2. Sitzung K3.1 Phonetik und Phonologie II

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1 2. Sitzung K3.1 Phonetik und Phonologie II
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2 Akustische Phonetik 2

3 Sprachsignale Stimmhafte Sprachschallsignale sind quasiperiodische Signale. Deren Analyse ist möglich durch Zerlegen in übereinandergelagerte sinusförmige Bestandteile. Dies Verfahren wird Fourier-Reihenanalyse genannt. 3

4 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 4

5 1f0 = 100 2f0 = 200 3f0 = 300 4f0 = 400 5f0 = 500 Etc. Harmonische
Verhältnis der Harmonischen Grundfrequenz = 1f0 = 100 2f0 = 200 3f0 = 300 4f0 = 400 5f = 500 Etc. Harmonische 5

6 Verhältnis der Harmonischen
Grundfrequenz = 1f0 = 2f0 = 3f0 = 4f0 = 5f = Etc. 6

7 Verhältnis der Harmonischen
Grundfrequenz = 1f0 = 2f0 = 3f0 = 4f0 = 5f = Etc. 7

8 Frequenz (Hz) ist der Kehrwert der Periodenlänge in Sekunden (s)
Grundfrequenz - Periodendauer f = 1 / T Frequenz (Hz) ist der Kehrwert der Periodenlänge in Sekunden (s) T = 10 ms = 0,01 s f = 1/T = 1 / 0,01 = 100 Die Frequenz eines Signals mit einer Periodenlänge von 10 ms beträgt 100 Hz. 8

9 1. Harmonische = Grundfrequenz
T = 0,01s = 10 ms 1/T = 1/0,01 = 100 Hz

10 Harmonische

11 Harmonische

12 1. + 2. + 3. Harmonische und resultierendes komplexes Signal

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14 Höhere Harmonische haben geringere Amplitude wie in der unteren Abbildung schematisiert

15 Fourieranalyse 15

16 Hörbarer Bereich: 20-20.000 Hz Grundfrequenz Telefonqualität
Übliche Frequenzen, die in Sprache vorkommen Hörbarer Bereich: Hz Grundfrequenz Männer ca. 120 Hz Frauen ca. 220 Hz Kinder ca Hz Telefonqualität Festnetz Hz Handy Hz 16

17 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. 17

18 Quelle-Filter-Modell
18

19 Stimmlippenschwin- gungen Grundfrequenz und Obertöne
Quelle-Filter-Modell Stimmlippenschwin- gungen Grundfrequenz und Obertöne Übertragungs- funktion des Vokaltrakts Am Mund abgestrahltes Signal 19

20 Stimmlippenschwin- gungen Grundfrequenz und Obertöne
Quelle-Filter-Modell ungedämpfte Resonanz- bereiche gedämpfte Resonanz- bereiche f0 2f0 3f0 4f0 5f0 6f0 Stimmlippenschwin- gungen Grundfrequenz und Obertöne Übertragungs- funktion des Vokaltrakts Am Mund abgestrahltes Signal 20

21 Quelle-Filter-Modell
21

22 Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre

23 Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre

24 Geschlossenes Ende am Kehlkopf Offenes Ende an den Lippen
Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre Geschlossenes Ende am Kehlkopf Offenes Ende an den Lippen

25 Stehende (Sinus-)welle.
Resonanzen einer geschlossenen Röhre Stehende (Sinus-)welle. Geschlossenes Ende am Kehlkopf Geschlossenes Ende an den Lippen

26 Stehende (Sinus-)welle. ¼ λ
Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre, die an einer Seite geöffnet ist. Stehende (Sinus-)welle. ¼ λ Geschlossenes Ende am Kehlkopf Offenes Ende an den Lippen

27 Geschlossenes Ende am Kehlkopf Offenes Ende an den Lippen
Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre Nächstmögliche (ungerade) Harmonische der stehenden (Sinus-)welle. 3 * ¼ λ Geschlossenes Ende am Kehlkopf Offenes Ende an den Lippen

28 Geschlossenes Ende am Kehlkopf Offenes Ende an den Lippen
Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre Nächstmögliche (ungerade) Harmonische der stehenden (Sinus-)welle. 5* ¼ λ Geschlossenes Ende am Kehlkopf Offenes Ende an den Lippen

29 Stehende (Sinus-)welle. ¼ λ
Modell des Vokaltrakts als zylindrische Röhre, die an einer Seite geöffnet ist. Stehende (Sinus-)welle. ¼ λ Geschlossenes Ende am Kehlkopf Offenes Ende an den Lippen

30 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

31 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]

32 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