Kann man mit dem Bauch reden? Eine physikalische ... - JavaPsi

2 LAUTENTSTEHUNG BEIM MENSCHEN 1
1 Einleitung
2 Lautentstehung beim Menschen
Bei der Lauterzeugung muss zwischen der Schallerzeugung an den Stimmbändern und der Schallmodifikation
des restlichen Vokaltrakts unterschieden werden.
2.1 Stimmhafte Anregung durch die Glottis
Aus der Lunge strömt Luft nach oben in Richtung der Stimmbänder. Der dadurch aufgebaute
Druck wird so groß, dass er eine kurzzeitige Öffnung der Stimmbänder und somit der Glottis
1 bewirkt. Während der Öffnung entweicht die Luft in den Vokaltrakt und der Druck auf die
Stimmbänder verringert sich, so dass sich die Glottis wieder schließt – bis der Druck erneut für
eine Öffnung ausreicht. So entsteht ein periodisches Öffnen und Schließen der Glottis, welches zu
einem Schallsignal führt. Oftmals werden die beiden Stimmbänder durch ein Zwei-Massen-Modell
simuliert, da diese das Öffnen und Schließen der Stimmbänder in Abhängigkeit des auf sie wirkenden
Drucks gut beschreiben können. Das gleiche Phänomen ist auch beim Entweichen von Luft
aus einem Luftballon, dessen Öffnung auseinander gezogen wird, zu beobachten. Der entstehende
Grundlaut muss im Vokaltrakt nun noch zu einem vollständigen Laut umgeformt werden.
2.2 Filterfunktion des Vokaltrakts
Die verschiedenen Artikulatoren (Zunge, Velum, Kiefer, Lippe) bestimmen die Geometrie des Vokaltrakts.
Von dieser Geometrie ist die weitere Entwicklung des aus der Glottis kommenden Schallsignals
abhängig. Um den Einfluss der Vokaltraktgeometrie auf die Lautbildung herauszufinden,
können verschiedene Modelle betrachtet werden. In den Kapiteln 3.1 und 3.2 werden wir insbesondere
auf das einfache Röhrenmodell und das von Birkholz weiterentwickelte Mermelstein-Modell
eingehen.
2.3 Physikalisch-akustische Beschreibung von Glottis und Vokaltrakt
Fasst man die Anregungsfunktion der Glottis als Quelle, die Übertragungsfunktion des Vokaltrakts
als Filter auf, so entsteht das in Abb. 4 gezeigte Quelle-Filter-Modell für die Lautbildung.
Glottis
Die durch das periodische Öffnen und Schließen der Glottis entstehenden Schallwellen haben einen
Schalldruck p, der die lokale Veränderung des Luftdrucks gegenüber dem Normaldruck beschreibt.
Neben dem Schalldruck kann die Schallwelle auch durch eine Schallschnelle v dargestellt werden,
die die Oszillation der einzelnen Luftteilchen angibt. Multipliziert man die Schallschnelle v mit
der Querschnittsfläche A des Rohrs, so erhält man den Volumenstrom oder Schallfluss u = v · A.
Der Quotient aus Schalldruck und Volumenstrom wird als akustische Impedanz p
u bezeichnet.
Vokaltrakt
Von der Glottis kommt nun ein Signal x(t) in den Vokaltrakt. Dieses Eingangssignal kann durch
Linearkombinationen von Diracimpulsen δ(t) beschrieben werden. Die Modifikation dieser Impulsfunktion
im Vokaltrakt wird als Impulsantwort h(t) des Systems bezeichnet. Das schließliche
Ausgangssignal y(t) erhält man mathematisch betrachtet aus der Faltung y(t) = x(t)∗h(t) des Eingangssignals
mit der Impulsantwort (vgl. [16]). Wichtig ist insbesondere, dass die Impulsantwort
das akustische System des Vokaltrakts vollständig beschreibt.
Während die Impulsantwort das Endsignal y(t) im Zeitbereich liefert, vermag die sog. Übertragungsfunktion
H(ω) angewandt auf das Eingangssignal X(ω) das Endsignal Y (ω) im Frequenzbereich,
d.h. in Abhängigkeit der ω anzugeben. Zur Analyse am Computer muss das zeitkontinuierliche
Endsignal y(t) mit einer bestimmten Abtastfrequenz fA abgetastet werden, d.h. y(t) wird
1 Als Glottis bezeichnet man den Hohlraum zwischen den beiden Stimmbändern.