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Artikulatorische und akustische Phonetik

Sprache und KommunikationInstitut für KommunikationswissenschaftenUniversität BonnPoppelsdorfer Allee 47, 53115 Bonn

[email protected]://www.ikp.uni-bonn.de

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Hess

25.03.2006

1. Phonation

2. Akustische Theorie der Vokalartikulation

3. Dynamische Aspekte:Vokal-Konsonant-Übergänge,Koartikulation

4. Artikulation im Kontext: Reduktion,schwache Formen

Artikulatorische und akustischePhonetik

05a

Literaturempfehlung [1]Allgemein zur artikulatorischen und akustischen PhonetikLadefoged, Peter (21993, 42001): A course in phonetics (Harcourt Brace Jovanovich, San Diego)O’Shaughnessy, Douglas (1987, 22000): Speech Communication. Human and machine (IEEE Press, New York, USA)Pompino-Marschall, Bernd (1995): Einführung in die Phonetik (de Gruyter Studienbuch, Berlin)Speziell zu Kapitel 2Akustische Theorie der VokalartikulationChiba T. / Kajiyama M. (1941): The vowel - its nature and structure (Phonetic Society of Japan, Tokyo)Fant, Gunnar (1960, 21970): Acoustic theory of speech production (Mouton, The Hague)Fellbaum, Klaus (1984): Sprachverarbeitung und Sprachübertragung (Springer, Berlin)Flanagan, James L. (1972): Speech analysis, synthesis, and perception (Springer, Berlin)Kelly, J. L. / Lochbaum, C. C. (1962): ”Speech synthesis.” In Congress report, 4th International Congress on Acoustics,Copenhagen 1962; ed. by A.K. Nielsen (Harlang and Toksvig, Copenhagen)

Meyer-Eppler, Werner / Ungeheuer, Gerold (1957): ”Die Vokalartikulation als Eigenwertproblem.” Z. Phonetik u. allg.Sprachwiss. 10, 245-257

Mrayati, Mohammed / Carré, René / Guérin, Bernard (1988), “Distinctive regions andmodes: A new theory of speech pro-duction.” Speech Communication 7, 257--286

Rabiner, Lawrence R. / Schafer, Ronald W. (1978): Digital processing of speech signals, Chap. 3 (Prentice-Hall, Engle-wood Cliffs, NJ, USA)

Ungeheuer, Gerold (1958): ”Die Eigenwerttheorie der Formanten und das Systemder Vokale.” Z. Phonetik u. allg. Sprach-wiss. 11, 36-48 [nachgedruckt in (Ungeheuer, 1977, 29-42)]

Ungeheuer, Gerold (1962): Elemente einer akustischen Theorie der Vokalartikulation (Springer, Berlin)Vary, Peter / Heute, Ulrich / Hess, Wolfgang (1998): Digitale Sprachsignalverarbeitung (Teubner, Stuttgart)

05a

Literaturempfehlung [2]FormantkartenDunn, H. K. (1961): “Methods of measuring formant bandwidths.” J. Acoust. Soc. Am. 33, 1737-1746Hess,Wolfgang (1976): ”A pitch-synchronous, digital feature extraction system for phonemic recognition of speech.” IEEETrans. ASSP-24, 14-25

Peterson, G. E. / Barney, H. L. (1952): ”Control methods used in a study of the vowels.” J. Acoust. Soc. Am. 24, 175-184Instrumentelle Messmethoden[Articulography--UCLA] http://www.linguistics.ucla.edu/faciliti/facilities/physiology/emg.html[Artikulograph] http://www.articulograph.de/AG500/catalog.pdfBaer, Thomas / Gore, J. C. / Gracco, L. C. / Nye, Patrick W., (1991): ”Analysis of vocal tract shape and dimensions usingmagnetic resonance imaging: Vowels,” J. Acoust. Soc. Am. 90, 799--828

Branderud, P. / Lundberg, H.-J. / Lander, J. / Djamshidpey, H. / Wäneland, I. / Krull, D. / Lindblom, Björn (1998): ”X--rayanalyses of speech: Methodological aspects”. In FONETIK 98, Papers presented at the annual Swedish phonetics con-ference, Dept of Linguistics, Stockholm University, May 1998

[Electropalatography--Sheffield] http://www.dcs.shef.ac.uk/~miguel/research/epg.html[Electropalatography--UCLA] http://www.linguistics.ucla.edu/faciliti/facilities/physiology/epg.htmlEngwall,Olov (2000): “Dynamical aspects of coarticulation inSwedish fricatives -- a combinedEMA&EPGstudy.” In TML-QPSR 4/2000, 49--73

Engwall, Olov (2002). Tongue Talking -- Studies in Intraoral Speech Synthesis, PhD thesis. KTH Stockholm (downloadvia http://www.speech.kth.se/~olov )

Gibbon, Fiona (2003): “Bibliography of electropalatographic (EPG) studies in English (1957--2002).” Queen Margaret’sCollege, Edinburgh, http://sls.qmuc.ac.uk/pubs/03 May EPGREFS.pdf

Hardcastle, William J. (1972): “The use of electropalatography in phonetic research.” Phonetica 25, 197--215

05a

Literaturempfehlung [3]Instrumentelle Messmethoden (Forts.)[Haskins Labs] http://www.haskins.yale.edu/haskins/heads/contents.htmlHoole, Phillip / Nguyen, Noël (1997): Electromagnetic articulography in coarticulation research.” Forsch. Ber. IPSKMünchen 35, 177-184

Lindqvist, Jan (1965): ”Studies of the voice source by inverse filtering.” STL--QPSR #2, 8--13 (Royal Inst. of Technol.,Stockholm

Metoui, Mongi (2001): Strategien der Artikulation. Über die Steuerungsprozesse des Sprechens (Shaker, Aachen)[Nasometer II] http://www.kayelemetrics.com/ProductInfo/ProductPages/Nasometer_Model6400/nasometerii.htm(Produktinformation; angelinkte Bibliographie)

Rothenberg, Martin (1973): “A new inverse--filtering technique for deriving the glottal air--flow waveform during voicing.”J. Acoust. Soc. Am. 53, 1632-1645; siehe auch http://www.rothenberg.org

Wong,D. Y. / Markel, John D. / Gray, AugustineH. (1979): Least-squares glottal inverse filtering from the acoustic speechwaveform.” IEEE Trans. ASSP-27, 350--355

Zierdt, Andreas (1993): “Problems of electromagnetic position transduction for a three-dimensional articulographic mea-surement system. Forsch. Ber. IPSK München 31, 137--142

Zierdt, Andreas / Hoole, Phillip / Honda, Masaaki / Kaburagi, Tokihiko / Tillmann, HansG. (2001): “Extracting tongues frommoving heads.” In Proc. 5th Workshop on Speech Production, Seeon (Inst. Phonetik, LMU München)

Weitere Literatur und QuellennachweiseBronstein, Iuri N. / Semendjajew, K. A. (251991): Taschenbuch der Mathematik (Teubner, Wiesbaden)Gerthsen, Christian / Vogel, Helmut (181995): Physik. Springer-Lehrbuch (Springer, Berlin) [Abschnitte 4.2, 3.1.3, 3.3.3,5.2.5]

[MRI] http://www.radiologyinfo.org/content/mr_of_the_head.htm

05a

Die menschlichen Sprechorgane(vgl. GRUNDLAGEN DER PHONETIK)

Stimmbänder, Stimmritze (Glottis)

Velum

Lippen

Zunge

Gaumen

Nasenraum

Mundraum

Rachenraum(Pharynx)

SupraglottalesSystem

SubglottalesSystem

Unterkiefer

99a aap_2.1

Quelle-Filter-Modell(vgl. GRUNDLAGEN DER PHONETIK)

Im Prinzip erfolgt die Bildung des Sprachsignals in zweiSchritten:1) Anregung (”Quelle”)2) Signalformung (”Filter”)Diese beiden Komponenten können mit guter Näherung alsunabhängig voneinander betrachtet werden.

Quelle Filter

Im vorliegenden Kapitel geht es um die akustischen Eigen-schaften des Filters.

99a aap_2.2

Artikulatorische und akustische Phonetik2. Akustische Theorie der

Vokalartikulation

035

2.1 Zur Theorie2.1.1 Grundgleichungen der Schallausbreitung2.1.2 Ebene Wellenausbreitung bei veränderlichen

Querschnitten2.1.3 Ebene Wellenausbreitung in zylindrischen Rohren, deren

Querschnitt sich sprunghaft ändert2.1.4 Der einfachste Fall: Homogenes Rohr mit konstantem

Querschnitt2.1.5 Berücksichtigung von Verlusten

2.2 Systematik der Formantverschiebungen in (oralen)Sonoranten

2.3 Formantkarten für Vokale2.4 Ausgewählte instrumentelle Messmethoden

Schallausbreitung und ihremathematische Behandlung

Die physikalischen Grundgesetze der Schallausbreitungführen auf komplizierte mathematische Zusammenhänge inForm partieller Differentialgleichungen.

Grundsätzlich stellt eine partielle Differentialgleichungeinen Zusammenhang her zwischen einer Funktion mehrererVeränderlicher und ihren (partiellen) Ableitungen nach deneinzelnen Veränderlichen.

Im Fall der Schallausbreitung sind die wesentlichen Kenn-größen Funktionen von 4 Veränderlichen, nämlich den dreiOrtskoordinaten x, y und z im Raum sowie der Zeit t.

Vereinfachung: eindimensionaler Fall; dann sind die Kenn-größen nur noch von zwei Variablen abhängig, nämlich einerOrtskoordinate - hier x genannt - und der Zeit t.015 aap_2.3

Typen von Gleichungen [1]Bestimmungsgleichung

Eine Bestimmungsgleichung beschreibt den Zusammenhangzwischen einer Unbekannten und (einer oder mehreren)Konstanten.

Lösung der Bestimmungsgleichung ist eine Zahl, also einkonstanter Wert.

Ziel der Auflösung der Gleichung ist es, den Wert derUnbekannten bekannt zu machen, der die Gleichung erfüllt.

ax2 bx c 0 x --b b2 4ac2a

Beispiel Lösung hierzu

015 aap_2.4

Funktionsgleichung

Eine Funktionsgleichung beschreibt den Zusammenhangzwischen einer abhängigen Veränderlichen und (einer odermehreren) unabhängigen Veränderlichen.

Ziel der Rechnung ist es, den Wert der abhängigenVeränderlichen für jeden beliebigen Wert der unabhängigenVeränderlichen bekannt zu machen.

y f(x)

Beispiele

x2 y2 r2

[explizite Definition]

[implizite Definition]hier: Kreis um den Ursprung

Typen von Gleichungen [2]

015 aap_2.5

Typen von Gleichungen [3](Gewöhnliche) Differentialgleichung

Eine (gewöhnliche) Differentialgleichung beschreibt denZusammenhang zwischen einer (unbekannten) Funktion einerVeränderlichen und einzelnen Ableitungen nach der unabhängigenVeränderlichen.

Ziel der Rechnung ist es, die Funktion zu ermitteln, die dieGleichung erfüllt.

Da hierbei stets integriert werden muss, ist die Lösung nichteindeutig, sondern hängt von Zusatzbedingungen ab.

dydx

a y 0y eax C eC eax

Beispiel Lösung hierzu

C : Integrationskonstante

015 aap_2.6

(Gewöhnliche) Differentialgleichung [2]Lösung des Beispiels

dydx

a y 0

dydx

a y

dy a y dx

dyy a dx

dyy a dx

ln y ax C

y eax C eC eax

Probed(eax+C)

dxa eax+C 0

a eax+C a eax+C 0


015 aap_2.7

Partielle Ableitung

Funktionen mehrerer Veränderlicher können ähnlich wieFunktionen einer Veränderlichen differenziert werden. VonInteresse sind dabei partielle Ableitungen, d.h. Ableitungen nachjeweils einer der unabhängigen Veränderlichen.

Diese Ableitungen werden berechnet, indem die Funktion wieeine Funktion einer Veränderlichen nach dieser Veränderlichendifferenziert wird; die übrigen unabhängigen Veränderlichenwerden dabei wie Konstante behandelt.

y y(x, t) y x y ty ist Funktion vonOrt x und Zeit t

Partielle Ableitungvon y nach dem Ort x

Partielle Ableitungvon y nach der Zeit t

An Stelle der bei Funktionen einer Veränderlichen üblichen Differen-tialquotientenschreibweisemit demSymbol d [z.B.: Funktion y(x); Ablei-tungdy/dx]wirdbeipartiellenAbleitungendasSymbol verwendet.Also

015 aap_2.8

Partielle Differentialgleichung

Eine partielle Differentialgleichung beschreibt denZusammenhang zwischen einer (unbekannten) Funktion mehrererVeränderlicher und einzelnen partiellen Ableitungen nach denunabhängigen Veränderlichen.

Ziel der Rechnung ist es, die Funktion zu ermitteln, die dieGleichung erfüllt.

Eine geschlossene Lösung lässt sich in der Regel nur noch inSpezialfällen angeben.

2px2

1c2

2pt2

Beispiel Dies ist eine der Gleichungen, die für dieAusbreitung einer ebenen Schallwelle gelten.Diese Gleichung gilt für den Schalldruck p. Eineentsprechende Gleichung wird für dieSchallschnelle v aufgestellt.


015 aap_2.9

Formen von Schallwellen[GRUNDLAGEN DER PHONETIK, Kap. 1]

Kugelwelle

Ebene Welle

00b aap_2.10

Herleitung der Wellengleichung [1]Ebene Welle; konstanter Rohrquerschnitt

Folgende Größen werden für die Wellenausbreitungbenötigt:S Schalldruck pS Schallschnelle v (also die Geschwindigkeit, mit der ein

Teilchen infolge des Schalles hin- und herschwingt)S darüber hinaus (als Zwischengröße): Dichte der Luft

Die folgenden physikalischen Gesetze sind für die Schall-wellenausbreitung maßgebend:S Newtonsches Gesetz - Kraft gleichMasse mal Beschleuni-

gungS Kontinuität - durch den Schall werden weder Teilchen neu

erzeugt noch vernichtet015 aap_2.11

Newtonsches Gesetz:KraftgleichMassemalBeschleunigungF m a (2.1)

m V ; a dvdt

; F p A .

F Kraft [force]m Massea Beschleunigung [acceleration]

DichteV Volumenv (Schall)-Schnellep (Schall)-DruckA Querschnitt (Fläche)

x x+dx

dxA

p(x) p(x+dx)

p(x) Druck an der Stelle xp(x+dx) Druck an der Stelle x+dx

F(x) p(x) A

F(x+dx) p(x+dx) A(2.2a,b)

V


015 aap_2.12

dF(x) F(x) F(x+dx) p(x) A p(x+dx) A

p(x) A p(x)p(x)x dx A

(2.3)

(2.4)

Beim Übergang (2.3) (2.4) wurde dieKurve an der Stelle x durch die Tangenteapproximiert. Der hierbei gemachte Fehlerverschwindet, wenn dx gegen Null geht.

p(x)x dx A

p(x)x V

x x+dx

(Fehler)

dx

p(x)x dx

p

Unsere Scheibe mit der Dicke dx und derFläche A soll das Volumen V besitzen:

V : A dx


015 aap_2.13

(2.6)

dF(x)p(x)x V

Mit

sowie

erhalten wir

a dv dt

m V

dFpx V m dv

dtoder

px

dvdt

(2.4)

Für kleine Werte von v(x, t) wird dvdt

vt ; damit

px

vt

x x+dxdxA

p(x) p(x+dx)

(2.5)

V


015 aap_2.14

Kontinuität: Durch den Schall werden Teilchen weder neuerzeugt noch vernichtet.

x x+dxdx

dV V(t+dt) V(t)

p(x+dx)

v(x+dx)

p(x)

v(x)t

t+dt

Die Luft, die sich zum Zeitpunkt t in derZylinderscheibe A·dx befindet, habe dieMasse m, Da sich die Teilchen durch denSchall an den Stellen x und x+dxverschieden schnell bewegen, ändertsich das Volumen V, das die Masse meinnimmt, mit der Zeit t.

Die Volumenänderung beträgt

V

V+dV

A dxv(x)x dx dt A dx

v(x)x dx dt A (2.7)


015 aap_2.15

Damit wird die relative Volumenänderung

Nach denGesetzen der Strömungsmechanik geht eineVolumenänderungin Flüssigkeit oder Gas bei gleichbleibender Masse einher mit einerDruckänderung. Eine (geringe) Drucksteigerung um p bewirkt eine Volu-menabnahme um -- V; diese ist proportional zu p und demvorhandenenVolumen V:

(2.9)

(2.8)dVV

vx dt A dx

Vvx dt

V k V p

Der Proportionalitätsfaktor

k 1V

Vp

ist die Kompressibilität der Luft. Wir werden uns später hiermit wiederbeschäftigen.

(2.10)


015 aap_2.16

(2.9)

(2.11)

(2.12)

Wir setzen (2.8) und (2.9) ineinander ein

dVV

vx dt dV

Vk dp

und erhalten

vx dt k dp oder v

x kdpdt

.

vx k

pt

Die örtliche Ableitung der Schallschnelle ist also der zeit-lichen Ableitung des Schalldrucks proportional.

Für kleine Werte von p ist wiederum

dp dt p t .

Damit ergibt sich eine zweite Beziehung zwischen Druck und Schnelle

(2.8)


015 aap_2.17

(2.14)

Wir haben jetzt zwei Beziehungen zwischen Druck und Schnelle:

(2.12)vx k

pt(2.6)

px

vt

Hieraus lässt sich v eliminieren, wenn wir (2.6) nach x und (2.12) nach tableiten:

(2.13a,b)2vx t k

2pt2

1 2px2

2vt x

1k

2px2

2pt2

oder2pt2

1k

2px2

Diese partielle Differentialgleichung 2. Grades wird Wellen-gleichung oder auch d’Alembert-Gleichung genannt. Sie beschreibtdie Ausbreitung einer ebenen, verlustfreien Schallwelle.


015 aap_2.18

(2.16)

(2.15a,b)1k

2vx2

2pt x

2px t

2vt2

1k

2vx2

2vt2

oder2vt2

1k

2vx2

Diese Wellengleichung ist mit der für den Druck p identisch. Diesentspricht der Beobachtung, dass bei ungestörter Schallausbrei-tung p und v gleiche Form aufweisen.

Eine entsprechende Prozedur lässt sich verwenden, um p zu eliminieren;dies führt auf eine Wellengleichung gleichen Typs für v:


(2.12)vx k

pt(2.6)

px

vt

015 aap_2.19

Ungestörte Ausbreitung einer ebenen Schallwelle, diezum Zeitpunkt t=0 (oberste Linie) eingeschaltet wird

Schalldruck undSchallschnelle

x

t

x

x

Wellenlänge

Einfluss der Schall-welle auf die Anord-nung der Teilchen zubestimmten Zeit-punkten

Auslenkung

pv

[GRUNDLAGEN DERPHONETIK, Kap. 1]

99a aap_2.20

Lösung der Wellengleichung [1]Ebene Welle; konstanter Rohrquerschnitt

Aus der Beobachtung stellen wir für die ebene Welle bei ungestörterAusbreitung fest:S Schalldruck und Schallschnelle sind in Phase.S Der zeitliche Verlauf der auslösenden Schwingung stimmt überein

mit dem zeitlichen Verlauf der Schwingung eines einzelnen Teil-chens im Verlauf der Welle.

S Die Form des zeitlichen Verlaufs der auslösenden Schwingungstimmt überein mit der Form des örtlichen Verlaufs der Welle beifestgehaltener Zeit (”Momentaufnahme”).

Mathematisch ist dieser Zusammenhang wie folgt auszudrücken: Ists(t) die auslösende Schwingung, so ist die Welle gegeben durch

(2.17)f(x, t) a0 s(txc)

Hierbei ist a0 eine Konstante; c ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit derWelle, also die Schallausbreitungsgeschwindigkeit.015 aap_2.21

Wir wollen nun sehen, ob dieser Ansatz auch die Wellengleichung befrie-digt. Zu diesem Zweck setzen wir (2.17) und (2.14) ineinander ein:

(2.17)p(x, t) p(t xc)(2.14)

2pt2

1k

2px2

p(x, t)x

p(t-- xc)(t-- xc)

(t-- xc)x

1c

p(t-- xc)(t-- xc)

2p(x, t)x2

1c2

2p(t-- xc)(t-- xc)2

2p(x, t)t2

2p(t-- xc)(t-- xc)2

2p(t-- xc)(t-- xc)2

1k

1c2

2p(t-- xc)(t-- xc)2

c2 1k

oder c 1k

; damit 1k

1c2

1

löst dieser Ansatz die Wellengleichung.

Für(2.18)


(Kettenregel)

015 aap_2.22

Schallausbreitungsgeschwindigkeit [1]

(2.19)

Die Druckänderung in Luft (schlechter Wärmeleiter!) erfolgt soschnell, dass kein Wärmeaustausch mit der Umgebung möglich ist.Zwischen Druck und Volumen besteht also die adiabatische Beziehung(POISSON’sches Gesetz)

p VÀ const ; also p proportional V--À

Dies können wir uns aus der Beobachtung leicht plausibel machen:S Wenn wir Luft komprimieren (z. B. im Fahrradreifen), müssen wirmechanische Arbeit leisten.

S Also wird der komprimierten Luft durch die Arbeit Energie zugeführt.S Enthält die Luft mehr Energie als vorher, so wird sie erwärmt (an derFahrradpumpe leicht festzustellen).

S Erwärmte Luft hat bei gleichem Volumen einen höheren Druck.

Das bekannte BOYLE-MARIOTTE’sche Gesetz gilt für isothermenZustandeines Gases, also bei konstanter Temperatur: p · V = const .015 aap_2.23

(2.20)

Die adiabatische Konstante [kappa] ist eine Materialkonstante:

pp À V

VÀ (2.21)

dies gilt auch bezogen auf den atmosphärischen Luftdruck pA .

À 1, 4 (in Luft)

Aus (2.19) folgt für Druck- und Volumenänderungen


(2.19)p VÀ const ; also p proportional V--À

055 aap_2.24

Damit erhalten wir die Möglichkeit, die Kompressibilität der Luft zu berech-nen und aus der Wellengleichung zu eliminieren.

Es war

k 1V

Vp

oderpp

1kp

VV

(2.10)

hieraus folgt durch Koeffizientenvergleich

À 1 kp oder k 1 Àp (2.22)

und daraus mit (2.18)

c2 1k A

ÀpAA

(2.23)


055 aap_2.25

(2.16)2vt2

1k

2vx2

Mit der Schall(ausbreitungs)geschwindigkeit c können wir die Wellen-gleichungen nun umformen:

(2.14)2pt2

1k

2px2

2vt2

c22vx2

2pt2

c22px2

(2.24a,b)

Auch die Kontinuitätsgleichung (2.12) wird mit (2.18) nochmal umgeformt:

(2.12) vx k

pt

c2 1k

(2.18)

vx

1c2

pt (2.25)


015 aap_2.26

UNGEHEUERs Schnellepotential

Die Randbedingungen an Mund und Glottis betreffen einmal p, einmal v.Besser ist es, nur mit einer Größe operieren zu müssen.

v : x (2.27a) p t

UNGEHEUER (1962) definiert hierzuein Schnellepotential (ohneeigene physikalische Bedeutung):

Für p ergibt dies mit

(2.6)px

vt

(2.27b)

vx

1c2

pt (2.25)

Eingesetzt in die Kontinuitätsgleichung

2

t2c2

2

x2(2.28)

ergibt dies

015 aap_2.27

(2.17c)(x, t) (t xc)

Neben der uns bereits bekannten Lösung

(2.26c)(x, t) (t xc)

existiert noch eine weitere Lösung

Diese Lösung beschreibt eine ebeneWelle, die sich entgegen derdurchdie Ortskoordinate x vorgegebenen Richtung ausbreitet.


015 aap_2.28

Wir kombinieren diese beiden Lösungen:

(x, t) f (txc ) b (t

xc ) (2.29)

vorlaufende Welle rücklaufende Welle

Diese neue Lösung gilt insbesondere auch für harmonische Funktionen

(x, t)^

f cos (t xc )

^

b cos (t xc ) (2.30)


015 aap_2.29

Die weiteren Schritte

Der Querschnitt des Vokaltrakts ist nicht konstant.S Die Ortsabhängigkeit des Querschnitts wird eingearbeitet.Drei verschiedene Ansätze:

S Webster-Horngleichung [CHIBA/KAJIYAMA; MEYER-EPPLER/UNGEHEUER]S Röhrenmodell mit mehreren zylindrischen Stücken [FANT]S Gleichförmig abgetastetes Röhrenmodell [KELLY/LOCHBAUM]

Die Randbedingungen an Glottis und Mundöffnung (ggf. auchNasenraum) sind einzuarbeiten.S Dies führt zum Konzept der stehenden Welle und erklärt die Existenzvon Resonanzen, d.h., Formanten.

Der Vokaltrakt ist nicht ideal verlustfrei.S Verschiedene Ursachen: Reibung, nicht ideal schallharte WändeS Vor allem aber: Abstrahlung an der MundöffnungS Lässt sich nur noch näherungsweise berechnen015 aap_2.30


Vokalartikulation

035







Alternativer Ansatz der KontinuitätsgleichungKonstanter Querschnitt [1]

Durch den Schall werden weder neue Luftpartikel erzeugt,noch werden bestehende vernichtet.

dmdt

(x) u(x) (x+dx) u(x+dx) mit u(x) v(x) A (2.32)

x x+dxdxA

v(x) v(x+dx)V

Die Massezunahme dm in einem Volumen-element dV = A dx entspricht dem Zuflussdurch die Begrenzungsflächen. Eindimensiona-le Schallausbreitung in x-Richtung -- zunächstmit konstantem Querschnitt A -- ergibt

u(x) u(x+dx)

Die Größe u heißt Schallfluss oder auch Volumengeschwin-digkeit (engl. volume velocity).015 aap_2.31

dmdt

(x) u(x) (x+dx) u(x+dx) [ mit u(x) v(x) A ]

[ (x) v(x) (x+dx) v(x+dx) ] A[ (x) v(x) ( (x)+ )(v(x)+ v)] A

x v dx vx dx A

( v)x dx A

(2.32--34)

Bei kleinem Schalldruck: Dichte als ortsunabhängig betrachtetvx dx A m

t ; daraus mit m dx A

vx t

Mit (2.19-23) auf der rechten Seite eliminiert ergibt die bekannte Form

vx

1c2

pt (2.25)

(2.36)

Alternativer Ansatz der KontinuitätsgleichungKonstanter Querschnitt [2]

015 aap_2.32

dmdt

(x) u(x) (x+dx) u(x+dx) [ mit u(x) v(x) A(x) ]

[ (x) v(x) (x+dx) v(x+dx) ] A(x)

[ (x) v(x) ( (x)+ )(v(x)+ v)] A(x)

x v dx vx dx A(x)

KontinuitätsgleichungOrtsveränderlicher Querschnitt

(2.37)

Annahme: Die Fläche ist nicht zeitveränderlich, also A=A(x).

[v A(x)]x

A(x)c2

pt

ergibt als neue Kontinuitätsgleichung

( v)x dx A(x)

A

x

A(x)

015 aap_2.33

Die Webster’sche Horngleichung[CHIBA/KAJIYAMA, 1941; MEYER-EPPLER/UNGEHEUER, 1957]

(2.37)[v A(x)]x

A(x)c2

pt

2[v A(x)]x t

A(x)c2

2pt2

2

x21A x

dAdx

1c2

2

t22px2

1A

pxdAdx

1c2

2pt2

Kontinuitätsgleichung für ortsveränderlichen Querschnitt

nach der Zeit abgeleitet

(2.38)

und kombiniert mit der Beschleunigungsgleichung

(2.6)px

vt

(2.39,40)

ergibt die sogenannte Webster’sche Horngleichung

Die Lösung dieser Gleichung muss für gegebeneQuerschnitte A(x) numerisch approximiert werden.015 aap_2.34


Vokalartikulation

035


Querschnitten2.1.3 Ebene Wellenausbreitung in zylindrischen Rohren,

deren Querschnitt sich sprunghaft ändert2.1.4 Der einfachste Fall: Homogenes Rohr mit konstantem




Allgemeine Lösung der Wellengleichung (vgl. Abschnitt 2.1.1)

(x, t) f (txc ) b (t

xc ) (2.29)


hieraus abgeleitet Ansatz für p, v, u

v(x, t) 1c f (t

xc ) b(t

xc ) vf (t

xc ) vb(t

xc )

u(x, t) Ac f (t

xc ) b(t

xc ) uf (t

xc ) ub(t

xc )

p(x, t) f (txc ) b(t

xc ) pf (t

xc ) pb(t

xc )

(2.31a-c)

Mit Hilfe der Definition einer Schallimpedanz Z Ausdrücken von p durch u:Z p u c A

p(x, t) Z uf (txc ) ub(t

xc )

(2.41)

(2.42)


015 aap_2.35

Ebene Welle bei sprunghafterQuerschnittsveränderung [1]

Kontinuitätsbedingungenan der SprungstelleS gleicher Schalldruck p auf beiden SeitenS gleicher Schallfluss u auf beiden Seiten

pk(t) pk+1 (t) ; uk(t) uk+1 (t) (2.43)

Zk ufk(t) ubk(t) Zk+1 uf, k+1 (t) ub, k+1 (t) oder

1Ak

ufk (t) ubk(t)1

Ak+1uf, k+1 (t) ub, k+1 (t)

Kontinuitätsbedingung für den Schalldruck

ufk (t) ubk(t) uf, k+1 (t) ub, k+1 (t)

(2.44)

(2.45)

Kontinuitätsbedingung für den Schallfluss

uf,k(t)

ub,k(t)

uf, k+1(t)

ub, k+1(t)

Ak Ak+1

015 aap_2.36

1Ak

ufk(t) ubk(t)1Ak+1

uf, k+1(t) ub, k+1(t)

ufk(t) ubk(t) uf, k+1(t) ub, k+1(t)

(2.44,45)

rk :Ak+1 AkAk+1 Ak

uf, k+1(t) (1+rk ) ufk(t) rkub, k+1 (t)

ubk(t) --rkufk(t) (1--rk) ub, k+1 (t)

Definition eines Reflexionsfaktors

(2.46)

(2.47)

ergibt die Verhältnisse an der Sprungstelle

uf,k(t)

ub,k(t)

uf, k+1(t)

ub, k+1(t)

Ak Ak+1


015 aap_2.37


ubk(t) --rkufk(t) (1--rk) ub, k+1 (t)(2.47)

--rk rk

1+rk

1--rk

uf,k(t)

ub,k(t)

uf k+1(t)

ub, k+1(t)

uf, k+1(t-- k+1)

ub, k+1(t+ k+1)

k k+1

k k+1

Röhrenmodell

Das Röhrenmodell kanndirekt als digitales Filterrealisiert werden.[KELLY/LOCHBAUM, 1962]

uf,k(t)

ub,k(t)

uf, k+1(t)

ub, k+1(t)

Ak Ak+1


015 aap_2.38

Da die Flächen A stets positiv sind, ist derReflexionskoeffizient wertemäßig beschränkt:

--1 rk 1

Ak+1 0 ergibt Zk+1 und rk --1 ;

Ak+1 ergibt Zk+1 0 und rk 1 .

(2.49)

Ideal “schallharter” Abschluss:

Ideal “schallweicher” Abschluss:

(2.50)

(2.51)


ubk(t) --rkufk(t) (1--rk) ub, k+1 (t)(2.47)

uf,k(t)

ub,k(t)

uf, k+1(t)

ub, k+1(t)

Ak Ak+1


015 aap_2.39

A

Glottis LippenA1A2AkAn ... ............

Röhrenmodell [KELLY/LOCHBAUM, 1962]Eine direkte Realisierung des Röhrenmodells

als digitales Filter ist möglich, wenn dieSektionen konstante Länge erhalten.

Querschnittsverlauf Röhrenmodell

xc (2.52)

Die Zählung der einzelnen Sektionen beginnt hier an der Mundöffnung.015 aap_2.40

Acm2

x cm

Lippen Glottis

Querschnittsverlauffür den russischenVokal[FANT, 1960]

Flächenfunktion

Mittsagittalschnitt

Querschnitte anausgewählten Stellen

015 aap_2.41


Vokalartikulation

035







Eine stehende Welle entsteht beispielsweise, wenn eine (ebene)Welle senkrecht auf eine schallharte Wand auftrifft und in sich selbstreflektiert wird.

Da die schallharte Wand nur eine der beiden akustischen Veränder-lichen p und v, nämlich die Schallschnelle v, zu Null zwingt,

v = 0 an der Reflexionsstelle, (2.53a)

geratenSchalldruck undSchallschnelle in der resultierendenstehen-denWelle außer Phase. Bei einer stehendenWelle sind Schalldruckund Schallschnelle um 90˚ gegeneinander phasenverschoben, undzwar sowohl in Ortsrichtung (bei festgehaltener Zeit) als auch in Zeit-richtung (bei festgehaltenem Ort).

Stehende Wellen [1] - Glottis[vgl. GRUNDLAGEN DER PHONETIK, Kap. 1]

Die allgemeine Lösung der Wellengleichung (ebene Welle,konstanter Querschnitt) deckt diesen Fall ab.00b aap_2.42

Auch beim Auftreffen der Welle auf ein ideal schallweiches Mediumtreten Reflexionen auf. Beispiel: Übergang eines zylindrischen Roh-res ins freie Schallfeld, annähernd gegeben an der Mundöffnung.S Idealisiert könnenwir das freieSchallfeld als imVergleich zumRohrideal schallweich annehmen.

S Auch dieser Übergang verursacht im Idealfall eine totale Reflexiondes Schalls; nur ist hier die Reflexionsbedingung eine andere:

p = 0 an der Reflexionsstelle. (2.53b)

Die Teilchen können sich beim Übergang in ein schallweichesMedium ungehindert bewegen; der Schalldruck bricht an dieserStelle zusammen.

Die allgemeine Lösung der Wellengleichung (ebene Welle,konstanter Querschnitt) deckt auch diesen Fall ab.

Stehende Wellen [2] - Mundöffnung[vgl. GRUNDLAGEN DER PHONETIK, Kap. 1]

00b aap_2.43

Die allgemeine Lösung der Wellengleichung(vgl. Abschnitt 2.1.1) mit harmonischen Funktionen


[=17 cm]

Glottis Lippenx=0 x=

x

An der Glottis:

v 0 ; also x 0 für x=0 und alle t

An der Mundöffnung:

p 0 ; also t 0 für x= und alle t ;

damit auch 0 für alle t .

(x, t)^

f cos (t xc )

^

b cos (t xc ) (2.30)

deckt diesen Fall ab für^

f^

b^;

(2k--1) c2

, also f2

(2k--1) c4

Lösung der Wellengleichung [7]Randbedingungen im Vokaltrakt

015 aap_2.44

[=17 cm]


x

v 0 ; also x 0 für x=0 und alle t

(x, t)^

f cos (t xc )

^

b cos (t xc )

(2.30)

x

^

fc sin (t x

c )

^

bc sin (t x

c )

x x=0

^

fc sin t

^

bc sin t

Damit diese Bedingung unabhängig von der Zeit erfüllt ist, muss gelten^

f^

b^

Damit wird eine stehendeWelle definiert.

Lösung der Wellengleichung [8]Randbedingung an der Glottis

015 aap_2.45

[=17 cm]


x

0 für x= und alle t

(x, t)^cos (t x

c ) cos (t xc )

|x=

^cos (t c ) cos (t c )

2^cos t cos c

Dieser Term verschwindet unabhängig von der Zeit, wenn gilt

c (2k--1)2, also

(2k--1) c2

bzw. f2

(2k--1) c4

Damit unterstützt diese Struktur nur noch bestimmte Frequenzen,dieResonanzfrequenzen oder Formanten. Dies werden alle ungerad-zahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge.

Lösung der Wellengleichung [9]Randbedingung an der Mundöffnung

015 aap_2.46

Verlustfreiesakustisches Rohrmit konstantemQuerschnitt:mögliche Reso-nanzfrequenzenund zugehörigeWellenformen[1][GRUNDLAGEN DERPHONETIK, Kap. 1]

Formant F1

Formant F3

Formant F2

Glottis Lippen

vp

Gezeichnet: Einhüllende

99b aap_2.47

45

4

43

Verlustfreies akustisches Rohr mit konstantemQuerschnitt: mögliche Resonanzfrequenzen und

zugehörige Wellenformen [2]

F1

F2

F3

Gezeichnete Größe: Einhüllende des Schalldrucks pfür die ersten drei Formanten (nach UNGEHEUER, 1962)

[GRUNDLAGEN DER PHONETIK, Kap. 1]

99b aap_2.48


Vokalartikulation

035







Im System Vokaltrakt entstehen Verluste durch

S Reibung der Luftteilchen untereinander (mechanische Ener-gie wird in Wärmeenergie verwandelt);

S Mitschwingen der Wände des Vokaltrakts;

S vor Allem aber: von Null verschiedener Wert der Schallimpe-danz an der Mundöffnung; dadurch Abstrahlung eines Teilsder Schallenergie.

Verluste entstehen immer dann, wenn die Energienicht (vollständig) in einem System verbleibt.

Ursachen für Verluste

Eine verlustbehaftete Schwingung ist gedämpft. In einemlinearen System ist die Dämpfung exponentiell.015 aap_2.49

Die Bandbreite f ist im Frequenzbereich definiert als dasFrequenzband, innerhalb dessen die spektrale Energie aufeinen Wert von 50% des Maximalwertes abgeklungen ist.

Dies entspricht einem Abfall von 3 dB und einem Rückgang derAmplitude auf

Das spektrale Äquivalent zur Dämpfungist die Bandbreite.

Dämpfung und Bandbreite [1][vgl. GRUNDLAGEN DER SPRACHSIGNALVERARBEITUNG, Kap. 4]

t

f

3 dB

f|X(f)|x(t)

1 (2) 0, 7071 .

015 aap_2.50

Dämpfung und Bandbreite sind verbundenüber das Zeit-Bandbreite-Gesetz

der Nachrichtentechnik.

fJe größerdie Dämpfungeiner Schwingung,desto höherdie Bandbreiteihres Spektrumsund umgekehrt.

t

tf

tf

tf

|X(f)|x(t)

Dämpfung und Bandbreite [2][vgl. GRUNDLAGEN DER SPRACHSIGNALVERARBEITUNG, Kap. 4]

015 aap_2.51

Berücksichtigungvon Verlusten [1][RABINER/SCHAFER,1978:65]

S Mitschwingen der Wände

dB

HzDargestellt: Schallfluss015 aap_2.52

S Mitschwingen der WändeS Reibungs- undWärmeverluste

dB

HzDargestellt: Schallfluss


015 aap_2.53


S Abstrahlung (endlicheImpedanz an derMundöffnung)

dB

HzDargestellt: Schallfluss


015 aap_2.54


S Abstrahlung (endlicheImpedanz an derMundöffnung)

dB

Hz

Dargestellt: Schalldruckan den Lippen


015 aap_2.55


Vokalartikulation

035

2.1 Zur Theorie2.2 Systematik der Formantverschiebungen in (oralen)

Sonoranten2.3 Formantkarten für Vokale2.4 Ausgewählte instrumentelle Messmethoden

AusgangspunktWebster’sche Horngleichung [1]

2

x21A x

dAdx

1c2

2

t2bzw. (2.40)

Randbedingungen:

v(t) 0 ; also x 0 für x=0 und alle t [Glottis]

p(t) 0 ; also t 0 für x= und alle t [Mundöffnung] ;

damit auch 0 für alle t .

2

x2 xd(ln A)dx

1c2

2

t2

(2.53a,b)

015 aap_2.56


1 d2

dx2d(ln A)dx

ddx

1c2

d2

dt2 (2.57)

Mit einem Ansatz, der Orts- und Zeitanteil trennt,

(x, t) (x) (t) (2.56)wird die Horngleichung umgeformt:

Da die linke Seite von (2.57) nur von x und die rechte nur von t abhängt,können beide Seiten gleich einer Konstanten gesetzt werden:

1 d2

dx2d(ln A)dx

ddx

-- 1c2

d2

dt2 (2.57a)

Damit sind aus der Horngleichung zwei gewöhnliche Differential-gleichungen entstanden, die zwar nur gemeinsam zu einer Lösung führen,aber getrennt weiterverfolgt werden können, auch bezüglich der Rand-bedingungen.015 aap_2.57


1c2

d2

dt2-- oder

d2

dt2--c2

führt uns auf ungedämpfte Sinusschwingungen:

Weiterverfolgen der rechten Seite

(t) cos c t ,

deren Frequenzen von und damit von der linken Seite der Gleichungabhängen.

(2.58)

015 aap_2.58

Weiterverfolgen der linken Seite ergibt

d2

dx2d(ln A)dx

ddx

0

und liefert damit Werte für , die abhängig von der QuerschnittsfunktionA(x) einem Potentialprofil (x) zugeordnet sind. Im Regelfall müssen dieWerte numerisch approximiert werden.

(2.59)

Meyer-Eppler und Ungeheuer legen dieser Aufgabe ein Eigenwert-problem zugrunde, also eine mathematische Aufgabe, die genau einesolche Zuordnung zwischen einem Eigenwert und seiner zugehörigenEigenfunktion (x) liefert.


015 aap_2.59

Störungsrechnung [1][MEYER-EPPLER/UNGEHEUER, 1957]

Wir definieren den konstanten Querschnitt, also A(x)=const, als ungestör-ten Fall; dies führt die Gleichung über in

Ein Verfahren, (2.59) numerisch angenähert zu lösenund gleichzeitig Erkenntnisse über das Verhalten desVokaltrakts zu gewinnen, ist die Störungsrechnung.

d2

dx20 (2.60)

Unter Berücksichtigung der Randbedingungen erhalten wir für die “ungestör-ten” Eigenwerte und die zugehörigen Eigenfunktionen

(0)k

2

4 2(2k--1)2

(2k--1)2

2

d2

dx2(2k--1)

2

2

0 ; k 1, 2,

(0)k(x) cos

(2k--1) x2

fk(2k--1) c

4(2.54)

(2.62)(2.61)

(2.63)

015 aap_2.60

Hierdurch werden sich die Eigenwerte verändern; dies wird in eine Reiheentwickelt, von der aber hier nur der erste Term interessiert:

Die “Störung” liegt nun in einer lokalen Abweichungder Querschnittsfunktion von der Konstanten.

(2.64)A(x) A0 A(x)

k(0)k

(1)k

(2)k (2.65)

(1)k

(2k--1)2 2

2 3 A00

-- A cos(2k--1) x

dx

Auswertung (deren einzelne Schritte hier nicht diskutiert werden) ergibt

(2.71)

Empfindlichkeitsfunktion

Störungsrechnung [2][MEYER-EPPLER/UNGEHEUER, 1957]

015 aap_2.61

Abhängigkeit der Formanten von derQuerschnittsfunktion [1]

Querschnittsvergrößerung an einer Stelle, wo p(t)=0 ist,führt zu Erhöhung der zugehörigen Formantfrequenz; aneiner Stelle, wo v(t)=0 ist, führt sie zu deren Verringerung.Die Knoten der stehenden Wellen [p(t)=0 bzw. v(t)=0] sindzugleich Stellen maximaler Empfindlichkeit der Formant-frequenzen gegenüber Querschnittsveränderungen.

-- A cos(2k--1) x

Der Integrand in (2.71),

definiert eine Empfindlichkeitsfunktion, die angibt, wie empfindlich die Eigen-werte (und damit die Formantfrequenzen) gegen Querschnittsänderungensind. Qualitativ formuliert:

015 aap_2.62

A

A

A

A

A

A

B

D

F D B

B

C

CE

B

D

F

BC

BCDE

F1

F2

F3

x

x

x

AbhängigkeitderFormantenvon derQuerschnitts-funktion [2]

015 aap_2.63

Regionenmodell [1][MRAYATI et al., 1988]

MRAYATI et al. (1988) verwenden ebenso wie MEYER-EPPLERund UNGEHEUER (1957) den Ansatz der Störungsrechnung[allerdings ohne sich auf die früherenArbeiten zu beziehen].

Sie erhalten übereinstimmende Ergebnisse, was dieEmpfindlichkeitsfunktion angeht.

Entsprechend den Vorzeichen der drei Empfindlichkeits-funktionen teilen sie den Vokaltrakt in 23=8 Regionen auf. Injeder dieser Regionen verhält sich der Vokaltrakt bezüglichaller drei Formanten gleich.

Die mittleren Regionen - um den Nulldurchgang allerEmpfindlichkeitsfunktionen - haben die größte Ausdehnung.

055 aap_2.64

Regionenmodell [2][MRAYATI et al., 1988]

F1

F2

F3

x

x

x

++ + +---- -- --

++++-- -- -- --

-- ---- --++ ++

14 3 258 7 6

1234

5

678

055 aap_2.65

Mittsagittalschnitte für deutsche Vokale[FELLBAUM, 1984:52]

F1

F2

F3

015 aap_2.66


Vokalartikulation

035



F2Hz

F1 Hz

FormantkarteamerikanischesEnglisch[PETERSON/BARNEY, 1952][vgl. GRUNDLAGEN DER

PHONETIK, Kap.2]

76 Sprecher(Männer, Frauen,Kinder)

015 aap_2.67

76 Sprecher(Männer, Frauen,Kinder getrennt)

F1 Hz

F2Hz

FormantkarteamerikanischesEnglisch[PETERSON/BARNEY, 1952];Zeichnung nach[FELLBAUM, 1984]

015 aap_2.68

Formantkarte deutscher Vokale[nach HESS (1976)]

[vgl. GRUNDLAGEN DER PHONETIK, Kap.2]

0 0,5 1,0F1 kHz

F2kHz

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 0,5 1,00,5

1,0

1,5

2,0

2,5

F1 kHz

F2kHz

015 aap_2.69 0 0,5 1,0F1 kHz

F2 kHz

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

FormantkartedeutscherDiphthonge[nach HESS, 1976]

015 aap_2.70

Bandbreiten von Formanten[DUNN, 1961]

015 aap_2.71


Vokalartikulation

035



Übersicht [1]

S Inverse Filterung: Rekonstruktion der Stimmbandschwin-gung durch Kompensation der Formanten

S “Rothenberg-Maske”: Messung der Stimmbandschwin-gung durch angepassten Abschluss des Vokaltraktes

RekonstruktionderStimmband-schwingung

S “Rothenberg-Maske”: Messung des globalen LuftstromsS “Nasometer”: Messung des Luftstroms durch die Nase

Atmung undLuftstrom

S Elektropalatographie: Messung des Kontaktes zwischenZunge und Gaumen

S ElektromagnetischeArtikulographie:Messung der Lippen-und Zungenposition durch kleine aufgebrachte Spulen, diedurch Induktion auf Sendesignale reagieren

S Kernspintomographie (MRI)S Radiologie: Erstellung von Röntgenfilmen

Artikulations-gesten

037 aap_2.72

Übersicht[2]

[www.haskins.yale.edu/haskins/heads]

037 aap_2.73

[Glottale] Inverse Filterung

[Glottale] Inverse Filterung ist ein Verfahren der Sprach-signalverarbeitung zur Rekonstruktion der Stimmband-schwingung aus dem Sprachsignal.S Grundsätzliche Vorgehensweise: Anwendung eines Filters,

dessen Übertragungsfunktion reziprok ist zu der desVokaltrakts, auf das Sprachsignal

S Benötigt hierzu: Genaue Bestimmung der Formantenhinsichtlich Frequenz und Bandbreite

S Verschiedene Verfahren aus der Sprachsignalverarbei-tung bekannt (siehe SPRACHSIGNALVERARBEITUNG 1, 2 - Kap. 4)

037 aap_2.74

[Glottale] Inverse FilterungBeispiel: Vokal , 32 ms, F=8 kHz, männl. Sprecher

[WONG et al., 1979; vgl. SPRACHSIGNALVERARBEITUNG 1, 2 -- Kap. 4]10000 t

7694 t

3678 t

3676 t

2312 t

t

t

t

Signal

F1

F2

F3

F4

Ausgang Filterdifferenziert

Ausgang FilterStimmband-schwingung005 aap_2.75

Maske zur Messung des Schallflussesan der Mundöffnung (ROTHENBERG, 1973)

Gewöhnliche Mikrofonemessen den Schalldruck.Diese Anordnung misst denSchallfluss, ohne denSprechschall allzusehr zuverzerren.Ziel: Zuverlässige Rekon-struktion der Stimmband-schwingung bis hin zu tiefenFrequenzen ohne Berück-sichtigung der Abstrahlungan der Mundöffnung.Der Schallfluss ist proportio-nal zur Druckdifferenz anden beiden Mikrofonen.

Differenz-verstärker

Maske

Löcher zur Abstrahlungdes Sprechschalls

[ROTHENBERG, 1973:1634]

037 aap_2.76

Nasometer[URL]

Das Nasometer misst denLuftstrom durch die Nase.S Erste Messungen dieser Art schon

bei MENZERATH / DE LACERDAS Hauptanwendungen im klinischen

und pädagogischen Bereich:Rachen-/Gaumenspalte, motorischeArtikulationsstörungen, Gehör-losensprache, Gesangspädagogik)

037 aap_2.77

Elektropalatographie [1]

Bei der Elektropalatographie(Hardcastle, 1972) wird derVersuchsperson ein dünnerkünstlicher Gaumen angepasst, dereine große Zahl von Elektrodenenthält. Die Elektroden werden überein Bündel dünner Leitungen an denbeiden Seiten herausgeführt.

[Electropalatography--UCLA, URL]

Die Elektroden registrieren den Kontakt zwischen Zunge undGaumen. JedeElektrode kann imPrinzip einzeln verarbeitet werden.

037 aap_2.78

[Electropalatography--UCLA, URL]

Beispielfür denBetrieb

Beispielsatz:“Tebebet fedthem”


037 aap_2.79

Beispiel:Elektropalatogrammefür die Konsonantendes Englischen

[ELECTROPALATOGRAPHYSHEFFIELD, URL]

Forschungsschwerpunkte für diese Technik: Edinburgh, Reading (UK),Kent, Los Angeles, Aix-en-Provence, Kiel.


037 aap_2.80

Elektromagnetische Artikulographie [1]

Der Artikulograph misst Artikulationsbewegungen der Lippen und desvorderen Teils der Zunge mit Hilfe aufgeklebter Sensorspulen. Dieseempfangen das Signal von drei Sendern, die in einem Helm am Kopf desSprechers fixiert sind. Hierdurch kann die Position der Spulen rück-gerechnet werden.

Helm mit Sendespulen[Articulography-UCLA, URL]

Positionierung der Spulen

R -- Referenzspulen

[Articulography-UCLA, URL]037 aap_2.81

Die Sender senden auf verschiedenen Frequenzen. Die Position derSpulen berechnet sich über die Amplitude der Signale.Die Spulen werden auf die Zunge aufgeklebt. Der Klebstoff löst sich

innerhalb etwa einer Stunde auf.Mit der Artikulographie gelingt es, in verhältnismäßig kurzer Zeit viele

Daten zu gewinnen, ohne dass die Sprecher übermäßig behindertwerden.

“Kuda Bibi pada -- Kuda Mimipada” (serbokroat.)[ARTICULOGRAPHY--UCLA, URL]


037 aap_2.82

Beispiel: Daten für die deutschen Vokale (gespannt) und(entspannt) nach , , (HOOLE/NGUYEN, 1997:182)

harter Gaumen

Forschungsschwerpunkte für diese Technik:München, Los Angeles.


037 aap_2.83

Eine Weiterentwicklung ist der 3D-Artikulograph (ARTIKULOGRAPH,2001,URL; ZIERDT et al., 2001), dermit 6Sendernund bis zu 12Kanä-len arbeitet und auch Spulen außerhalb der Mittsagittalebene erfas-senkann.DieVersuchspersonkann ihrenKopf imHelm frei bewegen.

Helm mit Versuchsperson (HGT) Anordnung der Sendespulen


037 aap_2.84

Kernspintomographie (MRI) [1]Kernspintomographie, auch Magnetresonanztomographie genannt(engl. Magnetic Resonance Imaging ,MRI), ist eine immedizinischenBereich angesiedelte Technik. Die VPbefindet sich in einer Röhremitsehr starkem Magnetfeld. Dieses bringt die Wasserstoffatome imKörper dazu, sich nach dem Magnetfeld auszurichten. Werdengleichzeitig hochfrequente Radioimpulse auf das Gewebe im Ma-gnetfeld abgestrahlt, so nehmen die Wasserstoffatome Energie aufund geben sie am Ende des Impulses ab.

http://www.radiologyinfo.org/content/mr_of_the_head.htm

Die Technik ergibt sehr gute Bilder desgesamten Vokaltrakts. Auch 3D istmöglich. Die Bildfrequenz ist erst injüngster Zeit hinreichend groß.

037 aap_2.85

Forschungsschwerpunkte für diese Technik:Haskins (New Haven, CT, USA), Stockholm, Grenoble.

[s] aus “asa”; 3D-Rekonstruktion(ENGWALL, URL)

Zwei /r/-Realisierungen (HASKINS, URL)

Kernspintomographie (MRI) [2]

[ENGWALL, 2002]

037 aap_2.86

Radiologie: Röntgenfilme

Die Technik ist wohlbekannt und wird schon seit fast 100Jahren in der Sprachforschung eingesetzt.

Nichtsdestotrotz sind dieDaten relativ spärlich, vor allemwegen der Strahlenbelastung, die längeren Einsatz derVersuchsperson verbietet.

In neuerer Zeit wurden Techniken entwickelt, die mitschwachen, gebündelten Strahlen arbeiten und gezieltAufnahmen des Vokaltrakts gestatten, ohne das umliegendeGewebe zu belasten (microbeam X-ray technique).

Der Vorteil gegenüber MRI liegt in der Schnelligkeit derBildfolgen; dies wird MRI aber bald aufgeholt haben.Schwerpunkte der Forschung: Haskins Labs., ATR (Kyoto, Japan),Grenoble, Stockholm, Madison (Wisconsin).

037 aap_2.87

artikulatorische und akustische phonetik 1. phonation 2 ...reichelu/kurse/akustik/aap_2f_4p.pdf ·...

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