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Ulrich Reubold
Longitudinal studies of ageing
Jeder ‚kennt‘ die Auswirkungen des Alterns auf die Stimme:
Queen Elizabeth II 1954 (28 Jahre alt) bzw. 1997 (71)
oder:
Alistair Cooke, BBC-Sendung „Letter from America“ 1960 (52) und 1970 (62)
Doch was ändert sich eigentlich wie und warum?
Bevor wir diese Frage angehen, müssen wir fragen:
Was passiert mit dem Körper, wenn er altert?
Mit zunehmendem Alter verändern sich die Körperzellen. Verantwortlich hierfür:
Programmatisches Altern: In jeder Zelle ist angelegt, wie alt sie maximal
werden kann (programmierter Zelltod); so verkürzen sich z.B. die Telomere
(=Chromosomenenden) bei jeder Zellteilung bis zu einem kritischen Minimum,
Stopp weiterer Zellteilungen oder gar Zelltod
-erblich
-Einfluss abhängig davon, ob/wie oft sich Zellen betroffener Organe teilen
Schäden durch äußere Einflüsse: Durch den Stoffwechsel werden jeder Zelle
Stoffe von außen zugeführt; diese Umwelteinflüsse können zu
Schäden z.B. an der DNA führen, deren Kumulation die Zellfunktion
beeinträchtigt
-kann alle Zellen betreffen
-ist verhaltensabhängig
Vererbung als auch Verhalten/Lebensumstände beeinflussen also das Altern
der Zellen
 Physiologisches Alter vs. Chronologisches Alter
Unterschiedlich schnelles Altern einzelner Körperpartien
viele Zellteilungen (z.B. Schleimhäute, Knochen)eher programmatisch
wenige/keine Zellteilungen (Muskeln, Nerven)eher durch
Umwelteinflüsse
Durch Hormoneinflüsse altern die Geschlechter unterschiedlich
Allein diese Unterschiede lassen uns eine hohe Variablilität erwarten,
wenn wir das Altern des Körpers und somit auch der Stimme untersuchen
wollten  hierzu später mehr
Zu welchen Veränderungen führt die Zellalterung
im Körper eines Erwachsenen?
Beschränkung auf nicht krankheitsbedingte Veränderungen (obwohl Krankheiten
mit zunehmendem Alter vermehrt auftreten); zusätzlich Ausschluss externer
Faktoren wie z.B. Nikotin- oder Alkoholabusus:
-Abnahme der Anzahl der Neuronen und der Synapsenaktivität
Auswirkungen auf motor control; Verlangsamung
-Verringerung der Lungenfunktion
mehr und längere Atempausen nötig, eventuell Veränderungen
des subglottalen Drucks
-Abnahme der Muskelmasse
Auswirkungen auf Phonation und Artikulation
Zu welchen Veränderungen führt die Zellalterung
im Körper eines Erwachsenen?
-Bindegewebe verliert an Elastizität, Collagenfasern werden brüchiger; die
morphologische Struktur ändert sich (manche Schichten dünner, andere dicker
(auch Ödeme=Flüssigkeitsansammlungen))
Beeinträchtigung der Phonation, Veränderung der
Form des Ansatzrohres
-Funktionsverringerung des Drüsengewebes (z.B. Speicheldrüse)
führt zu zunehmender Austrocknung
Beeinträchtigung der Phonation
-Zunehmende Kalkeinlagerung und Verknöcherung der Knorpel
Beeinträchtigung der Phonation
-Abnehmendes Hörvermögen
Auswirkungen auf Kontrolle und SPL (sound pressure level)
Zu welchen Veränderungen führt die Zellalterung
im Körper eines Erwachsenen?
Grundsätzlich:
Unterfunktion
Kompensation möglich
so auch Hyperfunktion möglich (Ramig et al 2001)
Lassen sich diese angenommenen Auswirkungen bestätigen?
-Subglottaler Druck sinkt mit dem Alter laut Sapienza&Dutka 1996 und
Higgins&Saxman 1991 (bei Männern deutlicher),jedoch nicht laut
Melcon et al 1989, Holmes et al 1994, Baker et al 2001
-Laryngale EMG-Amplituden sinken laut Baker et al 1989, histologische Befunde
bestätigen Atrophie u.a. des m. vocalis (Hommerich 1972, Sato&Tauchi 1982)
-jitter steigt altersabhängig laut Wilcox&Hori 1980, Linville 1985 u.a., jedoch
nicht laut Awan 2006
-ähnlich widersprüchliches Bild für shimmer
-Stimmqualität: breathiness steigt bei Ryan &Burk 1974, bei Linville 2002
verändert sich die spektrale Verteilung bei weiblichen Sprachsignalen, beides
wird jedoch als breathiness-marker interpretiert (‚andere‘ breathiness-Qualität)
f0/pitch
-f0-Pertubation steigt (siehe vorige Folie)
-pitch range verringert sich (fehlende „Lebendigkeit“) z.B. laut Endres et al 1971;
Uneinigkeit, ob die Höhe (Yannoulis&Yannatos 1966) oder die Tiefe
(Böhmer&Hecker 1970) verloren gehen
-f0 mean: Je nach Untersuchung steigt (Shipp&Hollien 1969)
oder fällt (die meisten anderen U.) f0 mean bei Männern. Hollien&Shipp 1972
(20- bis 89-Jährige) fanden eine annähernde U-förmige Verteilung der f0-Werte
von Männern, stetiges Abfallen bei Frauen.
Im Gegensatz hierzu findet Linville 2002 für Frauen einen
recht abrupten Abfall der f0, der mit dem Eintreten der Menopause korreliert.
Jedenfalls scheint sich f0 mean geschlechtsspezifisch zu ändern.
Weder Benjamin 1981 und Ramig&Ringel 1983 können alterbedingte
f0 mean-Änderungen feststellen.
Altersbedingte Ansatzrohr-/Formantänderungen (Zusammenhang?)
-Linville&Rens 2001: F1-3 sinken signifikant bei Frauen, bei Männern nur
F1 signifikant, F2-3 tendenziell
Erklärungsansatz (auch Linville 2004; ähnlich in Laver&Trugdill 1979):
Durch altersbedingte Änderungen senkt sich der Kehlkopf
Ansatzrohr wird länger Formanten fallen
Dieser Hypothese widersprechen Acoustic Reflection-Messungen an immerhin
4 * 19 Versuchspersonen (Xue&Hao 2003): kaum geschlechtsspezifische
Unterschiede und v.a. keine signifikante Längung des gesamten Vokaltraktes,
sondern nur des oralen Traktes (nicht des pharyngalen) (was das Absinken des
Kehlkopfes als Grund ausschließt); signifikante Volumen-Zunahme sowohl des
oralen als auch des gesamten Vokaltraktes.
Zusätzlich: Formanten fallen, am deutlichsten und konsistentesten F1, F2 vokalund geschlechtsspezifisch, F3 nur bei /i/ und /u/ der Frauen
Rastatter et al 1997 fand F1 und F2 fallend, mit geschlechtsspezifischen
und vokalspezifischen Unterschieden
Vokalspezifika z.B. auch in Watson&Munson 2007
Watson&Munson 2007
Versuch einer Erklärung der Widersprüche
-bereits erwähnt: die Eigenschaften körperlichen Alterns lassen Unterschiede bei
chronologisch Gleichaltrigen ohnehin erwarten.
-der Versuchsaufbau selbst:
Hauptproblem:
Die meisten Studien (Ausnahme z.B. Decoster&Debruyne 2000) messen
zu einem Zeitpunkt bei 2 oder mehreren Altergruppen.
Neben unbestreitbaren Vorteilen mehrere Nachteile:
-wegen Sprecherspezifika große Gruppenstärken erforderlich (nicht immer
eingehalten)
-oft wenig Material pro Sprecher
-Wahl des Alters der Gruppen beeinflusst das Ergebnis (z.B. f0 bei Männern) 
fehlende Vergleichbarkeit
- Hauptnachteil (für Formantmessungen):
soziophonetische Faktoren wie das Ausmaß der Teilnahme der Sprecher
an Lautwandel werden nicht genügend beachtet
Nicht so bei Watson&Munson 2007
Vokalspezifische altersbedingte Formantänderungen werden mit Lautwandel
erklärt:
Watson&Munson 2007
„…older adults“ (5 females, 5 males, mean.age= 76y, SD=2.3) „retained the
historically less-advanced more-back pronunciations of back-round vowels,
as well as the less-extreme productions of /α/ and /æ/,
than the younger adults“ (5 f, 5 m, mean.age=23.4y, SD=4)…
Ein beachtlicher Teil von Formantunterschieden zwischen Jüngeren und Älteren
Ist also vermutlich darauf zurückzuführen, dass Jüngere ‚modernere‘
Aussprachevarianten benützen
(und dies dürfte für alle Sprachen/Varietäten gelten).
Andererseits gibt es messbare Unterschiede zwischen den Ansatzrohrgeometrien
Jüngerer und Älterer (Xue&Hao2003)
Um lautwandelbedingte Formantunterschiede zwischen Altergruppen soweit
als möglich auszuschließen, sind Langzeituntersuchungen der selben Sprecher
zu bevorzugen.
Verkompliziert wird dies durch die Entdeckung, dass auch die Artikulation
erwachsener Sprecher nicht statisch konserviert ist, sondern in Richtung des in
der Sprechergemeinschaft stattfindenden Lautwandels modifiziert wird
(Harrington et al 2000, 2007).
Bei jeder Langzeituntersuchung der selben Sprecher bezüglich physiologischer
altersbedingter Änderungen (oder bezüglich Lautwandel) steht man also vor der
Frage:
Wie rechnet man den Einfluss des Lautwandels (oder der physiologischen
Änderungen) heraus?
Ein Ansatz (für beide Richtungen): Messung nur in Vokalen, die nicht von
Lautwandel betroffen sind (z.B. Schwa)
Als Beispiel nachfolgend Zitate aus
Harrington, Palethorpe and Watson
Age-related changes in fundamental frequency and formants:
a longitudinal study of four speakers (Interspeech2007).
…wobei zu beachten ist, dass für die Präsentation auf der Konferenz
die Studie erweitert wurde…
Method: Speakers (Zitat Harrington et al 2007-Präsentation)
Two speakers: data from several years over roughly a 50 year period
Queen Elizabeth II b. 1926, (accent = RP/U-RP), Christmas broadcasts Years
analysed: 1952-1972, 1983, 1985, 1988, 1994-2002. Broadcasts each 5-10
minutes.
Alistair Cooke b. 1908, 'Letter from America' (accent = RP with N. American
influences). Years analysed = 1947, 1951, 1953, 1960, 1962, 1965, 1970-74,
1980-1985, 1990-2003. Roughly 10 minutes per broadcast.
Four speakers data from two years 30-40 years apart.
Donald Bradman b. 1908 (accent = Aus.Engl), Two radio interviews in 1948
and 1987 each 20-25 minutes.
Margaret Lockwood. b 1916: (accent = RP), two radio interviews, 1951 (5.5
minutes) and 1980 (12.0 minutes)
Roy Plomley: b. 1914, (accent = RP) BBC presenter: data from two recordings
from 1951 and 1985
Edmund Hillary: b. 1919, (Accent = New Zealand Engl.), two radio interviews
1955 (14 mins), 1992 (14 mins).
Messung von mean f0 und mean F1-3
-in Schwa (kein Lautwandel bekannt)
-in allen stimmhaften Frames
Nicht für alle Sprecher war Segmentation und (Schwa-)Etikettierung verfügbar
aber wo doch, waren Schwa- und stimmhafte-Frames-Ergebnisse vergleichbar
Auswertung der stimmhaften Frames als vorläufige Notlösung
Results I: Mean f0 and mean F1 in 6 speakers(Zitat).
Mean f0 and F1 from early (in the 1940s/1950s vs. late
(1980s/1990s) broadcasts in all 6 speakers.
mean f0
mean F1
500
100
300
200
50 100
late
0
0
Frequency (Hz)
early
C
P
B
H
L
Q
C
P
B
H
L
Q
(Speakers from L to R: Cooke, Plomley, Bradman, Hillary, Lockwood, Queen)
f0 is significantly lower in
later broadcasts
F1 is significantly lower in
later broadcasts.
Results II: F2 and F3 (Zitat)
Frequency (kHz)
Mean F2 and F3 from early (in the 1940s/1950s vs. late
(1980s/1990s) broadcasts in all 6 speakers.
F2
1.8
early
1.6
2.6
1.4
1.2
F3
2.8
late
C
P
B
H
L
Q
2.4
2.2
C
P
B
H
L
Q
(Speakers from L to R: Cooke, Plomley, Bradman, Hillary, Lockwood, Queen)
No consistent or significant effect across the 6 speakers on
average F2 nor average F3 from early to later broadcasts
Results III: f0 and F1 averaged separately by year over a
50 year period in the Queen and Alistair Cooke (Zitat)
400 450 500 550
280
240
50 60 70 80 90 00
F1
R2 = 0.6723
50 60 70 80 90 00
Hz
320 360 400
100 110 120 130
Frequency
f0
R2: 0.7768
Hz
Cooke
Hz
200
Queen
Frequency
Hz
R2: 0.723
50 60 70 80 90 00
R2 = 0.7722
f0 rises
again
in very
old age
50 60 70 80 90 00
Decade
We found that these data could be modelled with an
exponential of the form
F  kr
year
(separately for F = f0 and F = F1)
Do f0 and F1 decrease at a similar rate? (Zitat)
If so, then either r in the exponential regressions for f0 and F1
f 0  kr
year
F 1  kr
year
or equivalently, the slope, log(r), of the straight line in the
corresponding log domain
log( f 0)  log( r ) year  log( k )
should be the same.
log( F1)  log( r ) year  log( k )
Do f0 and F1 decrease at a similar rate? (Zitat)
Log frequency
Queen
Cooke
6.0
F1
6.0
5.5
5.8
5.6
5.0
5.4
f0
50
60
70
80
90
00
Decade
50
60
70
80
F-tests showed that there is no significant difference between the
slopes for F1 and f0 (between the red and black line slopes), in
the log frequency domain, neither for the Queen, nor for Cooke.
Therefore f0 and F1 decay exponentially in time with
increasing age at about the same rate.
Results IV: F2 and F3 averaged separately by year over
a 50 year period in the Queen and Alistair Cooke (Zitat)
F2
2.9
1.8
Frequency (kHz)
Queen
F3
2.8
1.7
Cooke
50
70
90
50
70
90
2.60
1.50
2.55
1.46
2.50
50 60 70 80 90 Decade
50 60 70 80 90
No significant linear or exponential trend in F2 or F3 as a
function of year for either the Queen or Cooke.
Summary of results (Zitat)
(a) across two years
Between the
age of:
Cooke
Plomley
Bradman
Hillary
Lockwood
Queen
42-82
37-71
40-79
36-73
35-64
27-69
% decrease in f0
% decrease in F1
12
7
25
18
25
20
26
23
21
16
17
19
(b) approx. every other year over a 50 year period in two
speakers (Cooke, Queen)
f0 and F1 decay exponentially at about the same rate for
both speakers (up to the age of 80 in Cooke)
f0 begins to rise in Cooke after the age of 80
No consistent effects in F2 nor F3 in either (a) or (b)
Interpretations: age and vocal/oral tract lengthening (Zitat)
It seems unlikely that the vocal tract lengthens with increasing
age, given the lack of consistent effects in F2 and F3.
Also, when in Cooke's (much) later years, the trend
is reversed and f0 begins to rise, then so does F1:
log f0 x log F1 for Cooke between the age of 82 and 94 years
5.65 5.70 5.75 5.80
log F1
92 94
93
84
90
83
85
R2 = 0.52, p < 0.001)
91
89
8688
82
log f0
The falling (age 40-81) then rising (age 82-94) trend in F1 is
not likely to be explicable by vocal tract lengthening then
shortening.
4.60
4.65
4.70
4.75
Schlussfolgerungen des Vortrags Harrington, Palethorpe and Watson
Formantänderungen (oder zumindest das Absinken von F1)sind wahrscheinlich
nicht die Folge einer Änderung der Form des Ansatzrohrs
Unbestreitbar gibt es Änderungen bei f0; die von F1 kovariieren offenbar
hierzu auf logarithmischen Skalen linear.
Traunmüller hat in zahlreichen Untersuchungen den Wert f0 (Bark) – F1 (Bark)
als ein Maß für die Vokalhöhe beschrieben. Harrington et al äußern die
Vermutung, dass f0 aus physiologischen Gründen sinke und deshalb F1 mit
abgesenkt werden müsse, um die phonetische Vokalhöhe zu erhalten.
auditorischer Ansatz
Der physiologische Ansatz hat als Grundlage Traunmüller&Ericksson, 2000:
Stärkerer vocal effort führt zu einem Anstieg von f0 und F1.
„‘‘Vocal effort’’ was defined as the communication distance estimated by a
group of listeners …“ (Traunmüller&Erickson, 2000)
Die beschriebenen Veränderungen der Physiologie des Kehlkopfes müssten
also nicht direkt zu einer Verminderung von mean f0 führen, sondern über
den Umweg
verringerter vocal effort (eigentl. dessen artikul. Korrelate)
Absinken von f0 und F1.
Dies könnte auch als Erklärung für ein Ansteigen von f0 und F1 bei alten
Männern sein; eventuell wird ein Punkt erreicht, an dem ein weiteres
Absinken der produzierten akustischen Energie nicht mehr tolerierbar ist und
deswegen kompensatorisch der vocal effort (und damit f0 und F1) erhöht
werden.
Zukünftige Arbeiten
Die vorgestellten Daten basieren noch auf alle stimmhaften Frames
Schwas (oder andere Vokale, für die kein Lautwandel angenommen wird)
müssen untersucht werden
Mehr Sprecher müssen ausgewertet werden
Untersuchung der Perzeption von Alter anhand der Manipulation von f0 und F1
Catherine Watson arbeitet an Acoustic Reflection –Messungen (vgl. Xue&Hao2003)
Zusammenfassung
Altersbedingte physiologische Änderungen führen zu einer Funktionsänderung der
Phonation
Eine Folge davon: mean f0-Änderung
-sinkt bei Frauen (ob linear oder kovariierend mit nicht-linearen Hormonänderungen
ist fraglich)
-bei Männern kann nach einem stetigen Abfall mean f0 wieder ansteigen
(zum ‚Greisendiskant‘)mehr oder weniger u-förmiger Verlauf
Es gibt wohl Formänderungen des Ansatzrohres; vermutlich aber nicht die
hypothetisierte Längung
Es gibt Formantänderungen, sowohl bei Messungen an verschiedene Altersgruppen
zur gleichen Zeit (mitverursacht durch Lautwandelphänomene) als auch bei
Langzeitbeobachtung der selben Sprecher. F1 ist am konsistentesten
altersabhängig.
Ob diese Änderungen mit den Formänderungen des Ansatzrohres
zusammenhängen, ist keineswegs so klar, wie es bisher schienalternativ kann
man einen Zusammenhang mit mean f0 diskutieren
Zum Abschied noch ein Höreindruck:
A. Cooke: „world“-Äußerungen im Alter von
43, 52, 62, 89 und 96 Jahren