Die Formanten - JAEGER
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Die menschliche Stimme Stimmerzeugung • Luftreservoir (Lungen) um: – einen Überdruck aufrechtzuerhalten – Auslasskanal mit Verengungen, an der Luftstrom unterbrochen oder verändert wird – Resonanzraum durch den best. Frequenzen verstärkt werden Anatomie Die Luftströmung kann durch die Stimmbänder (Stimmlippen) unterbrochen werden. Die Öffnung zwischen ihnen wird als Stimmritze (Glottis) bezeichnet. Für die Phonation schließen sich die Stimmlippen ganz oder fast. Die Lungen üben einen Luftdruck auf sie aus. Dieser Druck bringt die Stimmbänder zum Öffnen und zum schubweisen Einlassen von Luft in den Vokaltrakt. Die Stimmbänder schwingen dabei mit einer Frequenz, die von der Spannung ihrer Muskeln kontrolliert wird. Frequenzvergleich • Bei normaler Sprache Männer: 70 bis 200 Hz Frauen: 140 bis 400 Hz Unterschied wird durch unterschiedliche Länge und Schwere der Stimme erklärt. Spracherzeugung • Phonem (=Elemente der Sprache) – – – – – Plosivlaute (Verschlusslaute) Reibelaute (=Zischlaute) Andere Konsonanten (u.a. Nasallaute) Reine Vokale Diphthonge (=Doppelvokale) Der Bernoulli-Effekt Der Druck entlang einer Strömungslinie wird umso kleiner, je größer die Strömungsgeschwindigkeit wird. Wie kann die Schwingung zu großen Amplituden anwachsen und beliebig lange beibehalten werden? • • • • Energiezufuhr Stimmbänder unterliegen auch anderen Kräften, die parallel zur Strömung wirken und in den meisten Fällen stärker sind als die Bernoulli-Kräfte, zusammen ergeben sich daraus rollende Bewegungen. Vokaltrakt nachgiebige Wände => Absorption eines großen Teils der Schwingungsenergie Muskuläre Kontrolle Die Formanten Bei gegebenem Lungendruck, Stimmritzenöffnung und Stimmbänderspannung findet praktisch immer die gleiche Schwingung statt, unabhängig von der Form des Vokaltraktes (so lange er nur offen ist) Also: durch den Kehlkopfapparat wird nicht nur die Frequenz der Stimmbänderschwingungen fast ausschließlich bestimmt, sondern auch die Wellenform. Die Erzeugung verschiedener Vokale durch Zungenbewegung muss also auf verschiedenen Filterfunktionen beruhen, die auf ein und denselben von den Stimmbändern hervorgebrachten Grundklang einwirken. Die Schallwellen, die in den Vokaltrakt eintreten, würden unverändert einen „pfurzenden“ Klang haben, in etwa so wie die Lippen eines Trompeters (ohne Mundstück) =eine Folge von Luftstößen; eher schwaches Geräusch: Stimmbänder nie ganz geschlossen, Wellenform relativ geglättet Meistens ist der Luftstrom für eine Teildauer jedes Zyklus vollständig unterbrochen.(bis zu einem Drittel bei hohem Atemdruck und enger Ausgangsposition der Stimmritze) Bild 1 Ungefähre Wellenformen der im Kehlkopf erzeugte Schallwellen und ihr jeweiliges Frequenzspektrum Q= Durchflussmenge durch die Stimmbänder in cm^3 a) weicher Klang, Stimmritze nie geschlossen b) typisch mittlerer Klang, allmählich abnehmendes Frequenzspektrum c) sehr lauter Klang, Stimmritze 1/3 jedes Zyklus geschlossen Was ist ein Formant? Ein Formant bezeichnet die Konzentration von akustischer Energie in einem bestimmten Frequenzbereich. Aufgrund der Resonanzeigenschaften des Artikulationsraumes werden gewisse Frequenzbereiche verstärkt. Die Formanten sind diejenigen Bereiche, bei denen die relative Verstärkung am größten ist. Der Vokaltrakt hat die ungefähre Form einer Röhre, ca. 17 cm, innen geschlossen und am Mund offen ( siehe auch Rohrblattinstrumente) a) Resonanzverhalten eines perfekt zylindrischen Vokaltrakts b) Stärke der Teiltonfrequenz eines Spektrums nach dem Passieren des Vokaltrakts; Grundfrequenz= 100 Hz c) GF= 200 Hz Oktave höher: Formante ident!! Das Ohr erkennt die Lage dieser Formantbereiche irgendwie fast unabhängig davon, welche Einzelfrequenzen diese Bereiche bilden; Hier wird eine weitgehend identische Vokalfarbe ( etwas relativ neutrales, öö oder ää....) gezeigt. konisch zulaufende Röhre mit ca. 17 cm Länge Beeinflussung des Klangs besonders durch die Öffnungsweite des Kiefers Vokaltrakt: einander anschließende Zylinderstücke b) iii: Zunge oben vorne; Einfluss durch die Form des Zungenhauptkörpers c) offenes ooo: Zunge hinten unten; E. durch die Zungenspitze Querschnitt des Vokaltrakts Zunge vorne für i und e, hinten für u und a, oben bei i und u, unten bei e und a Es gibt 4 Formantbereiche. Obwohl uns auch der 3. und 4. Formantbereich beim Erkennen von Vokalen hilft, kann man sie größtenteils bereits anhand der ersten beiden Formantbereiche unterscheiden. a) Vokal a bei Grundton 150 Hz b) A bei 90 Hz c) U bei 90 Hz a-b haben die gleichen Formanten, jedoch unterschiedliche Tonhöhen; b-c haben unterschiedliche Formanten aber die gleiche Tonhöhe. Sprachspektrogramm Wichiges Mittel zur Analyse rasch folgender Phoneme Frau: „Say bite again“ a) mit kurzer Pause zwischen den Worten b) noprmale flüssige Sprache c) Auf den schwarzen Stellen liegen die Formantbereiche SO KANN MAN DIE AKUSTISCHEN EIGENSCHAFTEN DER SPRACHE ANALYSIEREN, V.A. DIE ÄNDERUNGEN IN DEN FORMANTLAGEN, DIE DURCH DIE BEWEGUNGEN DES VOKALTRAKTS BEWIRKT WERDEN. Formantfrequenzen für reine Vokale, die beim Singen lange Zeit konstant bleiben würden, bleiben in der Sprache nur selten länger ans eine Zehntelsekunde unverändert. Vergleiche Bild 1: Filterprozess der Formantgebung 2 Faktoren sind ausschlaggebend: Lautstärke und Stimmlage a) weicher Klang, einige Teiltöne schwach, Filter kann nicht ausgleichen- höhere Formanten haben zu geringe Frequenzen b) mittlerer Klang, Durchschnitt c) sehr lauter lauter Klang- höhere Formanten deutlicher Vokalausgleich: a) normale Formantlage des gezogenen uuu (wie Uhu); Grundfrequenz 660 Hz (=e2)wenig erste Teiltöne b) Formantbereich ist verschoben- statt uu singt die Person ein ou= kräftigerer Klang weil + ersten beiden Teiltöne Schwach gesungene Vokale verfügen über wenig spezifische Klangfarbe, während laut gesungene sehr deutlich unterschiedlich klingen. Problem: hohe Lagen; höhere Frequenzen spreizen die harmonische Reihe so weit aus, dass u.U. ein gegebener Formantbereich keinerlei Resonanz-Unterstützung im Vokalapparat findet. Deshalb verschiebt man die Formantbereiche in den höheren Lagen, um ausreichend starke niedrigere Teiltöne für einen musikalisch klangvollen Ton hat. (obwohl sie dadurch bewusst unkorrekte Vokalfärbungen in Kauf nehmen). Verschiedene Vokale können dabei fast in einund demselben Klang verschmelzen. Tabelle 1: Gemittelte Formantlagen aus dem Vokaldreieck Vokal-Formant-Zentren deutscher Vokal U O å A ö ü ä E I IPA u o a ø y e i Formant f1 320 Hz 500 Hz 700 Hz 1000 Hz 500 Hz 320 Hz 700 Hz 500 Hz 320 Hz Formant f2 800 Hz 1000 Hz 1150 Hz 1400 Hz 1500 Hz 1650 Hz 1800 Hz 2300 Hz 3200 Hz Tabelle 2: Typische spektrale Anhebung (Quint- bis Oktavbreite), die bei Gesang und Instrumenten gezielt eingesetzt wird. Hohe Amplitude bei 200 bis 400 Hz 400 bis 600 Hz 800 bis 1200 Hz 1200 bis 1800 Hz 1800 bis 2600 Hz 2600 bis 4000 Hz 8000 Hz über 10000 Hz Praktische Pegelanhebungen Klangempfindung sonor voll markant näselnd hell brillant spitz scharf Bemerkung 1. Formant u 1. Formant o 1. Formant a 2. Formant ü 2. Formant e 2. Formant i diffuse "Höhen" Oberton-"Glanz" Spezielle Probleme der Sängerstimme - - - Art und Weise, in der Stimmapparat gesungene Töne produziert, kann je nach Tonhöhe sehr unterschiedlich sein großer Teil sängerischen Ausbildung besteht in Beherrschung und Ausnutzung zwischen „Brust- und Kopfstimme“ ganz offensichtlich wird dies beim Mann von der normalen Stimme zur Falsettstimme Vokalfalten sind langgezogen und dünner, werden dadurch effektiv steifer, können mit höheren Frequenzen vibrieren Stimmritze (Glottis) bleibt dabei immer etwas offen – Wellenform relativ gleichmäßig und somit Klangfarbe ziemlich rein und rund bleibt Andauernde Öffnung der Simmritze trägt aber auch dazu bei, dass Luftvorrat des Sängers im Falsett schneller erschöpft ist, als sonst Gesangslehrer gebrauchen Wörter, wie Resonanz oder Tragfähigkeit oder Stimmkraft manchmal in vager Art und Weise – für Akustiker schwer nachzuvollziehen Resonanz bezeichnet besonders starke Schwingungserregung, die auftritt, wenn System mit einer Frequenz angetrieben wird, die mit Eigenschwingungsfrequenz weitgehend übereinstimmt Es ist richtig, von sorgfältiger Kontrolle des Kiefers, Zunge und des Gaumens als Mitteln zur Erzeugung besserer Stimmqualität infolge von Resonanzen zu sprechen aber nicht von Resonanz im Brustkorb – irreführend In psychologischer Hinsicht ist es hilfreich über Brustkorb zu denken, um gleichmäßigen, gut beherrschenden Luftdruck an Kehle zu bekommen Glottis isoliert Vokaltrakt von Lungen – schwammiges Lungengewebe ist eine Körperregion, die alle auf- oder eintreffenden Vibrationen absorbiert, niemals nennenswerte Wellen reflektiert in ähnlicher Weise kann Reden über Tragfähigkeit psychologisch, d.h. in Vorstellung des Sängers mit Muskelkontrolle assoziiert sein, führt zu lauteren und gleichmäßigeren Klang im Vokaltrakt und größere Mundöffnung Schallintensität wird jedoch immer mit Entferung nach gleichem Gesetz abnehmen Gerichtetheit der Schallabstrahlung wird vollständig durch Beugung bestimmt hörbare WELLENLÄNGEN: → Wellenlängen zwischen 15m – ca. 0,5m ( d.h. Frequnzen bis ca. 700Hz) breiten sich fast gleichmäßig in alle Richtungen aus Kopf, als Hindernis stellt keine Beeinträchtigung dar → bei höheren Frequenzen schallt Strahl weitgehend nach vorn ab, kaum nach hinten, aber frontaler Halbkreis wird gleichmäßig beschallt → nur bei sehr hohen Frequenzen (etwa 6kHz oder mehr, Wellenlänge unter 6cm) könnte Sänger einen Ton in bestimmte Richtung projektieren, indem er große Mundöffnung benutzt solche Frequenzen könnten aber nur höhere Teiltöne sein Grundton über c‘‘‘‘‘ zu singen, ist nicht möglich - SUNDBERG - - - - Erklärung, dass Sänger, z.B. Operntenor, durchaus zu hören ist, wenn Orchester ihn begleitet Obwohl gesamte Schallabstrahlung des Sängers hinter Orchester bleibt, kann er trotzdem gehört werden, weil er seine akustische Energie v.a. auf einen Frequenzbereich konzentriert, indem Orchesterklang schwächer ist – Ergebnis kann Hörern dann als gute „tragfähige“ oder stimmstarke Stimme interpretieren Sänger erreicht dies, dadurch, dass Kehle heruntergedrückt wird und somit Kehlraum oberhalb vergrößert wird Dadurch Diskontinuität im Übergangsbereich des Vokaltrakt, diese führt zur Ausprägung von einigen stehenden Wellen in Kehle (fast unabhängig vom restliches Voaltrakt) , die erste hat Frequenz von ca. 2500-3000 Hz Resonanz stellt Formant der Sängerstimme dar, verbessert Hörbarkeit des Sängers aber Verzehrung bei Vokalerzeugung mit sich führt Vibrato (Frequenzmodulation) ist Stimmeigenschaft, die bewusst gepflegt wird, wobei solche Vorlieben sich oft ändern man kann auch Tremolo (Amplitudenmodulation) erzeugen, manchmal fälschlich „AmplitudenVibrato“ genannt beste Training für Sänger besteht wahrscheinlich darin, das Singen mit und ohne Vibrato zu lernen Vibrato also bewusst einsetzen kann, als besonderer Efekt, anstatt es ständig und bervtötend zu kultivieren ES ERGEBEN SICH EINIGE FRAGEN Wie groß sollte eine Modulationsfrquenz sein? Frequenzen zwischen etwa 5 und 7 Hz werden als überzeugend beurteilt Weniger als 3 Hz und mehr als 10 Hz erfordern ein besonderes Training Wie stark sollte die Frequenz durch die Modulation verändert werden? 2% Frequenzabweichung gelten als musikalisch sinnvoll Weniger als 1% werden kaum wahrgenommen Mehr, als bereits ablenkend oder unschön Warum wird das Vibrato überhaupt so gefordert, nicht nur für die Stimme, sondern auch für viele andere Instrumente? Vibrato verleiht Ton gewisse Wärme Kann Aufmerksamkeit auf Solostimme lenken Guter akustischer Grund ist: viele kleine Vibrato-Beiträge in Ensemble führen zur Verstärkung des Chorus-Effektes Wenn zwei oder mehrere Stimmen gemeinsam singen, oder Klang einer Streichergruppe kann besser ineinander verschmelzen Problem: im entgegengesetzten Fall von genau fixierten Frequenzen trifft, betrachtet man zwei Orgeln oder Klaviere, die man gleichzeitig hört, dann treten bereits sehr kleine Stimmungsunterschiede sehr störend und scharf hervor Und warum soll eine Modulationsfrequenz von ca.6 Hz wünschenswerter sein als andere? Mindestens 2 Theorien liegen vor, nach denen Modulation mit diesen Frequenzen am leichtesten auszuführen sei – keine von beiden kann bewiesen werden Einige Gehirnwindungen weisen ähnliche Frequenzen auf, vielleicht ist es daher für Gehirn leichter, entsprechende Steuerbefehle an die im Vibrato/Tremolo beteiligenten Muskel im Rhythmus dieser Frequenzen zu senden Oder das aufgrund grober Schätzung der Körperrumpfmasse und der Luftelastizität in den Lungen die Eigenfrequenz des Körpers näherungsweise 5 oder 6Hz beträgt – dies erleichtert Aufrechterhalten eines guten Tremolosbei eben dieser Frequenz, deswegen würden wir sie auch bevorzugen Schließlich könnte auch im Wahrnehmungsmechanismus ein Grund liegen: Klänge oder Ereignisse, die schneller als etwa eine Zehntelsekunde aufeinanderfolgen, werden bei Verarbeitung im Ohr und Gehirn tendenziell miteinander verschmolzen – daher würden Modulationsfrequenzen deutlich oberhalb von 5Hz zunehmend nicht mehr als Tremolo, sondern als relativ rauher Klang wahrgenommen werden Zusammenfassung Menschliche Stimme kann 3 unterschiedliche Arten von Klängen bzw. Geräuschen erzeugen → konsonante Plosivlaute – Übergangsklänge – entstehen durch Schließen und plötzliches Öffnen des Vokaltraktes → Frikativlaute - Zisch- und Reibelaute – entstehen durch Turbulenzen als Folge eines durch eine enge Öffnung tretenden Luftstroms, bestehen aus kontinuierlichem Rauschen → Vokale, nur sie weisen periodische Wellenform auf, also eine bestimmte Tonhöhe – entstehen durch der Stimmbänder, diese Schwingungen entsprechen Typ des Lippen-Rohrblatts und werden durch Druckminderung unterstützt, die beim Passieren eines Luftstroms durch eine Verengung auftritt (Bernoulli-Effekt) Ein Formant verstärkt diejenigen Teiltöne, die innerhalb des Formantbereiches liegen