vielfache von f0) Je nach Geometrie und Stellung der Artikulatoren können bestimmte Frequenzen in Resonanz schwingen. Es ergeben sich Amplitudenmaxima Formanten: Konzentration akustischer Energie in einem Frequenzband

37 36 Formanten Konzentration akustischer Energie in einem Frequenzband Im Spektrogramm sichtbar Filter

38 Formanten Im Spektrogramm 37

39 38 Formanten Im Spektrogramm Fitch (1997)

40 Frequenzbereiche erhöhter Intensität heissen Formanten Filtering by formants (bandpass filter, Vokaltrakt Resonanzen) Formanten – schnelle Modifikation durch Artikulatoren (Zunge, Lippe, Gaumen, Zäpfchen) Formant – keinen Einfluss auf Tonhöhe, welche in der Larynx modifiziert werden. (Beet, Bett, beten) 39

41 Vokalraum 40 EnglischDeutsch

42 41

43 42 Übersicht I Theorie II Praxis Praat Darstellung akustischer Signale Signalfilter - Hochpass, Tiefpass, Bandpass - Flüstern & Delexikalisieren Suprasegmentale Manipulationen - Prosodie, akustische Geschlechtsumwandlung Segmentale Manipulation - VOT Signalvorverarbeitung - Normalisierung

44 43 Praat Soundanalyse, -manipulation… Für viele Plattformen (Win, OS X, Linux…) Gratis, offen Viele Tutorials im Internet Gute On- und Offline Hilfe Stapelverarbeitung via Skripten möglich tw. etwas gewöhnungsbedürftiges Handling

45 44 Hauptfenster Objects BefehleAusgabefenster

46 Eigene Soundfiles aufnehmen Vokale & Konsonanten Einen kurzen Satz (mit viel Melodie) New -> record mono sound… -> Record -> SPRECHEN Stop -> Save to list & close Write -> Write to wav file 45

47 46 Darstellung akustischer Signale Oszillogramm File laden Read… Read from file jutta.wav Abspielen Play Edit Abspielen mit Tabulator Zoomen Intensity Show Intensity Pitch Show Pitch (in etwa f0) (Achtung: 2. Achse) Formant Show Formants

48 47 Darstellung akustischer Signale Spektrum Spektrum erstellen Analyse Spectrum To Spectrum... Abspielen: Tabulator Frequenzbereiche markieren und abspielen Zeichnen Draw...

49 48 Suprasegmentale Manipulationen Akustische Geschlechtsumwandlung f005.wav und m005.wav Synthesize Convert change gender… Formant shift ratio Duration factor Lattner et al. (2005)

50 49 Suprasegmentale Manipulationen Flattening Sound 1a06 Manipulate To Manipulation... Manipulation 1a06 Extract Pitch Tier Edit Remove Points Add Point Replace Pitch Tier Manipulation 1a06 & PitchTier untiteled gleichzeitig markieren Replace Pitch Tier Flattened soundfile erstellen Manipulation 1a06 Play (overlapp-add) Get resynthesis (overlapp-add) Sound 1a06 Write Write to WAV file… + weiter Melodieverläufe erstellen

51 50 Suprasegmentale Manipulationen Flattening Meyer et al. (2004)

52 51 Signalfilter Hochpass Lässt Frequenzen über einer Grenzfrequenz passieren Tiefpass Lässt Frequenzen unter einer Grenzfrequenz passieren Bandpass Lässt Frequenzen in einem Frequenzband passieren Bandstopp Stoppt Frequenzen in einem Frequenzband

53 52 Signalfilter Flüstern 1a06.wav Hochpassfilter anlgegen Synthesize Filter (stop hann band)… 0...x Hz

54 53 Signalfilter Delexikalisieren Semantische Informationen zerstört, prosodische erhalten Kontrollbedingung in Experimenten (zB: Meyer et al., 2004) 1a06.wav Tiefpassfilter anlgegen Synthesize Filter (pass hann band)… 0...x Hz

55 54 Segmentale Manipulationen VOT VOT – Voice Onset Time Zeit zwischen Beginn des Konsonanten und Einsatz der Stimme (Schwingung der Stimmbänder) Frye(2007)

56 55 Segmentale Manipulationen VOT Kategoriale Sprachwahrnehmung eco.psy.ruhr-uni-bochum.de/download/Guski-Lehrbuch/Kap_7_3.html /da/ /ta/ Phonem-Grenze = phonetic categoric boundary

57 56 Segmentale Manipulationen VOT Pa-pa.wav /pa/ /ba/

58 57 Signalvorverarbeitung Normalisierung Zwei Unterschiedlich laute Soundfiles (jutta.wav & kind.wav) Normalisierung: Angleichung der Energie ( Lautstärke) Modify scale intesity… zB: 70dB Kontrolle: Query get intensity (dB)

59 58 Darstellung akustischer Signale Oszillogramm Edit Get Pitch/Formant Frequency... Wide-/Narrowband-Spektrogramm Spectrum Spectrogramm settings… Window length: 0.005s Wideband Window length: 0.05s Narrowband Vgl. f0 und unterste Harmonische Oszillogram zeichnen Im Outputwindow einen eine Ebene aufspannen Draw… Parameter variieren File Copy to clipboard Erase All

60 59 Literatur aachen.de/personen/dozenten/bkroeger/documents/Kroeger_PhonetikSkript_2007.pdfhttp://www.logopaedie.rwth- aachen.de/personen/dozenten/bkroeger/documents/Kroeger_PhonetikSkript_2007.pdf


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