Referat Mikrovariationen der gesunden Stimme

Mikrovariationen der gesunden Stimme

Keywords

Mikrovariation: voice perturbation

Mikrovariation der Frequenz: fundamental frequency perturbation = Jitter

Mikrovariation der Amplitude: amplitude perturbation = Shimmer

motorische Einheit: motor unit ( = efferenter Nerv und die und die mit ihm verbundenen Muskelfasern)

Nervenimpulse i.d. Muskeln: neuromuscular firing

musculus thyroarytaenoideus Muskel zwischen Schild- u. Stellknorpel

Inhaltsverzeichnis:

_{) Einführung}

_{) Shimmer}

_{) Jitter}

_{) Ursachen der Mikrovariationen}

_{.i ) Der Einfluß des Pulsschlags}

_{.ii) Nervenimpulse}

_{.iii) Struktur der Stimmlippen}

_{) Einflüsse und Abh ngigkeiten}

_{) Versuche und Me verfahren}

_{) Formeln und Vergleichswerte}

) Literatur

) Einführung

Auch bei lange gehaltenen Vokalen ist das Oszillogramm nicht streng periodisch, sondern es treten Abweichungen der Periode (Jitter) und Abweichungen der Amplitude (Shimmer) auf. Dies ist sowohl bei gesunden Sprechern als auch bei Patienten, die an einer Stimmst rung leiden, der Fall. Standardabweichungen von <= % vom Durchschnittswert des Sprechers gelten als 'normal , Mikrovariationen von mehr als % werden als pathologisch eingestuft.

Aus diesem Sachverhalt erklärt sich auch die prim re Bedeutung der Mikrovariationen. Sie sind zwar so gering, daß sie rein auditiv schwer zu bestimmen sind, jedoch mit entsprechender akustischer Analyse sind sie gut zu

analysieren und stellen dann ein Merkmal zur Fr herkennung von Larynxerkrankungen dar.

Weiterhin muß man die Mikrovariationen der Stimme zu erkennen und zu deuten wissen, wenn man

Untersuchungen zur Prosodie o . vornimmt, um eine Verfälschung des Ergebnisses zu vermeiden.

Schlie lich können die Mikrovariationen auch für Spracherkennung und Sprachsynthese von Bedeutung sein, da sie nach Lyberg für die Natürlichkeit und die Erkennbarkeit von Sprachsignalen eine Rolle spielen.

) Shimmer

Definiert ist Shimmer als die durchschnittliche Differenz (in dB) zwischen aufeinanderfolgenden Amplituden, wobei

Amplitude ihrerseits als peak-to peak distance' verstanden wird.

Der Durchschnittswert f r Shimmer einer gesunden Stimme liegt zwischen 0 5 und 22 dB. (Nach Haji et

al. 8

Nach Titze ist der Shimmer in Verbindung mit dem Elektroglottographen eigentlich geeigneter zur Bestimmung von Irregularit ten bei der Stimmlippenvibration ( besonders bei der hoarse-voice , der heiseren Stimme) jedoch bisher besch ftigte sich die Forschung weitgehend mit der Periodenvariation, dem Jitter, von dem deshalb hier auch hauptsächlich die Rede sein wird.

) Jitter

Unter Jitter versteht man die Mikrovariation der Grundfrequenz (F0). Durchschnittswerte finden sich in der Tabelle am Ende des Referates.

Bei Stimmkrankheiten erhöht sich die Abweichung, vor allem bei Krankheiten, die die Symmetrie ( die Spannung oder die Masse) der Stimmlippen betreffen.

Auch ist zu beobachten, daß der Jitter zu Beginn und am Ende eines gehaltenen Tones besonders hoch ist.

) Ursachen der Mikrovariationen

i ) Der Einfluß des Pulsschlags

Vermutung : Die Blutzufuhr bläht die Stimmlippen auf und verändert somit periodisch die Stimmlippenbewegung . Untersuchungen von Orlikoff Baken ergaben, daß sich die Schwankungen der Grundfrequenz tatsächlich periodisch

wiederholten wobei die Periodendauer etwa dem zeitlichen Abstand zwischen den Pulsschl gen entsprach.

Nach Orlikoff/Baken belief sich der Beitrag des Pulsschlags zum gesamten Jitter auf 0 5 - 0 0 % :

bei Männern auf durchschnittl. 9 % bei Frauen auf durchschnittl. 4 % insgesamt also auf 6 %

Die Dauer betrug im Schnitt bei M nnern 7 µs , bei Frauen 0 µs = insges. 2 3 µs.

Vor allem betroffen ist der musculus thyroarytaenoideus (vocalis , der zwischen Schild- und Stellknorpeln verläuft. (Dem Problem, daß die gehaltene Phonation eine Atemhalteübung darstellt und sich daher dabei auch der

Herzschlag ändert, wurde brigens dadurch entgegengewirkt, daß jeder F0 - Wert relativ zum Grundfrequenz- Mittelwert ( pro cardiac cycle ) gesehen wurde).

.ii) Nervenimpulse

Das Auftreten von Nervenimpulsen scheint zu bewirken, daß sich die Stimmlippen rhythmisch zusammenziehen. Die Impulse in den motorischen Einheiten ( s.o ) führen dazu, daß der musculus thyroarytaenoideus zu zucken

beginnt (für diesen Muskel wurde es genauer untersucht, ist aber wohl für andere laryngale Muskeln in ähnlicher

Weise anzunehmen (Titze 1 9 ).

Der dadurch entstehende Jitter h ngt ab von

der Anzahl der motorischen Einheiten viele m E. können das Zucken' einer einzigen gewisserma en

ausgleichen

der Frequenz der Impulse (der Jitter wird geringer, wenn mehr als 50 Reize pro Sekunde erfolgen, da dann dem Muskel nicht genug Zeit bleibt zu erschlaffen und es einfach zu einer Dauerverkürzung Tetanus) kommt.

der L ngenvariation der motorischen Einheiten (je unterschiedlicher die L ngen der Muskelfasern, desto gr er ist der Jitter exponentieller Zusammenhang )

der Impulsvariation (wie bei Längenvariation)

.iii ) Struktur der Stimmlippen

Eine weitere Erklärung f r Jitter und Shimmer ist die Struktur der Stimmlippen. Es könnte n mlich sein, daß sie

innerlich vibrieren

Je kleiner und fester rigid ) die Stimmlippen sind, desto geringer w re demzufolge die Mikrovariation.

Darauf deutet ebenfalls hin, daß der Jitter mit steigender Grundfrequenz - bei der die Stimmlippen immer gespannter werden - abnimmt. Auch sind verschiedene Werte des Jitters bei unterschiedlichen Vokalen beobachtet worden (

aber hierzu s.u. Einfluß des Alters

) Einfl sse und Abh ngigkeiten

Zungenbewegung

Der Kehlbereich ist ein hochkomplexes System aus B ndern Knorpeln und Muskeln, auf das sogar weitentfernte

Muskelpartien Einfluß haben (z B. wirkt sich die K rperhaltung auf die Phonation aus .

Daß sich die Jitter Werte f r die verschiedenen Vokale so deutlich unterscheiden , könnte an der variierten

Zungenstellung / bewegung liegen. Geschlecht ?

Nein. Die durchschnittlichen Jitter Werte für M nner und Frauen unterscheiden sich zwar, jedoch ist dies höchstwahrscheinlich auf die allgemein höhere Grundfrequenz der weiblichen Probanden zurückzuf hren.

Gesundheit

Larynxerkrankungen haben, wie gesagt, erhöhte Mikrovariationen zur Folge. Aber auch schon eine Erkältung kann die speechwave' wegen der Bewegung der relativ gro en Menge Schleims auf den Stimmlippen beeinflussen.

Alter

Prinzipiell kann man sagen, daß jüngere Menschen geringere Mikrovariationen aufweisen als ältere. Aber eine

Studie von Linville ) zeigt, daß dabei zwischen den jeweiligen Vokalen zu differenzieren ist:

Altere Frauen Weisen bei a / einen h heren Jitter als bei / i / und u / auf ; bei jüngeren Frauen verhält es sich genau umgekehrt.

) Versuch und Me verfahren

Probanden: Nichtraucher, keine Stimmausbildung, keine Stimmerkrankungen zum Zeitpunkt des Versuchs oder in der Vergangenheit.

Versuch: Ein Vokal sollte solange wie möglich gehalten werden, bei bestimmter Frequenz visuelles Feedback: Voltmeter) und bestimmter Lautst rke zum Messen und Anzeigen des Luftstroms .

Diese Laborsituation hat den Vorteil, daß Koartikulation und prosodische Erscheinungen, wie sie z B, in der gesprochenen Sprache auftreten, ausgeschlossen werden können.

Das Signal wird in ein Mikrophon 'gesprochen , die Analyse erfolgt digital.

Bisweilen wird auch ein Elektroglottograph (EGG) verwendet, der sehr gut geeignet ist, Unregelm igkeiten der Stimmlippenvibration - bes. der Amplitude - anzuzeigen. Die einfache EGG Welle erleichtert die digitale Analyse; au erdem werden noch weitere Aspekte angezeigt, deren Bedeutung bisher nicht g nzlich gekl rt ist (z.B. die Art u. Weise der Stimmlippenberührung).

Die Vorteile der Mikrovariationsbestimmung als diagnostisches Mittel bestehen zum einen in der angenehmen - da u erlichen - Anwendung (es wird kein Gegenstand in den Rachenraum eingef hrt) und zum anderen in den relativ geringen Kosten was die Gerätschaften und ihre Anwendung betrifft .

Nachteile:

Die Versuche zum Problem der Mikrovariationen sind sehr aufwendig, vor allem ist der Zeitaufwand sehr gro . Daher wurden stets weniger als 20 Probanden, von denen immer mehrere Aufnahmen gemacht werden müssen,

untersucht.

Die Bestimmung von Jitter und Shimmer erfolgt in der Forschung bisher leider sehr uneinheitlich. Die verschiedenen Me ger te und die unterschiedliche Analyse-Software führen zu abweichenden Ergebnissen.

Die Studie von Karnell et al. 9 1) zeigt das sehr deutlich am Beispiel der 'voice laboratories' von Chicago, Denver und Pine Brook. Auch die Tabelle am Ende dieses Beitrags l t dies vermuten. Daraus folgt, daß alle angegebenen Werte nur unter Vorbehalt zu akzeptieren sind. Das prim re Ziel weiterer Forschungsarbeit sollte also darin

bestehen, bessere / einheitliche Me verfahren zu finden.

) Formeln und Vergleichswerte

Zum Schluß seien noch drei Formeln zur Bestimmung des Jitters aufgeführt: Der prozentuale Jitter Faktor (Hollien et al , 9 3)

durchschnittl. Abweichung von der Periodendauer * 1 0) JF =

durchschnittl. Periodendauer des Signals

der 'Pitch Perturbation Quotient' (Davis, 1 76) als das Verhältnis der Summe von Periodendifferenzen mit einem gleitenden Periodenmittelwert zur mittleren Periodendauer:

und der Directional Perturbation Factor' Hecker Kreul, ) Anz. Vorzeichenwechsel DPF =

Anz. möglicher Vorzeichenwechsel

der unter Verwendung der beobachteten Vorzeichenwechseln bei Differenzen aufeinanderfolgender Perioden) und den möglichen Vorzeichenwechseln von der individuellen Grundfrequenz unabhängig ist.

Die folgende Tabelle zeigt die in verschiedenen Versuchen bestimmten JF für i/ und u/. Die Vokale wurden jeweils von weiblichen Versuchspersonen gebildet, deren Alter in eckigen Klammern angegeben ist.

Vokal Linville(1 8 ) Higgins/Saxman( 98 ) Casper 9 3) Sorensen Horii(1 8 /8 )

1 -22 J ] 1 6 J ] 22- 9 J ] 5-49 J ] i/ 0 7% 0 1% 0 55% 0 96% /u/ 4% 3% 6% 6%

Literatur

Haji, T. et al. (19 6) Frequency and amplitude perturbation analysis of electroglottograph during sustained

phonation, JASA, 0 1, S 58- 2

Higgins, M B ; Saxman, J H. (1 8 ) A comparison of intrasubject variation across sessions of three vocal fundamental perturbation indices, JASA, 86 3, 9 1-9 6

Karnell, M P. et al. 9 1) Comparison of Acoustic Voice Perturbation Measures Among Three Independent Voice

Laboratories JSHR, 3 , 8 89

Linville, S E. (1 88) Intraspeaker variability in fundamental frequency stability: An age related problem , JASA,

Orlikoff, R F ; Baken, R J. (1 8 ) The Effect of the Heartbeat on Vocal Fundamental Frequency Perturbation, JSHR, 2 3, S 5 6-5 2

Schoentgen, J. (1 9 ) Acoustic features of dysphonic voices, Rapport d'Activites-de l'Institute-de-Phonetique, 2 , S.

Titze, I. ) A Model for Neurologic Sources of Aperiodicity in Vocal Fold Vibration, JSHR, 4 3, S 4 0-4 2