College 7: Stemvorming en Geluid Eerste uur: bouw van de larynx aerodynamische myo-elastische theorie van stemvorming stemvorming en fonologie Tweede uur: parameters geluid bron-filter theorie spraakmachines

Bouw van de Larynx

Anatomie van de larynx

Anatomie van de larynx

Anatomie van de larynx thyroid epiglottis cricoid trachea hyoid

Anatomie van de larynx glottis thyroid cricoid arytenoid

Anatomie van de larynx

Anatomie van de larynx

Anatomie van de larynx 5 3 1 2 4 epiglottis hyoid thyroid thyroid stembanden arytenoiden cricoid cricoid 1 2 trachea cricoid arytenoid glottis thyroid 4

Anatomie van de larynx

Anatomie van de larynx

Anatomie van de larynx

Biologische functie larynx toevoer/afvoer lucht-longen verhinderen dat voorwerpen in de longen komen verwijderen van voorwerpen die per ongeluk in de luchtpijp zijn gekomen

Bij mens nevenfunctie: stemvorming Door het periodiek open en dicht gaan van de glottis: periodieke variatie in de luchtdruk in de mond-keelholte Zichtbaar gemaakt m.b.v. stroboscopisch licht

Stemvorming

Stemvorming

Anatomie van de larynx

Wat drijft de stemvorming? Mogelijkheid 1: De individuele openingen en sluitingen van de glottis worden direct door zenuwprikkels aangestuurd Geprepareerde larynx

Wat drijft de stemvorming? Waarom is de glottale cyclus niet het gevolg van directe aansturing d.m.v. zenuwimpulsen? Hoge frequenties zenuwimpulsen zouden dan bereikt moeten worden Het blijkt mogelijk stemvorming te krijgen in een geprepareerde menselijke larynx

Wat drijft de stemvorming? Mogelijkheid 2: De aerodynamisch-myoelastische theorie

Wat drijft de stemvorming? De glottale cyclus is het gevolg van: drukvariaties aan weerszijden van de glottis spanning van de stembanden het Bernoulli-effect http://www.youtube.com/watch?v=olVJzVadiFs

Stemvorming volgens de Aerodynamisch-Myoelastische theorie (Van den Berg 1958): 1. subglottale druk loopt op en leidt tot opening van de glottis 3. Sluiting van de glottis doordat kracht van laryngale spieren > kracht a.g.v. subglottale druk 2. lucht ontsnapt door de geopende glottis  Bernoulli-effect en verlaging van de subglottale druk

Globale kenmerken: stemkwaliteit normale fonatie vs. geen fonatie fluisterfonatie kraak/kraakstemfonatie falsettofonatie

Globale kenmerken: toonhoogte Welke factoren bepalen de gemiddelde grondfrequentie waarmee de stembanden trillen (en daarmee de toonhoogte)? fysiologie sociale conventies (vnl. ondergrens bij vrouwen) spreekstijl (a.g.v. attitude, akoestische omstandigheden)

Globale toonhoogte, geslacht, en leeftijd

Globale toonhoogte en cultuur

Segmentele kenmerken laryngale kenmerken stemloos stemhebbend aspiratie toonhoogte stemkwaliteit

Stemcontrasten in obstruenten stemhebbende obstruenten gesloten, maar niet stijf aangedrukte stembanden relatief slappe stembanden verlaging van de larynx ( implosieven) verslapte wanden van farynx/gehele spraakbuis

Stemcontrasten in obstruenten stemloze obstruenten gespreide of juist stijf aangedrukte stembanden relatief strakke stembanden enigszins verhoogde larynx verstrakte wanden van farynx/gehele spraakbuis

Stemfonologie

Stemfonologie

Toon, intonatie: het talig gebruik van toonhoogte Melodisch (betekenisverschil door verschillen in melodie): accentfunctie markeringsfunctie

Fonologisch gebruik van melodie Fonemisch gebruik van toon in het Shanghai-chinees: a) b)

Melodie als zinsaccent

De transcriptie van toon en intonatie Methode 1: signaal + toonhoogte transcriptie [ ]

De transcriptie van toon en intonatie Methode 2: signaal + toonhoogte transcriptie L+H* L-H% []

Geluid Geluid: trillingen van voorwerpen die door een medium (meestal lucht) worden voortgeplant en m.b.v. het gehoororgaan kunnen worden waargenomen

Geluid Geluid manifesteert zich als verstoringen van de barometrische (lucht)druk Een zuivere (of enkelvoudige) toon is periodiek, d.w.z. na T sec (een vaste tijd) is de verstoring van de barometrische druk exact hetzelfde; na T sec voert het trillende punt precies dezelfde beweging uit (periodieke trilling) zuivere toon komt nauwelijks voor (stemapparaat)

enkelvoudige golven

Oscillogram Een oscillogram is een registratie van de luchtdeeltjestrilling als een functie van de tijd

Parameters Geluid amplitude (A) (dB) luidheid periode (T) (sec) duur Fysische grootheden Psychofysische grootheden meetbaar sensatie amplitude (A) (dB) luidheid max.waarde die de geluidsdruk aanneemt (max.uitwijking) periode (T) (sec) duur de tijd waarin het patroon zich herhaalt frequentie (F) (Hz) toonhoogte aantal trillingen per seconde

trillingstijd & amplitude grondperiode

Decibel (dB) Eenheid van geluidsterkte. De amplitude of het volume of het niveau van een signaal wordt weergegeven in dB. 0 dB geeft de grens van het hoorbare aan. 130 dB is de pijngrens. Een normale spreekstem zit op 65-70 dB.

Hertz (Hz) Meeteenheid voor frequenties, gemeten in trillingen per seconde. 1 Hertz is 1 trilling per seconde vaker gebruikt: eenheid Kilohertz (kHz): veelvouden van 1000 Hz Hoog: > 5 k; Laag: < 100 Hz

Waarneming geluid Gebied waarbinnen mensen geluid kunnen waarnemen is grofweg tussen 20 Hz - 20 kHz Het ‘klankspectrum’ neemt met het ouder worden af: een gemiddelde is ongeveer 40 Hz - 15 kHz

Waarneming geluid In frequentie toenemende sinusgolf 50-500 Hz 500 Hz - 5k 5 - 10k 10 - 15k > 15k

Geluid Infrasoon Geluid ultrasoon F < 20 Hz 20 Hz < F < 20 kHz F > 20 kHz

Geluid Infrasoon Geluid ultrasoon F < 20 Hz 20 Hz < F < 20 kHz F > 20 kHz puls (< 1/20 sec) stationair geluid voorbeeld puls: plofklanken: [p,t,k,b,d,]

Geluid Infrasoon Geluid ultrasoon F < 20 Hz 20 Hz < F < 20 kHz F > 20 kHz puls stationair geluid enkelvoudige toon samengestelde trillingen (bevat 1 frequentie) (gelijktijdig meerdere frequenties) voorbeeld enkelvoudige toon: sinustoon hier: 440 Hz (A)

Geluid Infrasoon Geluid ultrasoon F < 20 Hz 20 Hz < F < 20 kHz F > 20 kHz puls stationair geluid enkelvoudige toon samengestelde trillingen samengestelde toon ruis (bevat grondtoon + boventonen) (alle mogelijke frequenties komen voor) F0 + boventonen 2F0;3F0 … onregelmatig trillingspatroon voorbeeld ruis: fricatieven: []

Klankkleur

Grondtoon De laagste frequentie in een samengestelde golfvorm.

Boventonen Trillingen van frequenties die een meervoud zijn van de grondtoon

Spectrum Spectrum geluid: opbouw van de basisfrequenties (bepaalt klankkleur) Iedere samengestelde trilling met een frequentie F is te beschouwen als een som van harmonische trillingen met frequenties F, 2F, 3F, etc. F=grondtoon (1e harmonische) 2F = 1e boventoon (2e harmonische) 3F= 2e boventoon (3e harmonische)

Spectrum opbouw van de basisfrequenties (momentopname); een plaatje waarin de frequentie en de amplitude tegen elkaar worden uitgezet Ampl Freq grondtoon (F0)

golf & golfspectrum

samengestelde golven

Bron - Filter Functie van drie systemen: het bron-filter model

Klankkleur Bron Filter Theorie

[a]

samengestelde golven Niet alle samengestelde golven zijn periodiek

aperiodieke golven

spectrum & spectrogram Een verzameling van opeenvolgende spectra van een signaal waarbij de relatieve intensiteit in grijstinten is weergegeven heet een spectrogram

[a]

Vocaal - Fricatief - Vocaal

Vocaal - Fricatief - Vocaal

Vocaal - Plosief - Vocaal

Spectrogram lezen

Geluid bewerken: Equalisatie

Equalisatie (EQ) De afstelling van een frequentieweergave in een audiosignaal om de gewenste klank te krijgen Een equalizer kan bepaalde frequenties afsnijden of opwaarderen. Dit gebeurt met behulp van filters

Parametrische Equalisatie (EQ)

Gefilterde Spraak Spraak gefilterd beneden 1600 Hz Spraak gefilterd boven 1600 Hz

Dips in frequentiegebieden boer buur bier compleet signaal roos reus race gefilterd signaal bos bes bas (beneden 1k) lap lak lat las laf lag Waarom heeft het weinig zin om tegen een slechthorende te gaan schreeuwen?

Transities

Categorische perceptie [ba] (aanpassing F2-transitie in 14 stappen) [b] (aanpassing F2-transitie in 14 stappen) [ze:] (startpunt ingekort in 10 stappen) [se:] (startpunt ingekort in 10 stappen)

Spraaksynthese

Kunstmatige Spraak kunstmatige spraak = spraaksignalen die niet door mensen worden voortgebracht en niet als zodanig zijn opgenomen

Hoe maak je kunstmatige spraak? methode 1: bouw de menselijke spraakbuis fysiek na

Hoe maak je kunstmatige spraak? methode 1: bouw de menselijke spraakbuis fysiek na methode 2: bouw een (elektrisch) systeem waarin bron(nen) en filter(s) nog fysiek gescheiden zijn maar zonder mechanische articulatoren

Hoe maak je kunstmatige spraak? methode 1: bouw de menselijke spraakbuis fysiek na methode 2: bouw een (elektrisch) systeem waarin bron(nen) en filter(s) nog fysiek gescheiden zijn maar zonder mechanische articulatoren methode 3: ontwerp een algoritme dat de golfvormen van menselijke spraak berekent

Von Kempelen’s Spraakmachine (1778)

De Spraakmachine van Riesz

De Voder (1939)

Articulatorische/fonologische modellen Zijn in feite geformaliseerde en in computerprogramma’s geïmplementeerde fonetische fonologische theorieën Pattern Playback (Cooper 1951) Het dynamisch-articulatorische model van Haskins Laboratories (Yale) PAT Formant Synthesizer (Lawrence 1962)

Spraaksynthese Bron: periodiek geluid ruis Synthese van vier segmenten Ingekort/Envelope filter (ADSR) Concatenatie

Allofoonsynthese Bij allofoonsynthese worden stukjes spraak van akoestisch segmentbegin tot -einde aaneengeschakeld. Een bekend voorbeeld is Dennis Klatt’s DECtalk systeem De verschillende stemmen van DECtalk Female Voice Female Voice (1987)

DECTalk Different Rates: Fast (300 w/m) Slow (120 w/m)

Transities

Difonen Meeste informatie zit in de transities Difonen zijn overgangen tussen twee fonen Voorbeeld waarin overgangen zijn weggelaten Voorbeeld waarin alleen overgangen hoorbaar zijn

Difoonsynthese bij difoonsynthese wordt niet geprobeerd akoestische segmenten af te bakenen maar worden de grenzen juist bij de extremen gelegd difonen 1 voor 1 concatenatie van dezelfde serie: attentie met toonhoogteverschillen Duits met Ned. difonen Frans met Ned. difonen

INFOVOX Verschillende talen in INFOVOX

Toegift: Ruis

Ruis Witte ruis: ruis die het totale frequentiegebied bestrijkt, en 6 dB toeneemt per octaaf In ruis zitten alle frequenties opname + kuch

Visuele Anticipatie

Visuele Anticipatie

Visuele Anticipatie

Auditieve Anticipatie In ruis zitten alle frequenties opname + kuch originele opname