Phone&sche Analysen (5) Sprechschallperzep&on. Sven Grawunder SoSe2014 Uni Leipzig

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1 Phone&sche Analysen (5) Sprechschallperzep&on Sven Grawunder SoSe2014 Uni Leipzig

2 Transiente Formantbewegungen sta&onärer Anteil nicht- sta&onäre Laute Diphtonge Gleitlaute (Halbvokale, Approximanten) aj al aɰ 0 aʁ aβ % Time (s)

3 Approximanten [j l β ] Experimentelle Überprüfung mit synthe&schen S&muli Frequency (Hz) Beoboachtung am Sonagram 3600 iji aja uju Frequency (Hz) Time (s) 3600 ili ala ulu Frequency (Hz) Time (s) 3600 iβ i aβ a uβ u Time (s) Lisker 1957

4 Was ist wich&g? Was ist wich&g? Laute oder Lautübergang

5 Manner Cues (Perzep&ve Merkmale für Ar&kula&onsart/modus)

6 Place Cues (Perzep&ve Merkmale für Ar&kula&onsort)

7 Transienten bdg con&nuum b d Mit Hilfe der Pabern Playback Methode g hbp://www.haskins.yale.edu/featured/bdg.html

8 2 Formant- Synthese Time (s) Frequency (Hz) 5000 Frequency (Hz) 5000 Frequency (Hz) Time (s) Time (s)

9 Transienten (bə - də - ɡə)

10 CV- vs. VC- Transienten

11 Nasale (2) nasal murmur Transienten (CV) (alveolare bilabiale velare Konstrik&on) 5000 [na] - [ma] [!a] Frequency (Hz) Time (s)

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13 Formantlocus=Projek&on des Transientenverlaufs in den angrenzenden Vokal Quelle: Öhmann, 1960 nach Hess, IKP 2007

14 Das (F2) Locus- Prinzip Neppert Pétursson 1992 Thomas 2011

15 Quelle: Hess, IKP 2007

16 Quelle: Öhmann, 1960 nach Hess, IKP 2007

17 Quelle: Öhmann, 1960 nach Hess, IKP 2007

18 Burst- Spektren Das Spektrum des transienten (Burst- /) Verschlusslösegeräusch- spektrums

19 Burst- Prototypen Stevens & Blumstein

20 Beispiel Verschlusslautlösungspektren (stop bursts) die Wahrnehmung der Ar&kula&onsstelle (p,t,k) steht in Abhängigkeit von der Frequenzposi&on des bursts UND der nachfolgenden Vokalumgebung ein burst um 1800Hz wird vor [i,e,o,u] eher als [p], vor [ɛ,a,ɔ] eher als [k] wahrgenommen synthe&sierte bursts gleicher Länge werden mit synthe&sierten Vokalformanten ohne spezifische Tansienten kombiniert Quelle: Liberman et al., 1952

21 Voicing Cues (perzep&ve Merkmale/Anker für S&mmhawigkeit)

22 VOT Voice onset &me (SEZ S&mmeinsatzzeit) = abhängige Variable VOT- MODELL s&mmlos (aspiriert) s&mmlos nicht- aspiriert (plain) s&mmhaw

23 Burst = Verschlusslösegeräusch

24 Gta Plosive VOT (Sprecher 1) voiceless Voice Onset Time voiced Plosive

25 Gta Plosive - VOT (Sprecher 2) voiceless voiced Hypothese: Gta Plosive haben einen 2- Wege Kontrast

26 Visible Speech Visible Speech by Ralph K. Pober, George A.Kopp and Harriet Green Kopp, copyright 1966 by Dover Publica&ons.

27 Das Invarianz- Problem perzeptuelle Konstanz oder Invarianz bei akus&sches Sprachsignal sehr variable verschiedene Äußerungen, Umgebungen, Sprecher Wie kann eine phone&sche Einheit iden&fiziert werden? Welche Invarianz besitzt die Einheit?

28 Modellansätze 1. Prototypen & Masken (prototypes & templates) 2. Merkmale (features) 3. Variablen höherer Ordnung 4. Immanente Systeme (innate systems) 5. Netzwerke (connec&onist networks)

29 Prototypen & Masken (prototypes & templates) Prototypen akus&sche Idealform- Muster für ein phone&sches Ereignis repräsen&eren einen Teil der erwarteten lautlichen Kategorien verkörpern Referenz gegen die ein hereinkommendes Signal verglichen wird perceptual magnet effect à dem Prototyp ähnliche Klänge werden als solche iden&fiziert à Krümmung ( warp ) des perz. Raums à Erw./Kinder!= Rhesusaffen (Kuhl, 1991)

30 Grundlegende Struktur des Referenzmustervergleichs Musterspeicher Sprech- sprachliche Eingabe Vergleichseinheit (comparator) Ausgabe- Entscheidung

31 Wie wissen wir, ob Laut A und B zu einem oder zwei Prototypen gehören? Welche phone&schen Einheiten werden verglichen? Interak&on der Parameter experimentell testen

32 Merkmale (features) Abribute iden&fiziert durch Abstrak&on Merkmalsbeschreibung schwierig bei dynamischen Eigenschawen (z.b. Transienten) meist Vermischung von ar&kulator./akust./perzep&ven Kategorien Bsp. Jakobson, Fant, Halle (1952) temporale Aspekte häufig ignoriert genutzt in phonologischen Analysen möglichst geringe Anzahl von Merkmalen (Ökonomie) Effekte par&eller Erinnerung ([p]/[b] o. [b]/[]) Jakobson, R., Fant, G., Halle, M. (1952) Preliminaries to speech analysis. The dis&nc&ve features and their correlates. Cambridge: MIT Press (1969, ninth prin&ng).

33 Jakobson, Fant, Halle (1952) 12 dis&nc&ve features Vocalic / non- vocalic Consonantal / non- consonantal Compact / diffuse (distribu&on of energy across spectrum high for open vowels and back consonants) Tense / lax (total energy and degree of deforma&on of vocal tract from rest posi&on) Voiced / voiceless Nasal / oral Discon&nuous / con&nuant (discon&nuous involves silence at some point) Strident / mellow (higher / lower intensity noise) Checked / unchecked (high rate of energy discharge within reduced &me vs. lower rate of discharge over longer &me) Grave / acute (lower vs. upper frequencies) Flat / plain (flat sounds have downward shiw or weakening of upper frequencies) Sharp / plain (sharp sounds have upward shiw in some upper frequency components) Jakobson, Roman, Fant, Gunnar & Halle, Morris. (1952). Preliminaries to speech analysis. Cambridge, MA: MIT Press. Jakobson, Roman & Halle, Morris. (1956). Fundamentals of language. The Hague: Mouton.

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35 Variablen höherer Ordnung...als Mibel für perzep&ve Konstanz akus&sche Ereignisse sind durch zeitvariable komplexe Eigenschawen definiert konsistente Energiemuster (im Schall) widerspiegeln Konsistenzen des S&mulus (event percep4on; Fowler, 1986) Nachvollziehen von Ar&kula&onsbewegungen,- zielen à Motor- Theorie (Liberman et al., 1963) Iden&fizierung der Variablen ist unklar

36 Die Motor- Theorie (Liberman et al., 1963,1985) Perzep&on basierend auf innerem Nachvollzug der ar&kulatorischen Gesten in seiner ursprünglichen Fassung à angeborenes Organ zur Imita&on mehrere graduelle Ausprägungen und Revisionen (Liberman et al., 1985) à intendierte ar&kulatorische Ziele Kri&k: Nachvollzug allein kann viele Effekte nicht erklären (z.b. Kontexteffekte) mehr Imita&on als Perzep&on Perzep&onsfähigkeit geht der Produk&onsfähigkeit im kindlichen Spracherwerb voraus Bezug zu Spiegelneuronen (Rizzola, 2004) möglich Rizzola G., Craighero L., The mirror- neuron system, Annual Review of Neuroscience. 2004;27:169-92

37 Immanente (angeborene) Systeme Wahrnehmung harmonischer/nichtharmonischer Klänge, F0- Unterschiede bzw. bewegung, laut/ leise- Unterschiede ABER: sprachspezifische angeborene Mechanismen für perzep&ve Konstanz? à kategoriale Wahrnehmung in 4- Monate alten Babies (Eimas et al. 1971) Speech is special! (vgl. Kuhl 1989) erklärt schlecht die Effekte sensorischer Erfahrung kaum modellierbar

38 Bsp. TRACE McClelland &Elman, 1986 Feature- Ebene, Phonem- Ebene, Wort- Ebene à bobom- up Anregung top- down Feedback- Anregung (Wortà Phon) zeitliches Überlappen der Merkmalserkennung Netzwerk- Modelle (connec&onist networks) McClelland and Elman (1986). The TRACE model of speech percep&on. Cogni&ve Psychology, 18, hbp://en.wikipedia.org/wiki/trace_(psycholinguis&cs)

39 Kohortentheorie (Marslen- Wilson & Tyler, 1980) Bei Wahrnehmung des Wortbeginns wird eine Kohorte von Worten ak&viert, die mit dem gehörten Phonem beginnen, und nach und nach, entsprechend dem weiteren Input, Worte ausgeschieden, bis nur noch das "erkannte" Wort übrig bleibt (Sprache). hbp://www.uni- hamburg.de/ fachbereiche- einrichtungen/ 16/ psych_1/sprache_i.pdf

40 Generalisiertes Schema für viele Modelle der Sprechwahrnehmung und Worterkennung

41 Grundlegende Aspekte der Sprachwahrnehumg Sprechernomalisierung (Geschlecht- Alter) Zeitliche Normalisierung segmental- suprasegmentale Integra&on Defini&on der Einheit der Wahrnehmung mul&modale Aspekte der Sprech- / Sprachwahrnehmung

42

43 Normalisierung Sprechernomalisierung (Geschlecht- Alter) phone&sch(- linguis&sche) Informa&on personaler Gehalt affek&ver Gehalt Transmission (Kanalinforma&on) Zeitliche Normalisierung Sprechgeschwindigkeit wirkt sich auch auf relevante Merkmale (z.b. VOT) aus

44

45 Disentangling factors of variation e.g. voice onset time ~ speaking rate in Georgian Grawunder, Simpson, Khalilov 2010 final initial 3 rd - fast medial 2 nd - normal 1 st - slow

46 Experimentelle Effekte in der Sprachwahrnehmungsforschung Kategoriale Wahrnehmung Adapta&on (Lern- und Gewöhnungseffekte) Lateralitätseffekte Integra&on mehrerer Cues / Redundanzen im sprecherischen Signal Trading Rela&ons, Mul&modalität etc. Segmen&erung Auditorische Illusionen mul&modale Wahrnehmung

47 Kategoriale Wahrnehmung

48 Kategoriale Wahrnehmung analoge Phänomene: Farbwahrnehmung, Objek&den&fizierung (visuelle Kategorisierung) Kon&nuum lässt sich in zwei oder mehr Bereiche teilen, die perzept. Kategorien abbilden Iden&fika&onsexperiment: b oder p Innerhalb einer Kategorie sind S&muli schlechter unterscheidbar als solche aus verschiedenen Kategorien Diskrimina&onsexperiment: gleich oder verschieden Kategorien sind gelernt, lernbar und manipulierbar Beispiel: Freedman et al Cat- Dog- Con&nuum

49 Lexikalische Einflüsse of VOT Reales Wort vs. Nonsens- Wort real Wörter scheinen größere Varia&on zu zeigen (lexical decision à Hörer tolerieren größere Abweichung)

50 Perzep&ve Ähnlichkeit (à confusion matrix) Miller, G. A. and Nicely, P. E. (1955). An analysis of perceptual confusions among some english consonants. The Journal of the Acous&cal Society of America, 27(2):

51 Linguis&sche Merkmale aus dieser confusion matrix Klassifizierung basiert auf Merkmalsanalyse

52 VOT Iden&fika&onsexperiment Beispiel mit - 150ms bis +150ms VOT featured/demo- liskabram/index.html

53 VOT Diskrimina&onsexperiment hbp://psych.rice.edu/mmtbn/language/ spercep&on/dagasound/catdis.html in verschiedenen Sprachen nachgewiesen (Lisker & Abramson, 1970) TOT (tone- onset &me) in Clicks, Summtönen, Klängen als nichtsprachliches Analogon (Pisoni, 1977) kategoriale Wahrn. von VOT bei Kindern (Eimas et al. 1971) nachgewiesen kategoriale Wahrn. von VOT bei Tieren nachgewiesen z.b. bei Chinchillas (Kuhl & Miller, 1978) &erlexikon/chinchilla/

54 TOT (Tone Onset Time)

55 Lateralisierungseffekte Vorteil Rechtes Ohr à Stops, kurze Laute Vorteil Linkes Ohr à Töne, gehaltene Vokale kontralateral bessere (schnellere) Verarbeitung

56 Integra&on mehrerer cues mehrfache cues (perzep&ve Schlüsselreize) für ein Perzept trading rela4ons, Bsp. wish witch, Say chop say shop pro Motor- Theorie

57 Segmen&erung Was ist die Basiseinheit der Sprachwahrnehmung? (Merkmal, Phonem, Silbe, Wort) erlernte Muster (Phonotak&k, Silbenstruktur, Wortprosodie) CCCVC w.s* (Franz.), s.w (Dt.) Kinder sind sehr früh in der Lage neue Wörter aus dem Sprechstrom herauszufiltern Saffran, Aslin, and Newport (1996) *weak.strong ~ nichtprominent.prominent

58 Mul&modale Wahrnehmung McGurk- Effekt hbp://psych.rice.edu/mmtbn/language/ spercep&on/mcgurk1.html

59

60 mul&modale sensorische Integra&on hier speziell visueller u. audi&ver Modus McGurk and MacDonald (1976) visuell [ga] und audi&v [ba] à Perzept [da] visuell [fa,ba] und audi&v [ba] à Perzept [fa] u. [ba] je nach...? auditorische Illusion McGurk, H & MacDonald, J (1976); "Hearing lips and seeing voices," Nature, Vol 264(5588), pp *hbp://www.youtube.com/watch?v=ypd5txtgdgw

61 Integra&on mul&modaler Informa&onen synthe&sche Integra&on der visuellen Informa&on visuelle(s) Feedback > Dominanzà Lippenlesen Ak&vierung des visuellen Kortex in blinden VPn somato- sensorisches Feedback ß Informa&on über die Stellung der Ar&kulatoren

62 DIVA- Sprechproduk&onsmodell (Guenther 1994,1995)

63 Illusionen Top- Down Einfluss Phonem- Restaurierung

64 Illusionen Kontexteffekt z.b. Vorhersagbarkeit des nachfolgenden Satzendes aufgrund der Prosodie im vorausgehenden Satzteil

65 Illusionen Top- Down Ak&vierung Bsp. misheard lyrics, Hacke: Der weiße Neger Wumbaba Wich&g in Sprachkontaktsitua&onen [Reflek&erte Illusionen münden u.u. in Verballhornungen: Guten Rutsch! (rosh shana) Hechtsuppe (hech supha), Pumpernickel (bon pour Nicola) ]

66 Quantal- Theorie (Stevens 1972,1989) Vokaltraktkonfigura&onen und akus&scher Output stehen in nicht- linearen Verhältnis zueinander Kon&nuierliche Veränderungen eines ar&kulatorischen Parameters (Bsp. Lippenbreitzug, Zungenhöhe, Pharynxweite) führen über weite Strecken zu keiner oder nur sehr geringer, an einigen Stellen jedoch zu abrupten akus&schen Veränderung ( Quantensprung ) à auch Akus&k und Perzep&on in nicht- linearem Verhältnis analog zur kategorialen Wahrnehmung ABER: Kategorien (Stufen) sind nicht in der kon&nuierlichen Ar&kula&on SONDERN in der Akus&k und der Perzep&on zu finden Stevens, K. N. (1989). On the quantal nature of speech. Journal of Phone&cs, 17(1-2), 3-45.

67 Übergangsbereich (Lautgrenze) Bereiche akus&scher invarianz K.N. Stevens, S.J. Keyser / Journal of Phone&cs 38 (2010) 10 19

68 Invers(ions)problem keine eineindeu&ge Zuordnung von akus&schem Ereignis und ar&kulatorischer Geste möglich (à nur intendierte Gesten gehört) Bsp. /i/mit Hindernis im Mundraum à Breitzug oder ar&kulatorische Vielfalt des /r/- Lauts im Amerikanischen Engl. tatsächlich werden lange Vokale kon&nuierlicher wahrgenommen als Konsonanten und Kurzvokale à temporaler Verlauf wich&g

69 Konsequenzen für die linguis&sche Phone&k Suche nach invarianten (akus&schen) Eigenschawenà lautliche Kontextanalyse Suche nach sprachspezifischen (redundanten) cues, einschließlich segmental- suprasegmentaler Beeinflussungà mehrere Ebenen (Laut, Silbe, Wort, Phrase) Elizita&on in Trägerphrase (quasi- natürlicher Kontext) Testen der cues (bzw. deren akus4scher EigenschaUen) im Experiment: Hervorrufen kategorialer Urteile (bei kon&nuierlicher Veränderung eines manipulierten akus&schen Parameters) Iden&fika&ons- / Diskrimina&onsexperiment mul&modale Integra&onà Einfluss auf Transkrip&on

70 Referenzen Kent 1997: chap 10 hbp://cnx.org/content/m11175/latest/ Reichel: Einführung in die Perzep&ve Phone&k hbp://www.phone&k.uni- muenchen.de/~reichelu/kurse/perzep&on Guski: Wahrnehmen- Ein Lehrbuch: hbp://eco.psy.ruhr- uni- bochum.de/download/guski- Lehrbuch/Inhaltsverzeichnis.html

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