Beat Siebenhaar: Phonetik und Phonologie des Deutschen 1 Akustische Phonetik 1 Was ist Schall? Schall ist eine periodische, schnelle Druckschwankung (verursacht durch eine Schallquelle: SprecherIn, Musikinstrument, Lautsprecher etc.), die sich in einem Medium (z.b. Luft, Wasser, Festkörper, usw.) ausbreitet. Schall kann in festen, flüssigen und gasförmigen Medien auftreten, im Vakuum gibt es keinen Schall. Schall ist eine mechanische Schwingung dieser elastischen Medien. Schwingungen entstehen, wenn eine Schallquelle die Moleküle des Mediums aus ihrer Gleichgewichtslage heraus bewegt und diese anschließend um ihre ursprüngliche Ruhelage schwingen. Luftschall entsteht durch Anregung von Schwankungen der Luftdichte, wobei Über- und Unterdruck entsteht, der sich örtlich und zeitlich auszugleichen versucht. Abbildung 1: Prinzip der Longitudinalwelle am Beispiel von Schunkelnden (Reetz, Henning 1999, 6). Die Abbildung 1 verdeutlicht das Prinzip der Longitudinalwellen. Die Personen beim Schunkeln verhalten sich gleich wie Luftmoleküle. Neigt sich die Person am linken Rand nach rechts, wird sich etwas später die neben ihr stehende Person ebenfalls nach rechts neigen usw. Nach einer Weile neigt sich auch die Person am rechten Rand nach rechts. D. h. das 'Nach-Rechts-Neigen' zieht sich mit einer gewissen Geschwindigkeit über die ganze Strecke hin, obwohl sich jede einzelne Person nicht vom Fleck bewegt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des 'Nach-Rechts-Neigens' ist unabhängig davon, mit welcher Schnelle sich eine einzelne Person hin- und herneigt. In dieser Momentaufnahme sind die Personen im Teil 'A' dichter zusammen als im Teil 'B'. Für unsere Hörwahrnehmung wird Schall über die Luft übermittelt. Der Schalldruck addiert sich zum mehr oder weniger statischen Luftdruck. Je nach Wetterlage entspricht der Luftdruck ca. 100'000 PASCAL (= 1 bar). Der Schalldruck ist dagegen äußerst gering. Bei einem Schalldruck von 100 Pa ist die Schmerzgrenze des menschlichen Gehörs erreicht. 2 Akustische Kenngrößen Abbildung 2: Akustische Kenngrößen in der Sinuskurve
Beat Siebenhaar: Phonetik und Phonologie des Deutschen 2 Die Frequenz f bezeichnet die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, stellt also eine Wiederholungshäufigkeit dar (Hertz: Hz = Schwingung/s). f = 1 / T f Frequenz (Hz) T Periodendauer (s) Eine Periode ist die zeitliche Dauer eines vollständigen Bewegungszyklus, nach dem wieder der gleiche Bewegungszustand erreicht wird, d.h. nach zwei Nulldurchgängen. Die zeitliche Ausdehnung der Periode ist die Periodendauer T. Als Amplitude A wird die (maximale) Auslenkung aus der Ruhelage (Nullinie) bezeichnet. Die Amplitude stellt den größten Abstand eines Punktes von seiner Gleichgewichtslage dar. Die Elongation y stellt den zu einem bestimmten Zeitpunkt geltenden Abstand eines Punktes von seiner Ruhelage dar. In einem Maximum oder Minimum entspricht die Elongation der Amplitude. Die Phase φ ist der Schwingungszustand einer Welle. Wellen in Phase haben zur selben Zeit einen gleichen Nulldurchgang, während phasenverschobene Wellen einen unterschiedlichen Nulldurchgang haben. Periodische Schwingungen werden als Ton bezeichnet; aperiodische Schwingungen, d.h. Schwingungen deren Zeitintervalle unterschiedlich voneinander sind, werden als Geräusch bezeichnet. 3 Einfache und komplexe Schwingungen Einfache periodische Schwingungen kann man z.b. bei einem Pendel beobachten. Sie lässt sich als Sinusgröße beschreiben. Eine Sinusschwingung oder harmonische Schwingung wird in der Akustik als reiner Ton bezeichnet. Die additive Überlagerung von zwei harmonischen Schwingungen gleicher Frequenz ergibt wieder eine harmonische Schwingung derselben Frequenz, deren Amplitude und Phase von den Amplituden der beiden Teilschwingungen und ihrer Phasendifferenz abhängen.
Beat Siebenhaar: Phonetik und Phonologie des Deutschen 3 Abbildung 3: a) Schwingungen mit gleicher Frequenz in Phase resultieren in einer Schwingung gleicher Frequenz und doppelter Amplitude, b) Schwingungen mit gleicher Frequenz, aber gegenläufiger Phase heben sich auf. Abbildung 5. Das Spektrum zeigt die Frequenzen, die der komplexen Schwingung in Abbildung 4 zugrunde liegen. Abbildung 4: Einfache Schwingungen unterschiedlicher Frequenz (und Phase) addieren sich. Jede komplexe periodische Schwingung kann als die Summe von Überlagerung periodischer Sinusschwingungen aufgefaßt und dargestellt werden. Durch Anwendung der Fourier-Analyse kann die komplexe Schwingung in ihre einzelnen Schwingungskomponenten zerlegt werden. Ein Punkt kann nicht gleichzeitig mehrere voneinander verschiedene Schwingungsbewegungen ausführen, aber er führt die sich aus den Teilschwingungen zusammensetzende Schwingung aus. Die resultierende Schwingung kommt durch Überlagerung oder Superposition der Einzelschwingungen zustande. Zusammengesetzte periodische Schwingungen mit harmonischen Teilverhältnissen (ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung) zwischen den Teilfrequenzen bilden wahrnehmungsmäßig einen Klang (Grundton mit einer vollständigen Reihe von Teiltönen (Harmonischen), die ein Vielfaches der Grundfrequenz darstellen). Nichtperiodische Schwingungen nennt man Geräusch. Geräusche mit mehr oder weniger wahrnehmbarer Tonhöhe stellen eine Mischform periodischer und nicht periodischer Schwingungen dar. Die tiefste Frequenz, die die Grundfrequenz aller anderen Sinuskomponenten des Spektrums ist, wird F0 genannt. Die ganzzahligen Vielfachen von ihr sind ihre Harmonischen. Die Verteilung der Harmonischen ist entscheidend für den Klang eines Signals und unterscheidet in der Sprache z.b. die Vokale [a] und [e].
Beat Siebenhaar: Phonetik und Phonologie des Deutschen 4 4. Resonanz und Filter Als Resonanz bezeichnet man das Mitschwingen eines Körpers mit einem andern. Die Eigen- oder Resonanzfrequenz eines Körpers ist die Frequenz, mit der ein Körper schwingt, wenn er angeregt wurde (z.b. ein Glas, das durch Singen auf dessen Resonanzfrequenz zum Schwingen gebracht wird. Gesang im Badzimmer, der einzelne Frequenzen lauter erscheinen lässt). Ein Filter ist dagegen eine Dampfung eines Signals, d.h. gewisse Frequenzen eines Signals werden nicht durchgelassen. Beim Sprechen wird durch Resonanzen und Filterung der mehr oder weniger reine Ton der Stimmlippen modifiziert, einzelne Frequenzen werden verstärkt, andere ausgefiltert, je nach Form des Mund- und Nasenraums. Diese Filterung ist unabhängig von der Grundfrequenz und den Harmonischen. Beim Sprechen verändert sich die Geometrie des Ansatzrohres sehr schnell. Durch die für jeden Lauch charakteristische, unterschiedliche Filterung unterscheidet sich die Klangqualität verschiedener Vokale. Die nebenstehende Grafik zeigt denselben Filter auf verschiedene Grundfrequenzen und deren Harmonische aufgesetzt. Abbildung 6: Wirkung eines Filters auf unterschiedliche Grundfrequenzen mit deren Harmonischen (oben 250 Hz, unten 125 Hz) 5. Spektrogramm / Sonagramm Die Darstellung im Spektrum zeigt Frequenz und Amplitude an. Da Sprechen aber wesentlich durch die Zeit geprägt ist, wird häufig eine Darstellung gewählt, die die Zeitachse berücksichtigt: das Spektrogramm / Sonagramm.
Beat Siebenhaar: Phonetik und Phonologie des Deutschen 5 Abbildung 7: Oszillogramm und Breitbandspektrogramm von Vokalen Im Spektrogramm läuft die Zeit wie im Oszillogramm von links nach rechts. Die Frequenzen laufen von unten nach oben (hier 0-5000 Hz).Die Amplitude wird als Schwärzung dargestellt. Damit kann die zeitliche Entwicklung der Spektren synchron zum Oszillogram betrachtet werden. Das Spektrogramm der Vokale (Abbildung 7) zeigt deutlich die unterschiedliche Frequenzverteilung der einzelnen Vokale als Schwärzung einzelner Frequenzbereiche. Die Schwärzungen nennt man Formanten. Ein Formant entspricht der für die Wahrnehmung der Vokalqualität maßgebliche Resonanz des Ansatzrohres, die im Sonagramm als Balkenstruktur der Frequenzbereiche mit erhöhter Energie sichtbar wird. (Siehe auch Tabelle 1 und Abbildung 10).
Beat Siebenhaar: Phonetik und Phonologie des Deutschen 6 Abbildung 8: Oszillogramm und Spektrogramme des Wortes 'Bein' Im Breitbandspektrogramm (oben) ist die zeitliche Auflösung gut, man kann einzelne Perioden erkennen (vertikale Schraffierung), jedoch ist die Frequenzauflösung schlecht. So wird sehr deutlich, wann das /b/ realisiert wird, der Diphthong /aɪ / zeigt die Bewegung und der Nasal /n/ löst mit dem Wegfall der oberen Formanten, deutlich den Vokal ab Im Schmalbandspektrogramm (unten) ist die Frequenzauflösung hoch, man kann die einzelnen Harmonischen erkennen (horizontale Linien), jedoch ist die zeitliche Auflösung schlecht. Die Abgrenzung der einzelnen Laut ist zeitlich nicht genau zu bestimmen. Die Harmonischen als Vielfache der Grundfrequenz zeigen aber deutlich die Modulation der Stimme, die hier allerdings nur sehr gering ist.
Beat Siebenhaar: Phonetik und Phonologie des Deutschen 7 Abbildung 9: Oszillogramm und Breitbandspektrogramm von 'Phonetik' Im Breitbandsonagramm lassen sich die einzelnen Laut aufgrund ihrer charakteristischen spektralen Eigenschaften gut voneinander unterscheiden. Die (stl.) Frikative zeigen ein Rauschen über einen großen Frequenzbereich an /f/, /h/ (die Konzentration liegt beim /f/ bei über 4000 Hz, das ist hier nicht deutlich. Die Vokale zeigen Formanten, das sind die für jeden Vokal typischen Resonanz und Dämpfungsbereiche, /o/ ca. 400 Hz, ca. 650 Hz.; /e:/ ca. 340 Hz, ca. 2200 Hz, /ɪ/ ca. 330 Hz, ca. 2300 Hz. Die Plosive zeigen die Okklusionsphase als Stille (_t 123 ms / _k 160 ms) gefolgt von einem kurzen Burst (11 ms).
Beat Siebenhaar: Phonetik und Phonologie des Deutschen 8 Tabelle 1: Formanttabelle mit Grundfrequenz F0 und Formanten F1, F2, F3 von Vokalen gemittelt über 76 Sprecher: Männer (M), Frauen (W) und Kinder (Ch) (entnommen aus: Peterson, Barney, 1952, S.183) Tabelle 1 zeigt die Formanten von Männern, Frauen und Kindern im Englischen, in Abbildung 10 sind die Transitionen zwischen den Vokalen nochmals schematisch dargestellt. Der 1. Formant bildet reziprok die Zungenhöhe ab; Hochzungenvokale haben einen tiefen F1, während Tiefzungenvokale einen hohen F1 haben. F2 dagegen entspricht der horizontalen Zungenposition, Vorderzungenvokale haben einen hohen F2, während Hinterzungenvokale einen tiefen F2 haben. Abbildung 10: Vereinfachtes Schema der Formantbewegung beim Übergang zwischen Vokalen Literaturhinweise Hess, Wolfgang: http://www.ikp.uni-bonn.de/dt/lehre/materialien/grundl_phon/gph_1b.pdf Neppert, Joachim und Pétursson, Magnús (1999): Elemente einer akustischen Phonetik. Hamburg. Peterson, G.E./ Barney, H.L. (1952): Control methods used in an study of the vowels. JASA 24, S.175-184. Pompino-Marschall, Bernd (2003): Einführung in die Phonetik. 2. Auflage. Berlin, New York. Reetz, Henning (1999): Artikulatorische und akustische Phonetik. Trier. Reetz, Henning & Jongman, Allard (2008): Transcription, Production, Acoustics, and Perception. Malden MA: Blackwell. (= Blackwell Textbooks in Linguistics) Gerhard Junker: http://gerhard.junker.info/musikwissenschaft/raumakustik/v1_raumakustik_beschallungstechnik_ph ysik.pdf Zum Lesen von Spektrogrammen: http://www.phonetik.unimuenchen.de/studium/skripten/sgl/sglhome.html Programm für die phonetische Analyse: Praat: http://www.fon.hum.uva.nl/praat/