Puheen akustiikan perusteita Mitä puhe on? 2.luento Martti Vainio Äänet, resonanssi ja spektrit Fonetiikan laitos, Helsingin yliopisto Puheen akustiikan perusteita p.1/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.2/37 Puhe äänenä Kaikki äänteet ovat luonteeltaan ns. seosääniä. Ts. ne ovat komplekseja ja sisältävät useita taajuuksia. Seosäänet voidaan analysoida osiinsa. Ne koostuvat siniaalloista, jotka yhdessä tuottavat äänelle sen luontaisen spektrin. Äänentuottojärjestelmän resonanssit antavat äänille niiden tunnistettavat luonteen. Puheentuotossa ääniväylän tuottamat resonanssit ovat puheen kannalta kaikkein olennaisimpi piirteitä. Äänen tuotto ja eteneminen Ääni syntyy hiukkasten muuttaessa jonkin ulkoisen häiriön (disturbance) vuoksi paikkaansa aineessa. Ulkoisen toiminnan tuottaman häiriö etenee aineessa sen muodostamien hiukkasten edestakaisena liikkeenä. Puheessa ääni tuotetaan aiheuttamalla paikallinen häiriö ilmahiukkasten liikkeeseen jossain kohtaa ääniväylää. Esim. vokaalien aikana nämä häiriöt ovat äänihuulten välisen raon glottiksen umpeutumisesta ja avautumisesta ulosvirtaavaan hengitysilmaan johtuvia pulsseja. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.3/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.4/37
Äänen nopeus vs. hengitysilma Yksinkertainen harmoninen liike Äänen nopeus ilmassa on n. 330 m/s. Se etenee suhteellisen nopeasti verrattuna hengitysilman virran nopeuteen; n. 0.3 m/s. Näin ollen ilmavirran itse aiheuttamat häiriöt ns. glottispulssit etenevät ääniväylässä huomattavasti sitä itseään nopeammin n. 1200 km/s vs. n. 1,8 km/s. voidaan kuvata tasaisena liikkeenä ympyrässä. Heilurin kaltainen liike S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.5/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.6/37 Harmoninen liike ympyrässä Yhdenmukainen (uniform) ympyräliike voidaan kuvata kahden muuttujan avulla: täyteen kierrokseen vaadiittu aika periodi ja liikkuvan pisteen etäisyydellä ympyrän keskipisteestä amplitudi. Heilurin liike Ilmassa etenevän äänen suhteen nämä kaksi ovat ilmahiukkasten yhden edestakaisen värähtelyn periodin kesto ja niiden liikkeen koko. Ajassa heilurin liike muodostaa siniaallon. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.7/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.8/37
Siniaalto Siniaalto (jatkoa) Siniaallon liikemäärää kutsutaan siis sen amplitudiksi. Se on yhtä kuin värähtelyn ekstensio lepotilasta. Puheen sisältämät taajuudet ovat 50 Hz:n ja 10 khz:n välillä. Ne siis käytännössä kattavat suurimman osan kuultavista taajuuksista. Siniaallon jakso (periodi) on yhden täydellisen syklin vaatima aika, joka useinmiten ilmaistaan taajuutena (frekvenssi) ja edelleen hertzeinä (Hz) = periodia/sekunti. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.9/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.10/37 Siniaaltojen taajuudet Vaimeneminen Todelliset värähtelevät järjestelmät eivät koskaan ole ideaaleja ja niiden tuottama värähtely on aina vaimenevaa. Esim. ilman sisäinen kitka aiheuttaa siinä etenevän aallon amplitudin vaimenemista. Sinimäinen vaimentunut aalto ei siis ole puhdas siniaalto koska sen amplitudi ei ole vakio. Vaimentuneet siniaallot voidaan kuitenkin analysoida joukoksi eritaajuisiksi siniaalloiksi. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.11/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.12/37
Resonanssi Ilman värähtely pullossa Värähtelevä objekti tekee sen aina sille ominaisella taajuudella esim. heilurin ns. resonanssitaajuus määräytyy sen fysikaalisten ominaisuuksien pituuden ja painon mukaan. Toinen esimerkki on ilman värähtely pullossa voimme saada pullossa olevan ilmapatsaan värähtelemään esim. aukaisemalla korkki äkkinäisesti tai puhaltamalla viistosti pullon suulle. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.13/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.14/37 Värähtelyn taajuus Edellisessä kuvassa kahteen aallon lepotilasta edestakaiseen matkaan kului 2 millisekuntia tai 1/500 s. Tämä on siis yhden periodin kesto. Sykli toistuu siis 500 kertaa sekunnissa ja on pullon matalin resonanssitaajuus. Edellisen kuvan pullon tuottaman värähtelyn taajuus on riippuvainen pullon koosta mitä korkeampi pullo, sen matalampi poksahdus"pulloa avattaessa kuuluu. Voimme laskea pullon tuottaman äänen taajuuden äänen nopeuden ja pullon korkeuden avulla. Taajuus: Värähtelytaajuuden määrittäminen Toisesta päästä avoimen putken resonanssin määrittelevät seuraavat rajoitteet: aallon hiukkasnopeuden pitää olla suljetussa päässä minimissään ja avoimessa päässä maksimissaan. Vastaavasti paineen täytyy olla avoimessa päässä minimissään. Resonanssitaajuudet: f = c (2n 1) 4L jossa n on mikä tahansa kokonaisluku ja L on putken pituus. f = c λ S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.15/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.16/37
Resonanssitaajuudet Hiukkasnopeus vs. paine 17.5 cm 1/4 λ 3/4 λ S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.17/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.18/37 Resonanssit puheessa Puheessä esiintyvät resonanssit tuotetaan edellä kuvattujen prosessien mukaisesti. Vokaaleja tuotettaessa ilmavirtaan glottiksessa tuotetut katkokset"etenevät farynksin kautta suuonteloon paineaaltoina, jotka edelleen heijastuvat takaisin ääniväylään suuaukolla (käänteisinä). Äänihuulet toimivat toisessa päässä heijastavana pintana. Tyypillisesti miesäänellä äänihuulipulssin väliin mahtuu kymmenkunta edestakaista heijastusta siis n. viisi periodia. Formantti Puheessä ääniväylän resonansseja kutsutaan formanteiksi. Miehillä, joiden ääniväylän keskimääräinen pituus on 17.5 cm, alin resonanssitaajuus siis formantti on n. 500 Hz. Ääniväylässä kuten kaikissa putkissa on myös muita, taajuudeltaan korkeampia, resonansseja. Itse asiassa lähes kaikki äänteet eroavat toisistaan juuri resonanssitaajuuksiensa ja näin ollen formanttiensa suhteen. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.19/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.20/37
Spektrianalyysi Mikä tahansa aaltomuoto voidaan luoda summaamalla keskenään joukko siniaaltoja, joilla on oikeanlaiset taajuudet ja amplitudit. Vaimentuva siniaalto Näitä siniaaltoja, joista kompleksit äännökset koostuvat, kutsutaan niiden komponenteiksi. Analysoidaksemme minkä tahansa kompleksin äänen, etsimme jollain keinolla sellaisest komponentit, jotka summattuina tuottavat analysoimme äänen yleensä tähän käytetään Fourier analyysiä. 500 Hz:n siniaalto on täysin synkroninen vastaavan vaimentuvan aallon kanssa. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.21/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.22/37 Kompleksi ääni Spektrin osat Kolme siniaaltoa voidaan summata yhdeksi vaimentuvaksi aalloksi. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.23/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.24/37
Toistuva vaimentuva aalto...... ja sen spektri Edellistä kuvaa vastaava spektri, joka koostuu 100 Hz:n 500 Hz:n vaimentuva aalto, jota toistetaan 100 millisekunnin välein. kerrannaisista siten, että voimakkain huippu vastaa toistetun vaimentuvan aallon taajuutta (500 Hz). S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.25/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.26/37 Perustaajuus Edellisen kuvan 100 Hz:n komponentti on sen ns. perustaajuus (fundamental frequency). Esimerkki puheesta 0.5618 Spektriä, joka koostuu perustaajuutensa kerrannaisista, kutsutaa harmoniseksi spektriksi. Vastaavasti kerrannaistaajuuksia kutsutaan harmonisiksi osasäveliksi. Osasävelten voimakkuus/amplitudi näkyy spektrissä sen 0 korkeutena. Spektriä, joka koostuu osasävelistä, kutsutaan usein viivaspektriksi (line spectrum), jonka vastakohta on jatkuva spektri (continuous spectrum). 0.4538 0 0.0287075 Time (s) Aaltomuoto keskeltä pitkää [ ]-vokaalia sanassa [ ]. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.27/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.28/37
Esimerkki puheesta Sound pressure level (db/hz) 40 20 Pulsseista puheeksi Glottispulsseista lähtöisin olevat äänteet ovat kokonaisuudessaan resonanssivärähtelyistä koostuva kombinaatio, joka säteilee suuaukosta. Jokainen resonanssivärähtely vaimentuu lähes kokonaan ennen seuraavaa pulssia. Pulssit toistuvat kuitenkin niin usein ja tasaisin välein, että havaitsemme vain jatkuvan soinnillisen äänteen useinmiten kyseessä on vokaali. 0 0 2000 Frequency (Hz) Esimerkki n. 100 millisekuntia pitkästä osasta [ ] - vokaalia. Perustaajuus on n. 105 Hz. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.29/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.30/37 Glottispulssi ja aaltomuoto Glottaalinen hiukkasnopeus ja siitä johtuva aaltomuoto soinnillisen äänteen alussa. Aperiodiset äänteet Puhe sisältää myös ei-periodisia ääniä Ne voivat syntyä kahdella tavalla: 1. Yhtäkkinen (transientti) paineen vapautuminen esim. klusiilien sulkeumavaiheen jälkeen. 2. Ääniväylässä olevan kaupeuman aiheutta turbulenssi ilmavirrassa. Näinen äännösten spektrit muodostuvat niiden lähteen muodostasta spektristä sekä ääniväylän resonanssien vaikutuksesta alkuperäiseen ääneen. S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.31/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.32/37
Ääntöelimistö skemaattisesti Puheentuotto S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.33/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.34/37 Ihmisen äänentuottomekanismi skemaattisesti Artikulaatiopaikat ääniväylässä S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.35/37 S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.36/37
Artikulaatiopaikat: 1. huulet (bi)labiaalinen 2. huulet + ylähampaat labiodentaalinen 3. hampaat dentaalinen 4. hampaiden takapinta post-dentaalinen 5. hammasvalli alveolaarinen 6. (kova) kitalaki palataalinen 7. kitapurje velaarinen 8. nielu faryngaalinen 9. nielu faryngaalinen 10. kurkunpää faryngaalinen 11. kielen kärki apikaalinen 12. kielen lapa koronaalinen, laminaalinen 13. kielen selkä dorsaalinen 14. kielen tyvi radikaalinen 15. kielen alapinta sublaminaalinen S-114.770 Kieli kommunikaatiossa... Kevät 2001 p.37/37