Sprachliche Mensch-Maschine-Kommunikation

5. Akustische Grundlagen
Zum Verständnis der Spracherkennung und insbesondere zum Verständnis
der dabei verwendeten Algorithmen für die Verarbeitung von Sprachsignalen
sind Kenntnisse über die physikalische Natur von Sprachsignalen nützlich. In
diesem Kapitel werden die Eigenschaften von Schall, dem Träger von Sprachsignalen
beschrieben.
5.1 Was ist Schall
Aus physikalischer Sicht ist Schall eine Longitudinalwelle, die sich in einem
Medium ausbreitet. Das Medium bestimmt nicht nur die Ausbreitungsgeschwindigkeit
sondern auch die Dämpfung verschiedener Frequenzbereiche.
Bei der Ausbreitung von Schall bewegen sich die Moleküle des Mediums,
indem sie die Anregung durch die Schallquelle in Ausbreitungsrichtung
weitergeben. Wenn wir von Schall sprechen, denken wir beim Medium
meistens an Luft. Bei Luft, genauso wie bei anderen Gasen, ändert sich
der Druck durch Kompression des Mediums. Bei anderen Medien (z.B. bei
Flüssigkeiten) scheidet Kompression aus, aber auch bei solchen Medien gibt
es Druckwellen, bzw. Eigenschwingungen und Resonanzen.
Eine elementare Schallwelle zeichnet sich dadurch aus, daß der Druck an
einer Stelle sich wie eine Sinusfunktion verhält, also beschreibbar ist durch
eine Wellenlänge, eine Amplitude und eine Phase. Jeder konstante Ton ist
die Überlagerung von elementaren Wellen.
Für die Spracherkennung ist nur die Schallübertragung durch die Luft
interessant. Der Luftdruck wird in Pascal (Pa) gemessen. Der durchschnittliche
Luftdruck auf der Erdoberfläche beträgt 10 5 Pa (der Standard
Luftdruck, 10 5 Pa = 1 bar). Der kleinste Druckunterschied, den wir als
hörbar empfinden, beträgt etwa 10 −5 Pa (= 10 − 10 bar). Das sind zehn
Größenordnungen kleiner als der Standard Luftdruck. Eine sehr laute
Schallquelle, z.B. der Knall beim Abfeuern einer Gewehrkugel, erzeugt
in unmittelbarer Umgebung ein Geräusch, dessen Luftdruckschwankung
nur ca. 10 2 Pa erreicht. Das ist weniger als der Unterschied zwischen dem