Programme (hier können Sie selber üben) Einführung in die Linguistik (Ling 101) WS 2009/10. Wiederholung. Thema heute: Sprachsignale

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1 Fachbereich Sprachwissenschaft Einführung in die Linguistik (Ling 101) WS 2009/10 Programme (hier können Sie selber üben) Für die Demo in der heutigen Vorlesung wird Praat benutzt Link: Kostenloser Download möglich, kompatibel für Mac und PC Bietet Signalerzeugung, Signalmanipulation, Tutorien (auf englisch) und Skripting Sitzung 3, Abbildung aus Reetz 2003 Wiederholung Thema heute: Sprachsignale Akustische Phonetik: Erfassung und Beschreibung des Sprachsignals Einfache Signale: Eigenschaften, Messung und Veränderung Komplexes Sprachsignal: Erzeugung, Einflüsse des Artikulationsapparates auf das Sprachsignal, Interpretation/Klassifizierung von Lauten Darstellung von Signalen: Oszillogramm und Spektrogramm auditiv (Empfänger) akustisch (Signal) artikulatorisch (Quelle) 3 4

2 Signale und Schallwellen gesprochene Sprache/Sprachsignale/Signale werden in Form von Schallwellen übertragen Akustik: Lehre vom Schall Schallwellen sind kleine Luftdruckschwankungen Beispiel 5 Schallwellen: Entstehung Beispiel: Aufblasen eines Ballons verdrängt und verdichtet Luftmoleküle, beim Zusammenziehen des Ballons schwingen die Moleküle wieder zurück (Abbildung aus Reetz 2003:5) 6 Schallwellen: Entstehung Eigenschaften von Schallwellen Luftdruckschwankungen (das Hin- und Herschwingen von Molekülen in der Luft) können unterschiedlich schnell und stark sein die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle im Raum ist durch die Schallgeschwindigkeit vorgegeben: in der Luft bei 21 ca. 344 m/s! 1240 km/h werden dieselben Schallwellen wieder und wieder diese Druckschwankung wird weitergegeben und breitet nacheinander erzeugt, spricht man von einem sich im Raum aus (Abbildung aus Reetz 2003:5) periodischen Signal 7 8

3 Aufzeichnung von Schallwellen Luftdruck (Pa) Oszillogramm Schallwellen können durch bestimmte Messapparaturen erfasst werden, z.b. durch ein Mikrofon sie können analog oder digital erfasst werden graphisch können sie durch Oszillogramme dargestellt werden das einfachste Signal ist ein Sinussignal und dient als Grundlage in der Signalverarbeitung (signal Zeit (s) processing) Oszillogramm für ein einfaches periodisches Sinussignal: Beispiel 9 x(s) = cos(2"*f*s + #) 10 Analoge und digitale Signale Interpretation des Oszillogramms akustische Analyse wird mit Computern durchgeführt analoge kontiuierliche Signale werden dabei in digitale diskrete umgeformt Prozedur: Messung des Signals an bestimmten Zeitpunkten Abtastrate (sampling rate): wie oft pro Sekunde wird gemessen, z.b. CD Hz, Audio DVD 96200Hz 11 Frequenz: Maßeinheit ist Hertz (Hz) Amplitude: Maßeinheit ist meist der Druck in Pascal (Pa) Phase: Maßeinheit ist Grad ( ) 12

4 Frequenz Frequenz Wie schnell schwingen die Teilchen in der Luft? a) Periodendauer (wie lange dauert eine vollständige Schwingung) b) Frequenz (frequency): wie oft pro Zeiteinheit findet eine vollständige Schwingung statt Frequenz ist die Anzahl der Perioden pro Sekunde (cycles per second - cps) 1Hz = 1 Periode/Sekunde, 10Hz = 10 Perioden/Sekunde 13 mit der Frequenz lässt sich die Periodendauer berechnen: Periode/Sekunde = 1/Periodendauer Beispiel: Signal mit 400Hz a) 400 Perioden/Sekunde b) 1 Periode dauert 1/400s = 0,0025s = 2,5ms anhand der Frequenz kann man auch die Wellenlänge berechnen normale Sprache: zwischen 30 und 8000 Hz Frequenz korreliert mit Tonhöhe (pitch) Demo für unterschiedliche Frequenzen 14 Amplitude Lautstärke und RMS-Amplitude ist die maximale Ausdehnung auf der y-achse gibt an, wie stark die Moleküle hin- und herschwingen Gesprochene Sprache: zwischen 600µPa und 2Pa (normaler Luftdruck: 1013hPa +/-50) mit der Amplitude hat man ein grobes Maß für die Lautstärke (loudness) Problem: die Amplitude kann an verschiedenen Stellen verschieden groß sein, weswegen man die mittlere Amplitude für ein Signalstück (window) berechnen muss Demo 15 anhand mehrerer Elongationen eines Signals kann man für ein bestimmtes Zeitfenster die RMS- Amplitude berechnen (Root Mean Square Amplitude), ebenfalls in Pa: RMS-Amplitude = Summe Elongationen 2 Anzahl Elongationen 16

5 Lautstärke und db Beispiele: db Problem: die Lautstärke ist subjektiv und wird nur Festlegung: eine Verdoppelung des relativ wahrgenommen Schalldrucks erreicht man durch Erhöhung zur Berechnung der Lautstärke reicht daher die RMS- Amplitude nicht aus um 6dB statt dessen gibt es ein anderes Verfahren: 0 db gerade noch hörbar das Verhältnis der RMS-Amplitude zu einer 20 db geflüsterte Unterhaltung Referenzamplitude (meist der kleinsten wahrnehmbaren Amplitude, 20µPa) ergibt einen Wert 60 db normale Unterhaltung in Bel/Dezibel 110 db Rockkonzert Lautstärke wird daher als Schalldruckpegel (sound pressure level) in db angegeben db Schmerzgrenze Phase Sprachsignale und Periodizität bezeichnet einen bestimmten Punkt in der Periode mit Winkelgraden kann man Punkte innerhalb der Periode unabhängig von der Periodendauer angeben eine Periode entspricht dem Vollkreis mit 360 Phasenlage wird nicht bewusst wahrgenommen und spielt für die weiteren Analysen eine untergeordnete Rolle 19 das Sinussignal ist physikalisch das einfachste Signal und eindeutig durch Frequenz, Amplitude und Phase bestimmt aber: nicht alle Sprachsignale sind periodisch (manche sind aperiodisch), periodische Sprachsignale sind nie absolut periodisch (sondern nur quasi-periodisch) Ausweg: bei der akustischen Sprachanalyse tut man so, als wäre das Sprachsignal periodisch (innerhalb eines bestimmten Zeitfensters) und benutzt dieselben Analyseverfahren 20

6 Komplexe Signale (Klang) komplexe periodische Signale kann man durch Aufaddierung mehrerer einfacher Signale erzeugen umgedreht kann jedes komplexe Signal in mehrere einfache Signale zerlegt werden (Fourier-Analyse) siehe nächste Folie und Demo periodisches Sinussignal: 100Hz Überlagerung zweier periodischer Sinussignale: 100Hz und 200Hz quasi-periodisches Sinussignal: Auszug aus dem Vokal [a] Signale: Beispiele Signaltypen (Reetz 2003:49) a) Erzeugung des Sprachsignals Sinuston Klang Geräusch (sound) - quasi-periodisch Rauschen (noise) Knall (impulse) b) c) d) e) 10 ms 10 ms 10 ms 10 ms 23 Wie und wo wird das Sprachsignal erzeugt? Stimmhafte Laute: sind quasi-periodisch und werden artikulatorisch durch Schwingung der Stimmlippen erzeugt dabei entsteht ein Klang Stimmlose Laute: sind aperiodisch und werden im Vokaltrakt selbst erzeugt ms

7 Erste Lautdiskriminierung Vokal vs. Konsonant 1 Rückblick: artikulatorisch können Laute durch Ort, Art und Phonation beschrieben werden einige dieser Merkmale lassen sich bereits im Oszillogramm erkennen 25 [/ató ] : quasi-periodisches Teilstück, Verschluss (Stille) und Lösung (Knall), Aspiration 26 Vokal vs. Konsonant 2 [/as ] : quasi-periodisches Teilstück und Rauschen 27 Probleme im Oszillogramm kann man Frequenzveränderung in der Zeit erkennen manche Laute können allein damit jedoch nicht voneinander unterschieden werden: Vokal vs. Vokal, Frikativ vs. Nasal etc. komplexe Signale kann man dadurch unterscheiden, wie stark einzelne Frequenzen vorhanden sind woher kommen diese Unterschiede 28

8 Resonanz, Dämpfung, Filter Signale werden auf verschiedene Arten von ihrer Umgebung beeinflusst Resonanzfrequenz: Mitschwingen eines Körpers mit einem anderen (Weinglas, Schaukel etc.) Resonanzfrequenz einer Luftsäule ist abhängig von der sie enthaltenden Röhre (Länge, Form, Material etc.), z.b.: eine lange/kurze Röhre hat eine tiefe/hohe Resonanzfrequenz Idee: Der Artikulationsapparat bildet ein System von Röhren (Larynx, Bereich vor und hinter Zunge etc.) mit verschiedenen Resonanzfrequenzen 29 Resonanz, Dämpfung, Filter wenn Luft durch den Artikulationsapparat strömt, wird die Luft in jedem Resonanzraum angeregt, wobei jede Röhre mehrere Resonanzfrequenzen hat das komplexe Signal wird nun weiter manipuliert die Dämpfung gibt an, wie lange ein Körper nachschwingt, eine starke Dämpfung erlaubt viele Resonanzfrequenzen ein Filter lässt bestimmte Frequenzen passieren (die Resonanzfrequenzen), während andere abgeschwächt werden 30 Vokaltrakt als Filter Vokaltrakt als idealisiertes System mehrerer Röhren kann die Resonanzfrequenzen durch die Stellung der Artikulatoren filtern dadurch entstehen charakteristische Frequenzbereiche mit viel Energie (die sogenannten Formanten) und mit wenig Energie Beispiel Zungenstellung bei Vokalen: hoch vs. tief und vorne vs. hinten 31 Spektrum und Spektrogramm im Oszillogramm kann man Frequenzveränderung in der Zeit erkennen durch die Fourier-Analyse kann man ermitteln, wie stark einzelne Frequenzen in einem bestimmten Signalstück vorhanden sind dabei werden die einzelnen Sinussignale ermittelt, die im komplexen Signal aufaddiert wurden ein Signalstück liefert dabei ein Spektrum, mehrere Spektra hintereinander liefern ein Spektrogramm (Sonogramm) 32

9 Spektrum Spektrogramm im Spektrogramm werden drei Dimensionen angezeigt: x-achse: Zeit y-achse: Frequenz Farbe (hell vs. dunkel): Energiestärke das Spektrum zeigt nur Frequenzstärken für einen einzelnen Zeitabschnitt das Spektrogramm zeigt dagegen die Veränderung der Frequenzstärke in der Zeit Beispiel im Spektrum wird die Stärke (y-achse) der einzelnen Sinusfrequenzen (x-achse) angezeigt: Spektrogramme Spektrogramme [/ató ] [/ató ] F4 F3 F2 F1 [/utó ] 35 36

10 Grobe Klassifikation der Laute Grobe Klassifikation der Vokale Vokale: quasi-periodisch, klare Formanten Sonoranten: quasi-periodisch, klare Formanten Frikative: Rauschen, Energie über alle Frequenzen verteilt Plosive: Stille, gefolgt von Knall stimmhaft: Grundfrequenz (F0) vorhanden stimmlos: keine F0 vorhanden 37 alle Vokale haben F0 hohe Vokale: niedrige F1 tiefe Vokale: hohe F1 vordere Vokale: hohe F2 hintere Vokale: niedrige F2 Praat Demo: New - Sound - Create Sound from VowelEditor 38