Lesen von Sonagrammen I: Grundlagen. Uwe Reichel IPS, LMU München 16. November 2007

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August Seidel
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1 Lesen von Sonagrammen I: Grundlagen Uwe Reichel IPS, LMU München 16. November 2007

2 Inhalt Das Sonagramm: Allgemeines Gewinnung des Sonagramms Zeitsignal Spektrum Spektrogramm Breitband- vs. Schmalbandsonagramm Grobe Orientierung Analyseschwierigkeiten Bemerkung: die hier abgedruckten Sonagramme stammen von Kirsten Macheletts Online-Script zum Lesen von Sonagrammen. 1

3 Das Sonagramm: Allgemeines Abbildung 1: Sonagramm 2

4 Sichtbarmachung von akustischen Sprachsignalen: Darstellung des Signals in 3 Dimensionen Zeit (ms): x-achse Frequenz (Hz): y-achse Energie: z-achse (Schwärzungsgrad) 3

5 Gewinnung des Sonagramms Zeitsignal Spektrum Sonagramm Zeitsignal Schalldruckschwankungen über die Zeit in einem festen Raumpunkt x-achse Zeit, y-achse Schalldruckamplitude 5 Zeitsignal Amplitude Zeit Abbildung 2: Zeitsignal: Amplitudenschwankungen über die Zeit 4

6 Fensterung des Zeitsignals Abbildung 3: Fensterung des Signals s(n) in der Kurzzeitanalyse. Q: Messintervall, K: Fensterlänge; da Q < K: Überlappung der Fenster; s k: Kurzzeitsignal; w: Fenster (Gewichtungsfunktion). 5

7 Spektrum Für jedes dieser Fenster Ermittlung eines Spektrums: Schalldruck in Abhängigkeit der Frequenz (Zeit eingefroren ). Dies geschieht mit Hilfe der sog. Fourier-Transformation (siehe Einführung in die Akustik). x-achse Frequenz, y-achse Schalldruckamplitude Abbildung 4: Links: Zeitsignal einer komplexen Schwingung (rot), die sich additiv aus Teilschwingungen (blau, grün) zusammensetzt. Ihre Grundfrequenz ist gleich der Frequenz der tiefsten Komponente. Rechts: Amplitudenspektrum dieser Schwingung. Zu den Frequenzen ihrer Teilschwingungen ist jeweils die entsprechende Amplitude angetragen. 6

8 Einige Schallarten und zugehörige Spektren Klang: komplexe Schwingung, die sich aus einzelnen Schwingungen zusammensetzt. Die tiefste Schwingung wird als Grundton bezeichnet und ihre Frequenz als Grundfrequenz (f0). In der engen Definition bestehen Klänge aus Schwingungen, deren Frequenzen sich im ganzzahligen Verhältnis zur Grundfrequenz befinden (Obertöne oder Harmonische als ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz). Geräusch: zusammengesetzte Schwingung, deren Komponenten unendlich nah beieinander liegen Bezug zu Sprachlauten: Klänge Vokale Geräusche = stimmlose Konsonanten Klang-Geräusche = stimmhafte Konsonanten 7

9 Linienspektren: Spektren von Klängen (z.b. Vokale, stimmhafte Signalabschnitte) je tiefer f0, desto enger liegen die Linien beieinander. Kontinuierliche Spektren: für Impulse (z.b. Verschlusslösungen bei Plosiven) und Rauschen (Frikative) 8

10 Abbildung 5: Linienspektren und Kontinuierliche Spektren 9

11 Sonagramm Die Aneinanderreihung dieser Spektren ergibt ein Spektrogramm (z.b. Sonagramm) x-achse Zeit, y-achse Frequenz, z-achse (Schwärzungsgrad) Schalldruckamplitude Abbildung 6: Sonagramm 10

12 Breitband- vs. Schmalbandsonagramm Länge des Analysefensters (vgl. Fensterung des Zeitsignals) bestimmt Zeitund Frequenzauflösung im Sonagramm kurzes Fenster: hohe Zeit-, niedrige Frequenzauflösung Breitbandsonagramm langes Fenster: niedrige Zeit-, hohe Frequenzauflösung Schmalbandsonagramm Zusammenhang über Heisenberg sche Unschärferelation gegeben ( f t const.) Band bedeutet in diesem Zusammenhang: Frequenzbereich, innerhalb dessen nicht zwischen den Amplituden zu den unterschiedlichen Frequenzen unterschieden wird. 11

13 Fensterlänge Bandbreite Breitband Schmalband Tabelle 1: Übliche Fensterlängen (in ms) und zugehörige Bandbreiten (in Hz) 12

14 Abbildung 7: Schmalband- (oben) und Breitbandsonagramm (unten) 13

15 Konsequenzen in der Darstellung Schmalbandsonagramm: Obertöne sichtbar Breitbandsonagramm: Glottisschläge und Energieschwerpunkte (Formanten) sichtbar Oberton Formant: Grund- und Obertöne gehören zum Spektrum des Anregungssignals, das an der Glottis entsteht Der Artikulationstrakt verformt dieses Spektrum in Abhängigkeit seiner Resonanzeigenschaften. Dadurch entstehende im Spektrum Amplitudenmaxima (Energieschwerpunkte), die als Formanten bezeichnet werden. siehe Quelle-Filter-Theorie in Einf. Akustik Für die phonetische Segmentierung wird das Breitbandsonagramm verwendet, da es dabei einer hohen zeitlichen Auflösung bedarf und Formanten erkennbar sein müssen. 14

16 Grobe Orientierung im Sonagramm stimmhafte Abschnitte durch senkrechte Linien gekennzeichnet. Sie werden durch Glottisschläge (glottale Verschlüsse) hervorgerufen bei Vokalen gehen die Linien über den gesamten Frequenzbereich bei stimmhaften Plosiven sind sie nur bis etwa 500 Hz festzustellen (voice bar: schwarzer Balken im unteren Frequenzbereich) Grundfrequenz im Schmalbandsonagramm: man zählt die Harmonischen in einem gewählten Frequenzbereich, z.b Hz und dividiert den Umfang (hier 1000 Hz) durch die Anzahl der gefundenen Obertöne im Breitbandsonagramm: man ermittelt den zeitlichen Abstand (die Periodendauer T 0 ) zwischen zwei Glottisschlägen. Die Grundfrequenz F 0 ist dann der Kehrwert der Periodendauer in Sekunden. Bsp.: T 0 =10ms=0.01s F 0 =1/0.01s=100 Hz 15

17 Silben- und Lautdauern Silbendauer: etwa ms Lautdauer: etwa ms Frequenzachse der dargestellte Frequenzbereich geht i.d.r. von 0 bis 8000 Hz die Skalierung erfolgt 1000 Hz-Schritten (bei Vokalen manchmal in 500 Hz-Schritten, da hier die relevante Information schon im Bereich zwischen 0 und 4000 Hz zu finden ist) 16

Schwierigkeiten bei der Analyse der Sonagramme In der fließenden Rede auftretende Phänomene: Koartikulation: artikulatorische akustische

18 Schwierigkeiten bei der Analyse der Sonagramme In der fließenden Rede auftretende Phänomene: Koartikulation: artikulatorische akustische Sprachlauten Überlappung von Undershoot: Nichterreichen der artikulatorischen akustischen Zielkonfiguration Abbildung 8: [z] [o] [n] [a] vs. [zona] 17

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