Formant

I fonetikk og akustikk er formanter (fra den latinske formaren 'form' [en vokal ]) konsentrasjonen av akustisk energi i et uforanderlig (fast) frekvensområde , uavhengig av frekvensen til den genererte grunntonen . På grunn av resonans- og interferensegenskapene til artikulasjonsrommet eller resonanslegemet forsterkes disse frekvensområdene sammenlignet med de andre frekvensområdene, og de andre dempes, hvorpå formantene forblir som energitopper. Denne prosessen spiller en rolle i menneskelig språk så vel som musikkinstrumenter.

Definisjon av begreper

En overtone (delvis) eller et sammenhengende utvalg av overtoner (partialer), som heves i nivå ved karakteristiske naturlige frekvenser gjennom resonansforsterkning, kalles formanter.

På den annen side refererer til frekvensområde , noe som er karakteristisk for en vokal, som et formant- region (også: formantforbedrende strekning ).

Observasjon og beskrivelse

Som et fenomen er en fon (i fonetisk forstand) eller "enkelt tone " i musikalsk form de minste akustiske enhetene.

For å unngå feil ide, må det skilles mellom målbare størrelser og oppfattede størrelser.

Lydkildene kan først deles inn i tre underkomponenter :

• selve oscillatoren (for eksempel en streng , en membran eller vokalfoldene ( plica vocalis ), som periodisk avbryter det utstrømmende luftpusten ) (som i utgangspunktet bare er der uten å høres ut),
• stimulering (ved å plukke, blåse, den periodisk avbrutte luftstrømmen til åndedrettsapparatet respiratorius ) og
• resonanslegemet ( dvs. kroppen til musikkinstrumentet, menneskekroppens resonansrom ( vokalveien )).

Den viktigste endringen i resonansegenskapene skjer som en variabel ved å endre posisjonen til tungen. Den grunnleggende talefrekvensen er rundt 100–150 Hz for menn og rundt 200–300 Hz for kvinner. I fysisk forstand kan en slik "enkelt tone" videre brytes ned i forskjellige partialer eller delvis eller overtoner , dvs. i forskjellige frekvensbånd. Den laveste delen er avgjørende for den opplevde tonehøyde . Det er også kjent som den grunnleggende frekvensen eller den grunnleggende tonen . Samlet sett kan delvis tonene brukes til å beskrive alle lyder i musikk, så vel som akustisk tale produksjon, eller mer generelt, andre akustiske hendelser. Nesten alle toner, lyder og lyder så vel som talespråket ( talespråket ) er sammensatt av en hel serie med delvise toner. Alle disse delene er i form av sinusbølger . En samlet tone består f.eks. B. fra ti partielle toner, som da er ni overtoner og en grunnleggende. Hvilke frekvenser som vises som overtoner, avhenger av de fysiske egenskapene til den respektive lydgeneratoren, dvs. av dens "naturlige frekvenser". Lyder med "harmonisk" er differensiert fra de som tilhører "ikke-harmonisk overtone-serien". I området med den harmoniske overtone-serien er frekvensene til overtonene integrerte multipler av frekvensen til grunnleggende ( naturlig toneserie ). Innen musikkinstrumenter inkluderer disse strenge- og blåseinstrumenter .

I tilfelle “ikke-harmoniske overtoner” danner frekvensene til partielle toner kompliserte, ikke- heltallige forhold til hverandre. Slike lyder forekommer i musikk med instrumenter med støyende toner, for eksempel med perkusjonsinstrumenter som trommer eller med idiofoner som bjeller med metalliske tavler. Antall overtoner og deres forhold til hverandre beskriver bare en del av en akustisk hendelse som oppfattes som en samlet lyd. Volumet til de enkelte overtonene er også viktig.

Menneskespråk høres annerledes ut for forskjellige høyttalere. Årsaken til dette er i hovedsak vokallyden, som kan være forskjellig for samme tonehøyde. Fordi den samme lyden faktisk skulle oppstå hvis to personer sang samme tone. På grunn av den individuelle anatomiske form, dvs. størrelsen og formen av munnhulen , bihuler , svelg, etc., som danner hovedresonans områder hos mennesker, er noen frekvenser forsterkes, andre er svekket. Overtonene er ansvarlige for slike språkrelaterte resonanskurver. Så den samme vokalen vil gi forskjellige resonanser hos forskjellige mennesker. Men i tillegg til vokaler, bruker menneskelige språk også konsonanter  - lydene der luftstrømmen blir hemmet under uttalen, og som derfor har et begrenset akustisk område. Det er annerledes med vokaler, som blir uttalt uten å hemme luftstrømmen og derfor kan høres tydeligere.

Forklaringer til definisjonen

I strupehodet eller z. B. I munnstykket til et blåseinstrument produseres først en grunnleggende tone med mange overtoner . Bare i lydlegemet til et musikkinstrument eller på vei mellom strupehodet og munnåpningen er en del av harmonikken , dvs. delvise eller delvise toner eller overtoner og støykomponenter , dempet, mens en annen del forsterkes av resonans i forhold til det grunnleggende frekvens og andre overtoner. Områdene der det er maksimal relativ gevinst er formantene. Stemmer og instrumenter har ofte flere formante regioner som ikke ligger rett ved siden av hverandre.

Formantenes posisjon og egenskaper har en betydelig innvirkning på klangen til et musikkinstrument eller en stemme . De kan brukes til å skille mellom stemmer og musikkinstrumenter - for eksempel stemmer fra to kvinner eller en fiolin fra en annen.

Formantenes posisjon avhenger

• generelt fra de karakteristiske naturlige frekvensene til instrumentet eller lydgeneratoren,
• Når det gjelder mekaniske musikkinstrumenter, utformingen og materialene som brukes, særlig utformingen av lydboksen,
• i den menneskelige stemmen fra den arbitrært endrede formen på vokalkanalen , da den er justert for å artikulere en viss lyd ved muskelbevegelser,
• når det gjelder elektroniske musikkinstrumenter, av bandpassene og bandstoppene som brukes .

Språk

Spektrogram av lydene [i, u, ɑ] på amerikansk engelsk, formanter F1, F2 merket med rødt. Formanter er de horisontale frekvensbåndene.

Tale og dermed talelyder består av lufttrykksbølger som kastes ut fra munnhulen og nesehulen . Den luften som presses gjennom stemmebåndene får dem til å begynne å vibrere. Vibrasjonene blir en hovedretning som formes og forsterkes av orale og nesekanaler eller andre anatomiske trekk. Jo mer pusteluft blir tvunget gjennom stemmefoldene, jo høyere blir lyden. De forskjellige posisjonene til tungen og leppene gjør at forskjellige lyder kan dannes. Åpnings- og lukkestemmebåndene skaper en periodisk svingning. Lengden på en syklus avhenger av stemmebåndens lengde, masse og spenning, samt lufttrykket som skapes av luftveiene og lungene.

Vokal artikulasjon uttrykkes vanligvis, de relevante variasjonene er endringer i størrelse på hals og munn. Disse er forårsaket av tungen og leppene, men strupehodehøyde , tetthet i halsen, tungestilling og høyde samt leppestilling endrer resonansegenskapene til halsrøret og dermed også resonansfrekvensene til den resulterende vokalen. På denne måten mottar hver vokal sin typiske spektrale sammensetning med energikonsentrasjoner i de respektive resonansfrekvensene. Disse energikonsentrasjonene, som kan gjenkjennes i sonagrammet som horisontale frekvensbånd, kalles formanter F1, F2, F3 og F4 etc. I menneskelig tale karakteriserer formantenes posisjon betydningen av visse lyder . I sonagrammet skiller vokaler seg fra konsonanter, hovedsakelig i sin klare formantstruktur. Dette skyldes det faktum at lyden, hvis artikulasjon fører til en konsonant, er skapt av en innsnevring av vokalkanalen, slik at pusteluftstrømmen blir helt eller delvis blokkert og hørbar turbulens (luftvirvler) oppstår. Konsonanter er lyder som overvinner hindringer; de kan genereres uten å bruke stemmen ( stemmeløs ) eller med vokalisering ( stemt ). Tendensen viser følgende: Det er mer sannsynlig at vokaler er i et lavere frekvensområde, konsonantene i et høyere frekvensområde. Mens vokalene hovedsakelig produserer den lydstyrken av tale, ordet differensiering ( stavelser er) som er overført via konsonantene . En vokal kan artikuleres i forskjellige tonehøyder ved å endre perioden for stemmebåndbevegelsen uten å forandre munn og hals.

I akustikk og fonetikk er formanten konsentrasjonen av akustisk energi i et bestemt frekvensområde. Mens formantene F1, F2 og F3 er vokalspesifikke, noe som betyr at de alltid antar omtrent de samme frekvensverdiene relativt uavhengig av høyttaleren, er frekvensverdiene fra F4-formanten hovedsakelig ansvarlige for klangfargen og egenskapene til høyttalerens stemme. De brukes primært til å identifisere en høyttaler og ikke en vokal. I sonagrammet skiller vokaler seg fra konsonanter først og fremst i sin klare formantstruktur.

Formanter oppstår for eksempel i resonansspektrene til musikkinstrumenter eller den menneskelige stemmen . På grunn av resonansegenskapene til et instrument eller det menneskelige artikulasjonsrommet forsterkes visse frekvensområder i forhold til andre frekvensområder. Formanter er de frekvensområdene der den relative gevinsten er høyest. Vokaler, for eksempel, skiller seg med hensyn til artikulasjon med tre parametere:

• den vertikale posisjonen til det høyeste punktet på tungen,
• den horisontale posisjonen til det høyeste punktet på tungen og
• leppens rundhet

Ved å bruke de to første formantene i vokaltrekanten eller i vokal-trapesen , kan alle vokaler i et lydsystem skilles fra hverandre. Vokalformantene er forskjellige fra person til person, spesielt mellom menn, kvinner og barn. Her følger en tabell over gjennomsnittlige formantposisjoner fra nevnte vokaltrekant.

De to første formantene F1 og F2 er viktige for forståelsen av vokalene . Deres posisjon karakteriserer den talte vokalen, den tredje og fjerde formanten F3 og F4 er ikke lenger viktig for å forstå talen. De karakteriserer snarere anatomien til høyttaleren og artikulasjonens særegenheter så vel som klangfargen til talen, og varierer avhengig av høyttaleren. Karakteren til en stemme bestemmes av grunnfrekvensen (100 til 250 Hz) og artikulasjonsegenskapene. Gjennomsnittlig taleintervall er mellom 100 og 130 Hz for menn og mellom 200 og 260 Hz for kvinner.

Formanter, som er 1500 til 2000 Hz, er effekten av å bringe Näseleffekts ut hvorfor de Näselformanten blir nevnt. Hvis velum åpnes, oppstår en ny nasal formant, ofte også. Ulike studier er tilgjengelige som har vist forskjellige neseformanter. Den første neseformanten er gitt med verdier mellom 200 og 250 Hz, den andre neseformanten veldig forskjellig med verdier på f.eks. For eksempel 1000, 1200, 2000 eller 2200 Hz.

Spesielle trekk i sang

Spill av mediefilen

Lyd- og spektralanalyse klargjør vokalformantene som frekvensområder med økt intensitet

I utgangspunktet gjelder det samme for sang som for språk. Ovennevnte Formanter er spesielt gode for lave toner, f.eks. B. show sunget i det knirrende registeret . Men selv i det høyere området til en sopranstemme er den grunnleggende frekvensen over de første formantfrekvensene som er oppført i tabell 1. Ved frekvenser på f.eks. For eksempel, 700 Hz må vokalene u, e og i være uforståelige, og på grunn av den sterke dempingen mellom formantene, danner de bare svake, uholdbare toner. Imidlertid er formantene ifølge Sundberg ikke uavhengige av hovedtalen. Denne uavhengige variasjonen av formantene praktiseres for eksempel i overtone sang . Hvis grunntonen faller innenfor rekkevidden til 1. formant eller er over, så stiger også 1. formant når grunntonen stiger. Sangeren oppnår dette ved å åpne munnen bredere. Denne tilpasningen av den første formanten er kjent som formant tuning. I tilfelle i, u, e fører det til en økning i den første formanten; med en grunnleggende frekvens på 700 Hz er den også rundt 700 Hz. I tilfelle a forblir den stort sett konstant. 2. formant, derimot, avtar med e og i og øker med u. Økningen i 1. formant fortsetter imidlertid ikke "uendelig", i området rundt h2 og oppover kan du ikke lenger gjøre noe ved å åpne munnen videre. Vokalene skiller seg ikke lenger i veldig høye toner fordi den grunnleggende frekvensen nå alltid er over den første formanten og lydinntrykket av denne formanten forsvinner.

Frekvenser rundt 3 kHz spiller en avgjørende rolle i bæreevnen til en stemme. Derfor kalles dette frekvensområdet sangerformant . Det kan også endres, for eksempel ved å trene for å heve eller senke strupehodet mens du synger. En sangerformant er godt utviklet når frekvensene i en sunget tone i et bredt bånd mellom 2800 og 3400 Hz har en "relativ styrke", uavhengig av den grunnleggende tonen.

historie

Begrepet formant ble først brukt av Ludimar Hermann i sin Acoustic Phonetics i 1890 , men ble ikke teknisk beskrevet av Erich Schumann i hans habiliteringsoppgave i Berlin før i 1929 og danner i dag et bredt forskningsfelt innen analytiske, kommunikasjonstekniske og lydsyntetiske domener.

Se også

• Frekvensspektrum
• Forvrengningsfaktor
• Pitch shifter
• Sonagram
• stemme gjenkjenning
• Talesyntese
• Vokoder

litteratur

• Franz Brandl: Kunsten å tale på fysiologisk grunnlag. Selvutgitt, München 2001, ISBN 3-00-008593-9 .
• Michael Dickreiter, Volker Dittel, Wolfgang Hoeg, Martin Wöhr (red.): Manual of the studio studio technology. 8., reviderte og utvidede utgave, Walter de Gruyter, Berlin / Boston 2014, ISBN 978-3-11-028978-7 eller e- ISBN 978-3-11-031650-6 (2 bind).
• Ludimar Hermann : Bidrag til undervisningen i lydoppfatning. I: Pflügers Arch . Volum 56, 1894, s. 467-499.
• Fritz Klingholz: Medisinsk guide for sangere. Libri Books on Demand, Seefeld 2000, ISBN 3-8311-0493-X .
• Paul-Heinrich Mertens: Schumanns lydfargelov og deres betydning for overføring av språk og musikk. E. Bochinsky, Frankfurt / M. 1975, ISBN 3-920112-54-7 .
• Jürgen Meyer: Akustikk og musikalsk ytelse. E. Bochinsky, Frankfurt / M. 2004, ISBN 3-932275-95-0 .
• Christoph Reuter : klang og instrumentering. Habil. Lang, Frankfurt 2002, ISBN 3-631-50272-9 .
• Erich Schumann: Fysikk av tømmer. Habiliteringsoppgave ved Universitetet i Berlin, 1929.
• Erich Schumann: Fysikk av tømmer. Breitkopf & Härtel, Leipzig 1940 (bind II).
• Johan Sundberg: Science of the Singing Voice. Oversatt av Friedemann Pabst, Orpheus, Bonn 1997, ISBN 3-922626-86-6 .
• Uta Konzelmann: Vokalfeltmålinger hos korsangere før og etter trening med spesiell omtanke for sangerformanten. Diss., Erlangen / Nürnberg 1989.
• Hannes Raffaseder: Audiodesign. Fachbuchverlag Leipzig, 2002.
• Wolfgang Saus: Korfonetikk - når vokaler styrer intonasjonen. VOX HUMANA 11.1, februar 2015, s. 22–26 (PDF; 170 kB).
• Eglė Alosevičienė: Grunnleggende om fonetikk og fonologi. Vilnius universitet, Det humanistiske fakultet, Kaunas 2009, ISBN 978-9955-33-413-2 (PDF; 929 kB).

DVD-ROM

• Bernhard Richter, Matthias Echternach, Louisa Traser, Michael Burdumy, Claudia Spahn: The Voice. Innsikt i de fysiologiske prosessene som er involvert i sang og tale. 2017, Helbling, DVD-ROM.

weblenker

Wiktionary: Formant  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• Vokaltrekant - frekvensposisjon for de to første formantene. (PDF; 178 kB).
• Formants former klangfargen. (PDF; 22 kB).
• Lesing av sonogrammer - vokaler og formanter.
• På viktigheten av formanter i tonehøyde. (Engl.).
• Walter F. Sendlmeier, Julia Seebode: Formante kart over det tyske vokalsystemet. (PDF; 388 kB). TU Berlin, Institutt for språk og kommunikasjon.
• Tanja Schultz , Michael Wand: Biosignaler og brukergrensesnitt. Biosignal: språk. Produksjon, persepsjon, egenskaper. ( Memento av 8. oktober 2019 i Internet Archive ). (PDF; 2,3 MB). Foredrag WS 2012/2013, Universitetet i Karlsruhe.

Individuelle bevis

1. ↑ artikulasjon. Modifisering av luftstrømmen. Del A. Konsonanter, fonetikk. (PDF; 711 kB), Universitetet i München, åpnet 6. mai 2020.
2. ↑ Se f.eks. B. Fabian Bross: Grunnleggende om akustisk fonetikk . I: Helikon. En tverrfaglig online journal . teip 1 , 2010, s. 101 f . ( helikon-online.de [PDF; 1,2 MB ; åpnet 6. mai 2020]). 
3. ↑ Alexander Berghaus , Gerhard Rettinger, Gerhard Böhme: Øre-, nese- og halsmedisin . Hippokrates, Stuttgart 1996, ISBN 3-7773-0944-3 , K. Phoniatrie und Pedaudiology, 1.1.2 Undersøkelsesmetoder, s. 649 ( archive.org [PDF; åpnet 28. juni 2020]). 
4. ^ Etter Christian Lehmann: Die Sprachlaute I: Vokaler. 19. april 2019, åpnet 6. mai 2020.
5. ^ Bernhard Richter, Matthias Echternach, Louisa Traser, Michael Burdumy, Claudia Spahn: Stemmen. Innsikt i de fysiologiske prosessene som er involvert i sang og tale. 2017, Helbling, ROM-DVD.