AKUSTICKÁ MĚŘENÍ Frekvenční spektrum lidského hlasu

Transkript

1 AKUSTICKÁ MĚŘENÍ Frekvenční spektrum lidského hlasu Stáhněte si z internetu program Praat a Madde (viz seznam pomůcek) a přineste si vlastní notebook. Bez tohoto nelze praktikum absolvovat (pokud budete mít jakýkoli problém, kontaktujte Mgr. Hanu Šrámkovou (hana.sramkova@upol.cz)). A. ZADÁNÍ 1. Pomocí programu Praat a mikrofonu si vytvořte vlastní nahrávku : samohlásky [a:], [e:], [i:], [o:], [u:] (každou 3 x kvůli zachycení variability při vyslovení samohlásky) 5 sekund ticha (šumu) řeč (své jméno) nejnižší a nejvyšší frekvenci jaké jste schopni dosáhnout 2. Podívejte se, jak vypadá záznam signálu, v čem se záznamy liší a seznamte se se základním ovládáním a funkcemi programu Praat (pitch, spectrum, FFT, ). 3. Určete základní frekvenci (F 0 ) jedné ze samohlásek pomocí změření periody, odečtením vyšších harmonických frekvencí ze spektrogramu i FFT. a) z periody vlny viditelné v zobrazení časového průběhu vlny - pro zlepšení přesnosti změřte u časového průběhu více period a spočítejte průměr. Ke každému měření vložte obrázek signálu, ze kterého jste při měření vycházeli a který bude dokumentovat umístění kurzorů při měření tak, aby bylo možno poznat, jak jste postupovali. b) ze spektra samohlásky zde využijte vyšší harmonické frekvence pro zvýšení přesnosti měření c) z FFT spektra samohlásky (ctrl+l) 4. Vyzkoušejte si různá nastavení spektra : úzko/široko-pásmové spektrum. Pomocí spektrální analýzy určete přibližně frekvence formantů F 1 a F 2 při vyslovení samohlásek a vytvořte graf závislosti formantů. V případě, že si nejste úplně jisti, kde vaše formanty leží, vytvořte si novou nahrávku s využitím ingresivní fonace. 5. Určete nejnižší a nejvyšší základní frekvenci (F 0 ) při řeči. 6. Určete nejnižší a nejvyšší frekvenci, jaké jste schopni dosáhnout. 7. Seznamte se s programem Madde a vyzkoušejte si různá nastavení dvou základních formantů pro různé samohlásky a vliv dalších formantů na barvu hlasu. B. SEZNAM POMŮCEK Vybavení : notebook, mikrofon (headset) Programy : Praat (freeware, zdroj : ) Madde (freeware, zdroj : )

2 C. PROTOKOL Vypracoval/a : Spolupracoval/a : Datum měření: Převzal/a : 1) Přehled problematiky (obsahuje stručný popis dané experimentální metody) 2) Seznam pomůcek 3) Úkoly : ÚKOL Č.1: Změřte jakou frekvencí kmitají vaše hlasivky při pohodlném vyslovení samohlásky [a]. Měření proveďte: a) z periody Všechny změřené hodnoty doložte v tabulce! b) ze spektra samohlásky c) z FFT spektra samohlásky F=1/T ÚKOL Č.2: Zjistěte nejnižší a nejvyšší základní frekvenci při řeči (vyslovení jména) Měření proveďte stejnými způsoby jako v úkolu č.1. ÚKOL Č.3: Zjistěte jakou nejnižší a jakou nejvyšší frekvenci jste schopni dosáhnout svým hlasem. Měření proveďte stejnými způsoby jako v úkolu č.1. ÚKOL Č.4: Pomocí spektrální analýzy určete přibližně frekvence formantů F 1 a F 2 u vašeho hlasu při vyslovování samohlásek [a:], [e:], [i:], [o:], [u:]. Doložte všechna měření grafy spekter.

3 F2 [Hz] Vyhodnocení: Samohláska 1. formant [Hz] [u:] [u:] [u:] [o:] [o:] [o:] [a:] [a:] [a:] [e:] [e:] [e:] [i:] [i:] [i:] (* Palková, 1994) 1. formant: normální rozmezí [Hz] * 2. formant [Hz] 2. formant: normální rozmezí [Hz] * ÚKOL Č.5: Z určených hodnot vytvořte graf F 1 versus F 2 pro vaše samohlásky. Graf vytvořte tak, aby měl všechny potřebné náležitosti správný popis os, včetně použitých jednotek a rozlišení jednotlivých samohlásek (viz příklad dole). Pro vytvoření grafu použijte buď program MsExcel, případně jiný speciální software pro tvorbu grafů, který je vám dostupný (např. Origin, Sigma Plot, atd.). Formanty samohlásek (výukový příklad) u o a e i F1 [Hz] Obr. 1: Graf změřených formantů samohlásek (F 1 versus F 2 ): zde uvedený výukový příklad nahraďte vaším grafem). 4) Závěr (diskutujte výsledky a poté stručně shrňte význam dané úlohy)

4 D. TEORIE 1. Teorie frekvenčního spektra hlasu (obrázky a grafy v tomto textu jsou převzaty z přednášek dr. Švece, viz Literatura) ZVUK Zvuk je mechanická vlna, t.j. změny tlaku přenášené pevnou, kapalnou či plynnou látkou, obsahující frekvence v pásmu slyšitelnosti. Frekvenční pásmo slyšení člověka je Hz (někdy uváděno Hz). Druhy zvuků A) Tóny : periodický průběh vlny B) Šumy : neperiodický průběh vlny Tóny 1) Čisté tóny - sinusový průběh v čase. Jsou to nejjednodušší tóny, ale v přírodě se běžně nevyskytují. Jsou plně charakterizovány frekvencí f [Hz] a amplitudou. Spektrum čistých tónů vykazuje zesílení pouze na jedné frekvenci. 2) Složené tóny - zvuky, ve kterých je tvar zvukové vlny periodický ale není sinusový. Spektrum složených tónů je harmonické : skládá se ze základní frekvence a jejích celočíselných násobků (tzv. harmonických tónů viz dále). Harmonické tóny zodpovídají za barvu zvuku. Barva zvuku umožňuje od sebe odlišit dva různé tóny na stejné frekvenci (rozlišení konkrétních osob, zvuky hudebních nástrojů klavír, kytara, trubka atd.)

5 Šumy Jsou to složené zvuky, které jsou neperiodické. Jejich časový průběh je nepravidelný. Spektrum šumů je neharmonické, může být spojité a skládá se z mnoha různých frekvencí. Vznik frekvenčního spektra hlasu teorie zdroje a filtru Kmitáním (uzavíráním a otevíráním) hlasivek vzniká základní frekvence hlasu a to podle rychlosti jejich kmitů (př. 100 Hz znamená, že hlasivky se otevřou a zase zavřou 100-krát za sekundu). Takovýto zvuk je pouze prvotní a je dále modifikován rezonančními dutinami vokálního traktu (viz dále). Hlasivky jsou tedy ZDROJEM zvuku hrtanového tónu.. Nad hlasivkami se nachází tzv. vokální trakt (zahrnující hrtanovou, hltanovou a ústní dutinu), který zvuk vytvořený hlasivkami dále ovlivňuje. Dochází zde k rezonancím (různým zesílením a zeslabením zvuku) a filtracím - jde tedy o tzv. FILTR. Zvuk vycházející z úst je finální hlas o základní frekvenci (frekvenci hlasivek) a dalšími tzv. harmonickými frekvencemi, které jsou zesíleny v oblastech formantů (vznikají rezonancemi dutin vokálního traktu (viz dále)). Harmonické frekvence Základní frekvence hlasivek je označována jako F 0 a je také první harmonickou frekvencí H 1. Vlivem rezonancí vznikají ve vokálním traktu harmonické frekvence, které jsou celistvými násobky základní frekvence.

6 Frekvenční spektrum Spektrum vysokého tónu (400 Hz) a nízkého tónu (100 Hz): Formanty Vlivem rezonancí ve vokálním traktu vznikají tvz. formanty a bývají značeny F 1, F 2, F 3 atd. (zatímco základní frekvence hlasu je značena F 0 ). Jde o koncentraci akustické energie kolem určité frekvence. Formant je charakteristický tón vokálního traktu, který se projeví jako vrchol/zesílení ve frekvenčním spektru hlasu. Nazývá se formantem, neboť formuje hlásku.

7 Samohlásky Z fyzikálního hlediska jsou samohlásky složené tóny s minimem šumu. Jejich základní frekvence je závislá na individuálních hlasových charakteristikách každého člověka. Samohlásky jsou určeny dvěma nejnižšími formanty - F 1 a F 2, které jsou charakterizovány tvarem vokálního traktu. Tvar traktu během řeči měníme podle polohy mluvidel např. jazyka, otevření úst nebo rtů. Pokud se tyto dva formanty odstraní (odfiltrují), samohlásku není možno rozpoznat (C. Stumpf, 1926). samohlásek Obr. Frekvenční spektrum Obr. Tvar vokálního traktu při fonaci různých samohlásek (magnetická rezonance)

8 Poloha formantů u českých samohlásek Formanty F 1 a F 2 : Při změně samohlásky z /u/ přes /o/ na /a/ oba dva formanty stoupají Při změně samohlásky z /a/ přes /e/ na /i/ formant F 1 klesá, zatímco F 2 stoupá Samohláska F 1 pásmo [Hz] F 2 pásmo [Hz] [u:] [o:] [a:] [e:] [i:] (Palková, 1994) 2. Spektrum : FFT (Fast Fourier Transformation) a spektrografie Jeden ze způsobů frekvenční analýzy signálu je tzv. rychlá Fourierova transformace/analýza (FFT). Základním principem FFT je rozložení jakéhokoli signálu do jednoduchých (čistých) tónů (sinusovek) o různých frekvencích a fázích. Graficky je pak zobrazeno zastoupení těchto frekvencí v signálu a jejich síla (amplituda/intenzita/hladina akustického tlaku, ). Obr. Rozklad signálu na nejjednodušší vlny (základní princip FFT) (zdroj : Obr. Frekvenční spektrum signálu na základě FFT Další možností je spektrografie - zobrazení frekvenčního spektra zvuku (hlasu/řeči) v čase. Signál je analyzován pomocí filtrů s nastavitelnou šířkou propustného pásma široko či úzkopásmová spektra. Při spektrografii je vyhodnocována intenzita signálu v různých frekvenčních pásmech a ta se zobrazí mírou zčernání.

9 2 typy spektrogramu : a) úzkopásmový - šířka propustného pásma Δf filtrů je řádově desítky hertzů - vhodný pro sledování změn základní frekvence signálu - vysoké frekvenční rozlišení Δf = pomalé časové rozlišení Δt b)širokopásmový - šířka propustného pásma Δf filtrů je řádově stovky hertzů - vhodné pro zobrazování formantů - rychlé časové rozlišení ale malé frekvenční rozlišení - objevují se zde vertikální čáry, které jsou synchronizované s jednotlivými periodami kmitů Vztah mezi časovým a frekvenčním rozlišením je : Δt = 1/Δf (časové rozlišení ~ délka okna v nastavení Spectrum settings v programu Praat). Čím lepší/rychlejší časové rozlišení, tím menší/horší frekvenční rozlišení. Obr. Spektrogram českých samohlásek: úzkopásmový (nahoře) a širokopásmový (dole) 4. Práce s programem Praat Praat - nahrávání Pro vytvoření vlastní nahrávky klikněte na New Record mono sound. Nastavte vzorkovací frekvenci (sampling frequency = počet vzorků za sekundu) na Hz a pojmenujte soubor (např. a, e, i, sum, jmeno, ). Nastavte si mikrofon tak, abyste jej měli v těsné blízkosti úst, ale ne přímo před nimi. Tak lze zabránit šumu vznikajícímu při fonaci prouděním vzduchu z úst. Klikněte na Record, vyčkejte cca 1 sec a poté začněte s fonací. Klikněte na Stop a Save to list a nahrávka se objeví v hlavním okně programu. Klikněte na View & Edit a vytvoří se okno se záznamem fonace. Pro výběr části nahrávky, klikněte levým tlačítkem myši a táhněte. Vyznačenou oblast zobrazíte kliknutím vlevo dole na sel. Praat - spektrum Vlevo nahoře vyberte možnost Spectrum a rozklikněte Spectrogram settings. Zde nabízí Praat možnost nastavení zobrazeného frekvenčního rozsahu (View range) a délku okna (Window length, Δt), která souvisí s šířkou pásma Δf. Pro odečet základní frekvence a formantů si nastavte rozsah 0 - cca 2000 Hz (přizpůsobte vlastním potřebám, u formantů může být frekvence až 4000 Hz). Délka okna se nastavuje podle výběru pásma mezi cca 0,005 a 0,1 s. Stiskem klávesnic ctrl+l se zobrazí spektrum vybrané oblasti (FFT).

10 E. LITERATURA Švec J. (2012): přednášky : Biomechanika, Biomechanika hlasu a Hlas, řeč, sluch (2012) Palková Z. (1994): Fonetika a fonologie češtiny, Karolinum, Praha, 2.vyd. 1997, 360 s.