Linguistica Approfondimento Revisione di nozioni di base: Organi articolatori Articolazione dei suoni vocalici Articolazione dei suoni consonantici 2. Elementi di Fonetica Acustica L‘onda semplice L‘onda complessa Il segnale vocale 3. Elementi di Fonetica Articolatoria 4. Nozioni di percezione linguistica

L’onda complessa Nel caso vi siano piu’ onde sonore contemporaneamente, queste interferiscono tra loro sommandosi L’ Onda Complessa ha: Frequenza Ampiezza Fase (compressione o rarefazione) delle onde che la compongono

In altre parole… In ogni momento la pressione dell’onda sara’ data dalla somma delle fasi di pressione di ogni singola onda. Quindi… Le fasi di compressione (alta pressione) di un’onda cancelleranno le fasi di rarefazione (bassa pressione) dell’altra onda Le fasi di compressione di un’onda rafforzeranno quelle dell’altra Le fasi di rarefazione di un’onda rafforzeranno quelle dell’altra

Rappresentazione grafica di un’onda sonora semplice Fonte: http://www.phon.ox.ac.uk/~jcoleman/intro2acoustics1.htm

Rappresentazione grafica di un’onda sonora complessa Le due onde rosse sommate producono l’onda blu. La prima linea verde indica che l’alta pressione delle due onde si rinforza (aumento di pressione). La seconda linea verde mostra che le due onde hanno pressione opposta e si cancellano. Fonte: http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/138/sec4/acoust1.htm

Un Esempio Onda a 300 Hz Onda risultante Onda a 500 Hz http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/phonetics/acoustic/combining-waves.html

Scomposizione dell’onda complessa Ogni onda complessa puo’ essere scomposta nelle sue onde componenti Per scomporre le onde complessi si usa l’analisi di Fourier La versione semplificata dell’analisi di Fourier utiilzzata nei software di analisi acustica e’ chiamata Fast Fourier Transform (o FFT).

Per l’analisi linguistica ci interessa scomporre le onde complesse… Onda complessa aperiodica ( = che non si ripete) Onda complessa periodica ( = che si ripete) Fonte: http://www-personal.umich.edu/~beddor/lsa/

Un Esempio Onda complessa Onda a Onda b Onda c http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/phonetics/acoustic/spectrum-diagrams.html Onda complessa Onda a Onda b Onda c

Cosa ci interessa sapere delle onde componenti l’onda complessa? Frequenza Ampiezza Per esempio, ecco le informazioni delle onde precedenti: onda frequenza ampiezza A 100 Hz 30 dB B 200 Hz 10 dB C 300 Hz 20 dB

Diagramma a spettro L’informazione sulla frequenza ed ampiezza dell’onda puo’ essere visualizzata con un digramma a spettro. Ogni onda semplice viene rappresentata con una linea verticale. La posizione orizzontale della linea indica la frequenza dll’onda L’altezza della linea rappresenta la sua ampiezza. http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/phonetics/acoustic/spectrum-diagrams.html

Frequenza fondamentale e armoniche Ogni onda componente l’onda complessa e’ caratterizzabile da una certa frequenza e ampiezza. La frequenza dell’onda componente che ha la frequenza piu’ bassa e’ detta frequenza fondamentale (F0) o prima armonica. Le altre onde componenti hanno frequenza multipla della frequenza fondamentale e vengono definite seconda armonica, terza armonica, ecc.

Frequenza fondamentale e armoniche frequenza fundamentale (F0) (prima armonica) 2a e 3a armonica http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/phonetics/acoustic/spectrum-diagrams.html

L’onda del segnale vocale L’onda prodotta dalle vibrazioni delle corde sonore ha questo tipo di struttura. La frequenza fondamentale (F0) dell’onda vocale corrisponde al numero di oscillazioni della corde vocaliche nell’unita’ di tempo L’onda prodotta dalle corde vocali, prima di venir modificata dal tratto vocalico, viene chiamata anche onda glottidale.

La frequenza fondamentale La frequenza fondamentale viene percepita come tono della voce (timbro vocalico) Il valore di F0 dipende dalle caratteristiche anatomiche del parlante (es. spessore e lunghezza delle corde vocaliche) e dalla pressione ipoglottidale. Piu’ spesse e lunghe sono le pliche, piu’ bassa e’ la frequenza di vibrazione Il tono della voce di un bambino e’ piu’ alto di quello di una donna Quella di una donna e’ piu’ alto di quella di un uomo

Come analizziamo il segnale vocale? Nel parlato lo spettro cambia continuamente. C’e bisogno di visualizzare i cambiamenti dello spettro nel tempo A questo scopo si usano gli spettrogrammi. Negli spettrogrammi, la linea orizzontale rappresenta il tempo da sinistra a destra e la linea verticale rappresenta gli aumenti di frequenza (dal basso verso l’alto) L’ampiezza e’ una terza dimensione. Dovrebbe essere rappresentata su un piano perpendicolare al piano dell’asse del tempo delle frequenze sull’asse delle x. Per semplificare, gli spettrogrammi hanno adottato la convenzione di rappresentare l’ampiezza con scale di grigio (o di colore) (piu’ scuro = piu’ ampio).

Un esempio F2 alta; F1 bass; una vocale; prob. [i] http://trill.linguistics.berkeley.edu/PhonLab/classes/ling110/lecturesslides_2003.html Un esempio Suono intenso, aperiodico; prob. [s] Bassa energia; attacco brusco di energia in seguito a bassa energia; prob. una occlusiva sorda F2 alta; F1 bass; una vocale; prob. [i]

Cosa possiamo studiare con gli spettrogrammi? Durata vocalica e consonantica Timbro delle vocali Caratteristiche del modo e luogo di articolazione dei suoni (per es., VOT, ecc) Realizzazione sorda e/o sonora dei suoni Epentesi vocalica e consonantica Variazione intra e interlinguistica Ecc.

Un ultimo sforzo prima di parlare in dettaglio dell’analisi del segnale vocale…

La risonanza: esempio Se noi pensiamo a uno strumento musicale a corda, pizzicando la corda, la mettiamo in vibrazione Le vibrazioni colpiscono la cassa armonica e, per effetto del segnale acustico che la colpisce, fanno entrare in vibrazione le particelle dell’aria ad essa circostanti Diciamo allora che la corda e’ la sorgente sonora e la cassa armonica il risonatore

Vibrazione libera e forzata (1) Ogni oggetto puo’ vibrare a determinate frequenze, a seconda della sua conformazione, del materiale di cui e’ costituito, delle sue dimensione, ecc. Es. diapason messo in movimento, corde di uno strumento musicale Le vibrazioni dell’oggetto possono colpire un altro oggetto e fare cosi’ vibrare le particelle d’aria circostanti ad esso http://www.glenbrook.k12.il.us/GBSSCI/PHYS/Class/sound/u11l4b.html

Vibrazione libera e forzata (2) Possiamo distinguere tra due tipi di vibrazioni: Vibrazione libera: (es. Diapason) frequenza naturale di vibrazione dell’oggetto (frequenza a cui l’oggetto tende a vibrare). Vibrazione forzata: (es. molecole d’aria circostanti) frequenza di vibrazione della fonte del movimento (la frequenza e l’ampiezza dipendono dalla fonte delle vibrazioni) http://www.glenbrook.k12.il.us/GBSSCI/PHYS/Class/sound/u11l4b.html

Sorgente e risonatore (filtro) dell’onda Quando un’onda passa attraverso un risonatore La frequenza delle onde componenti e’ determinata dalla sorgente L’ampiezza dei componenti e’ determinata dal filtro

Modello sorgente/filtro per la produzione del parlato Questo modello dice che l’onda complessa che esce dalla bocca di un parlante dipende da: La sorgente: l’onda glottidale (= per suoni sonori la vibrazione delle corde vocali) Il filtro: amplificazioni e de-amplificazioni imposte dal tratto vocalico

Caratteristiche della sorgente 500 1000 1500 2000 2500 F0 = 100 HZ F0 dipende dalla velocita’ di vibrazione delle corde vocaliche Le armoniche si trovano ad ogni numero intero multiplo di F0 Le armoniche diminuiscono in ampiezza crescendo in frequenza 500 1000 1500 2000 2500 F0 = 200 HZ Fonte: http://www-personal.umich.edu/~beddor/lsa/

Caratteristiche del filtro Il tratto vocalico cambia le sue caratteristiche di filtro a seconda della sua forma (e cioe’ dalla posizione della lingua, labbra, mandibola, velo) Nella sua configurazione ‘neutra’ , il tratto vocalico assomiglia ad un tubo chiuso da un lato (glottide) ed aperto dall’altro (labbra). In questa configurazione, il ‘tubo’ ha una sezione trasversale abbastanza uniforme La lunghezza media di questo ‘tubo’ per un parlante adulto maschio e’ di circa 17 cm Fonte: http://www-personal.umich.edu/~beddor/lsa/

Il tratto vocalico Il tratto vocalico assomiglia ad un tubo aperto In un tubo di una data lunghezza, l’aria tendera’ a vibrare alla frequenza della risonanza del tubo. Lato chiuso Lato aperto Lunghezza 17.5 cm. Figure from W. Barry Speech Science slides

Frequenze in posizione ‘neutra’ Per un tubo aperto da un lato della lunghezza di circa 17 cm, le Le frequenze naturali sono 500 Hz, 1500 Hz, 2500 Hz, 3500 Hz (corrispondono al suono di una [ə].

Effetto del passaggio dell’onda vocalica attraverso il tratto vocalico nella configurazione neutra Spettro d’onda Spettro risultante Risonanze del tratto vocalico http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/phonetics/acoustic/spectrum-diagrams.html

Le formanti vocaliche (1) Le frequenze naturali di risonanza del tratto vocalico sono dette formanti (anche dette frequenze formantiche) Le formanti caratterizzano acusticamente le diverse vocali Per ogni vocale si individuano delle frequenze di risonanza tipiche, denominate prima formante (o F1), seconda formante (o F2), terza formante (o F3), ecc. Le formanti sono determinate dalla configurazione del tratto vocalico. Diverse configurazioni della lingua, delle labbra e del velo nella produzione delle vocali corrispondono a diverse frequenze formantiche

Le formanti vocaliche (2) Precisamente: Le vibrazioni delle corde vocali determinano la frequenza fondamentale (F0) Fo determina la frequenza delle formanti (le armoniche sono multipli di Fo) La configurazione del tratto vocalico determina l’ampiezza delle armoniche Fonte: http://www-personal.umich.edu/~beddor/lsa/ Spectrum of output F1 F2 F3 h1 h15 h5 h7 F0 = 100 Hz F0 = 200 Hz

Analisi vocalica con lo spettrogramma Gli spettrogrammi forniscono una rappresentazione del segnale vocale in cui la frequenza viene plottata sull’asse delle y ed il tempo sull’asse delle x L’ampiezza viene indicata con toni di colore piu’ scuro Le formanti sono evidenti sullo spettro come bande piu’ scure (indicanti l’ampiezza) Ampiezza: toni scuri di energia acustica Frequenza Tempo

Rappresentazione digitale dello spettro E’ possibile anche ottenere un’immagine di un momento particolare di un evento acustico, con uno spettro, e confrontarlo con lo spetto di un altro evento. Fonte: http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/phonetics/acoustic/spectrograms.html

Le formanti vocaliche Le ‘bande formantiche sono chiaramente visibile e distinguono le diverse vocali Parole: heed, hid, head, had, hod, hawed, hood, who’d Fonti: Ladefoged “A Course in Phonetics”, http://hctv.humnet.ucla.edu/departments/linguistics/VowelsandConsonants/

Relazione con l’articolazione vocalica La prima formante (F1) e’ direttamente correlata all’altezza vocalica: maggiore e’ l’altezza vocalica minore e’ F1 [i], [u] hanno valori di F1 attorno ai 300 Hz [ɑ] ha valori di F1 attorno ai 700 Hz La seconda formante (F2) e’ inversamente correlata all’anteriorita’ vocalica: piu’ anteriore e’ la vocale maggiore e’ F2 [i] ha valori di F2 attorno ai 2200 Hz [u] ha valori di F2 attorno ai 850 Hz

Relazione con il trapezio vocalico: Un esempio dall’Inglese Canadese Fonte: http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/phonetics/acoustic/formants.html

Le fricative Nelle fricative, il flusso di aria turbolento crea un’onda non periodica, con frequenze irregolari. Negli spettrogrammi il rumore delle fricative e’ dislocato in diverse regioni, corrispondenti a diversi valori delle frequenze di questi suoni: [s] ha frequenze piu’ alte di [S]; entrambi hanno frequenze piu’ alte di [f] o [θ]. Le fricative sonore, le vibrazioni delle corde vocaliche compaiono come una banda sonora alla base del suono, sotto il rumore di frizione

Fricative sorde Fonte: http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/phonetics/acoustic/spectrogram-sounds.html

Fricative sonore Fonte: http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/phonetics/acoustic/spectrogram-sounds.html

[h] [h] appare come una versione sorda della vocale precedente o seguente, avendo caratteristiche intermedie tra una vocale ed una fricativa. Tipicamente e’ visibile rumore simile a quello di una fricativa, ma sono individuabili delle deboli formanti.

[h] Fonte: http://www.umanitoba.ca/faculties/arts/linguistics/russell/phonetics/acoustic/spectrogram-sounds.html

Occlusive Nelle occlusive sorde, la fase di tenuta appare nello spettrogramma come silenzio (spazio bianco). Nelle occlusive sonore, la fase di tenuta appare come una banda con vibrazioni alla base dello spettrogramma (a volte puo’ non essere visibile). Maggiori informazioni sulle occlusive sono ricavabili dalla fase del rilascio (visibile come una banda verticale dopo il silenzio della fase di tenuta e seguita da un breve rumore di frizione) e dalle transizioni formantiche nella vocale seguente.

Esempi di oclusive sorde a pam: la chiusura delle labbra abbassa tutte le formanti; aumento delle formanti all’inizio della parola a tan: F1 sale, F2 ed F3 diminuiscono leggermente a kang: F2 e F3 ravvicinate: questa e’ una caratteristica delle velari. Le transizioni formantiche sono piu’ lunghe che per le alveolari o labiali. Fonte: Ladefoged “A Course in Phonetics”, http://hctv.humnet.ucla.edu/departments/linguistics/VowelsandConsonants/

Esempi di occlusive sonore a bab: la chiusura delle labbra abbassa tutte le formanti; aumento delle formanti all’inizio della parola a dad: F1 sale, F2 ed F3 diminuiscono leggermente a gag: F2 e F3 ravvicinate: questa e’ una caratteristica delle velari. Le transizioni formantiche sono piu’ lunghe che per le alveolari o labiali. Fonte: Ladefoged “A Course in Phonetics”, http://hctv.humnet.ucla.edu/departments/linguistics/VowelsandConsonants/

Nasali e approssimanti Nasali e approssimanti hanno l’aspetto di deboli vocali, senza molta energia alle alte frequenze. Solo a volte sono individuabili delle formanti alla alte frequenze. Sono in generale di difficile individuazione.

Pratica con Praat Per scaricarlo: http://www.fon.hum.uva.nl/praat/ Breve manuale (in inglese) http://www.stanford.edu/class/linguist236/Praatbasics.pdf Manuale ufficiale (in inglese) http://www.stanford.edu/dept/linguistics/corpora/material/PRAAT_workshop_manual_v421.pdf