Abstract

Hintergrund: Die vorliegende Studie untersuchte die Auswirkungen der Glottisöffnung während der Phonation sowie kleiner Öffnungen des velopharyngealen Ports auf die Frequenz des ersten Vokalformanten (F1). Frühere Studien bestätigten zwar anhand von Modellen und Simulationen, dass diese Randbedingungen die Formantfrequenzen von Sprachlauten erhöhen, ein solcher Trend zeigte sich jedoch nicht eindeutig in In-vivo-Experimenten mit Menschen.

Material und Methode: Um die Auswirkungen dieser Randbedingungen auf F1 in natürlicher Sprache abzuschätzen, zeichneten wir bei 21 Sprecherinnen und Sprechern, die Logatome mit den acht gespannten deutschen Vokalen unter unterschiedlichen Bedingungen produzierten, gleichzeitig das Audiosignal sowie Optopalatographie- (OPG), Elektroglottographie- (EGG) und nasale Luftstromsignale auf. Die Einflüsse der oralen Artikulation und der Anpassung der Kehlkopfhöhe wurden mithilfe der OPG-Signale und der EGG-basierten Messung der Kehlkopfhöhe kontrolliert.

Ergebnisse: Eine zunehmende durchschnittliche Glottisfläche, die auf Grundlage des glottalen Öffnungsquotienten angenähert wurde, tendierte dazu, F1 zu verringern. Dieser Befund widerspricht den Vorhersagen früherer Simulationsstudien zur glottalen Randbedingung. Im Gegensatz dazu erhöhte eine zunehmende Öffnungsfläche des velopharyngealen Ports, die anhand des nasalen Luftstroms geschätzt wurde, F1 sowohl bei gesprochenen als auch bei gerufenen Vokalen und dies sowohl bei männlichen als auch bei weiblichen Sprechenden.

Schlussfolgerung: Diese Ergebnisse liefern Hinweise darauf, dass die Frequenz des ersten Formanten nicht nur durch die Querschnittsflächenfunktion des Vokaltrakts bestimmt wird, sondern auch durch kleine Öffnungen des velopharyngealen Ports beeinflusst wird.

Text

Hintergrund

Die erste Formantfrequenz (F1) von Vokalen wird in der Regel vor allem mit der Form des supraglottalen Vokaltrakts in Verbindung gebracht. Aus Modellrechnungen und Simulationen gibt es jedoch Hinweise, dass auch Randbedingungen außerhalb der rein oralen Artikulation eine Rolle spielen können, etwa die velopharyngeale Öffnung (velopharyngeal opening, VPO) sowie die mittlere Glottisfläche (average glottal area, AGA) [1], [2], [3]. In der vorliegenden Studie wurde daher anhand natürlicher Sprachdaten untersucht, ob bereits kleine VPO und die AGA mit Veränderungen von F1 zusammenhängen. Statistisch berücksichtigt wurden außerdem Larynxhöhe und orale Artikulation mittels Optopalotographie (OPG). Durch das OPG können über Lichtsensoren Position von Zunge und Lippen bestimmt werden.

Material und Methoden

Analysiert wurden 21 erwachsene deutschsprachige Sprecherinnen und Sprecher (12 weiblich, 9 männlich; 29–69 Jahre). Jede Person produzierte 16 fiktive Worte mit acht deutschen gespannten Vokalen /V/ in nasalem Kontext (/mVmpe/ z.B. mampe) und oralem Kontext (/pVpe/, z.B. pape). Diese Worte wurden jeweils zweimal gesprochen und gerufen. Insgesamt wurden 1.344 Tokens erhoben; nach Ausschluss fehlerhafter Tokens gingen 1.326 Tokens in die Analysen ein. Synchron aufgezeichnet wurden Audiosignal, Optopalatographie (OPG), Elektroglottographie (EGG), Nasalflow und EGG-basierte Larynxhöhe. F1 wurde mittels LPC/Burg-Analyse in Praat bestimmt. Die OPG-Signale wurden zur Kontrolle oraler Artikulation über Hauptkomponenten zusammengefasst. VPO wurde aus kalibriertem Nasalflow nach Warren geschätzt [4], AGA aus dem EGG-basierten Kontaktquotienten approximiert [5]. Lineare gemischte Modelle wurden getrennt für Geschlecht und Sprechmodus angepasst; feste Prädiktoren waren durch OPG bestimmte Zungen und Lippenposition, Larynxhöhe, AGA und VPO, mit zufälligem Interzept für Sprecher/in.

Ergebnisse

VPO war im nasalen Kontext größer als im oralen Kontext, AGA war bei männlichen Sprechern größer als bei weiblichen Sprecherinnen. AGA war beim Sprechen höher als beim Rufen. In allen vier Teilmodellen zeigte VPO einen positiven Zusammenhang mit F1. Pro 1 mm² VPO-Anstieg erhöhte sich F1 um 22,3 Hz bei weiblich-gesprochenen, 40,4 Hz bei weiblich-gerufenen, 7,9 Hz bei männlich-gesprochenen und 13,7 Hz bei männlich-gerufenen Tokens. Die Richtung dieses Effekts war damit über alle Gruppen hinweg konsistent, auch wenn die Größe des Effekts zwischen Geschlecht und Sprechmodus variierte. Auch eine höhere Larynxposition war in allen Modellen positiv mit F1 assoziiert (ca. 11,4-17,2 Hz pro mm). Die AGA zeigte dagegen keinen stabilen positiven Effekt. Sie blieb in zwei finalen Modellen unberücksichtigt (weiblich-rufen, männlich-reden) und war in den beiden Modellen, in denen sie signifikant beitrug, negativ mit F1 assoziiert: -163,7 Hz/mm² bei weiblich-gesprochenen und -45,1 Hz/mm² bei männlich-gerufenen Tokens. Die Modellgüte war für rein artikulatorisch-physiologische Prädiktoren vergleichsweise hoch; die marginalen R²-Werte lagen zwischen 0,560 und 0,699, die konditionalen R²-Werte zwischen 0,684 und 0,782.

Abbildung 1 [Abb. 1]

Diskussion

Die Daten stützen die Hypothese, dass kleine velopharyngeale Öffnungen F1 in natürlicher Sprache erhöhen können, und zwar unabhängig von den oralen Artikulationsmaßen und der Larynxhöhe. Damit liefert die Studie in-vivo-Evidenz dafür, dass F1 nicht ausschließlich durch die supraglottale Querschnittsfunktion bestimmt wird. Der positive Zusammenhang zwischen VPO und F1 zeigte sich in allen vier Modellen, auch wenn Artikulation und Larynxhöhe berücksichtigt wurden. Das spricht dafür, dass kleine velopharyngeale Öffnungen F1 selbst mitbeeinflussen und nicht nur ein Nebeneffekt anderer Artikulationsänderungen sind. Die Hypothese, dass AGA einen positiven Effekt auf F1 hat, wurde dagegen nicht bestätigt. Der negative bzw. nicht stabile Zusammenhang widerspricht einfachen Simulationserwartungen [1], [2], [3] und könnte durch kompensatorische laryngeale Anpassungen, veränderte Stimmlippenspannung oder -dicke sowie nicht vollständig erfasste supraglottale Konfigurationen erklärt werden. Da AGA indirekt aus EGG-Maßen approximiert wurde, bleibt eine direkte Validierung mit laryngoskopischen Verfahren erforderlich.

Fazit/Schlussfolgerung

Kleine velopharyngeale Öffnungen beeinflussen die erste Formantfrequenz messbar und konsistent in gesprochener und gerufener deutscher Sprache. Es konnte nicht bestätigt werden, dass eine höhere durchschnittliche Glottisfläche die erste Formantfrequenz erhöht. Für zukünftige Studien sind gezielte Manipulationen der Phonationsart, größere Datensätze und die Kombination mit direkter laryngealer Bildgebung sinnvoll, um glottale und supraglottale Beiträge zuverlässiger zu trennen.

References

[1] Badin P, Fant G. Notes on vocal tract computation. STL-QPSR. 1984;25(2-3):53-108.
[2] Barney A, De Stefano A, Henrich N. The effect of glottal opening on the acoustic response of the vocal tract. Acta Acust United Acust. 2007;93(6):1046-56.
[3] Birkholz P, Gabriel F, Kürbis S, Echternach M. How the peak glottal area affects linear predictive coding-based formant estimates of vowels. J Acoust Soc Am. 2019 Jul;146(1):223. DOI: 10.1121/1.5116137
[4] Warren DW. Nasal emission of air and velopharyngeal function. Cleft Palate J. 1967;4(2):148-56.
[5] Zhang Z. Contribution of laryngeal size to differences between male and female voice production. J Acoust Soc Am. 2021 Dec;150(6):4511. DOI: 10.1121/10.0009033
[6] Garnier M, Wolfe J, Henrich N, Smith J. Interrelationship between vocal effort and vocal tract acoustics: a pilot study. In: Interspeech 2008; 2008 Sep 22-26; Brisbane, Australia. p. 2302-2305. DOI: 10.21437/Interspeech.2008-588
[7] Swerdlin Y, Smith J, Wolfe J. The effect of whisper and creak vocal mechanisms on vocal tract resonances. J Acoust Soc Am. 2010 Apr;127(4):2590-8. DOI: 10.1121/1.3316288
[8] Vampola T, Horácek J, Laukkanen AM. Finite element modeling of the effects of velopharyngeal opening on vocal tract reactance in female voice. J Acoust Soc Am. 2021 Sep;150(3):2154. DOI: 10.1121/10.0006370