DE2602307C2 - Schaltungsanordnung zum Erfassen und Darstellen des vom Kehlkopf abgegebenen Sprechmusters (Laryngograph) - Google Patents

Description

Wird eine konstante Spannung auf diese Anordnung gebracht, dann ist der resultierende Strom direkt proportional

P- + ^l

Die Z/7-Komponente ist nicht nur von einem Sprecher zum andern sehr unterschiedlich, sondern ändert sich auch während des Sprechens, da die tragenden Strukturen des Halses ihre Stellung leicht ändern und unterschiedliche Kehlkopfanpassungen vorgenommen werden. Daraus folgt, daß die konstante Stromanordnung unbedingt vorzuziehen ist, da sich bei ihrer Leistung die ZAKomponente von der Zn-Komponente trennt.

Außerdem ermöglicht die Verwendung einer niedrigen Impedanzspannungsquelle und eines Detektors für Niedrigimpedanz den Gebrauch von völlig abgeschirmten langen Leitungen. Schutzring-Elektroden und Isolierumformern, so daß der Sprecher von einem Hauptgerät elektrisch isoliert und seine Leistung gegen Interferenz abgeschirmt ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 16 beschrieben.

Um die Erfindung besser zu verstehen, wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, die nur als Beispiel dienen sollen.

In diesen zeigt

F i g. 1 in schematischer Form die Wellenform- (Lx) Information, die man von einem elektrischen Kehlkopf-Schwingungsaufzeichnungsgerät bekommen kann,

F i g. 2 zeigt in schematischer Blockform eine erste bevorzugte Anordnung, um Lv-Wellenformen zu bekommen,

F i g. 3 zeigt eine wahlweise Anordnung zum gleichen Zweck.

Fig.4 zeigt in schematischer Blockform einen Tongebungskorrelat F*-Darstellungsgenerator,

F i g. 5 zeigt zwei Tongebungs- plus Grundlinienmuster,

Fig.6 ebenfalls in schematischer Blockform einen Sprechtonmuster-Darstellungsgenerator und

F i g. 7 zeigt in schematischer Blockform die Fernseh-Signalcodierung einer Sprechtonmusterdarstellung. «

In F i g. 1 werden die Sprechdruck-Wellenform und die Laryngograph-Antwortwelle gezeigt. Es erfolgt nur eine Reaktion auf die Stimmlaute einer Äußerung und die Antwort. Die Wellenform Lx in F i g. I ist weitgehend unabhängig von der Sprechdruck-Wellen- so form Sp.

Es werden jetzt zwei Anordnungen für die Feststellung der Lx-Wellenform beschrieben. F i g. 2 zeigt einen abgestimmten »Laryngographen« mit automatischen Trägerhöhenstellknöpfen und der Feststellung durch Aufspalten. Fig.3 zeigt einen nichtabgestimmten »Laryngographen« mit automatischer Trägerhöhenregelung und Erfassung durch aufgespaltete Multiplizierung. Bei beiden Anordnungen wird eine Sendeschutzringelektrode T von einem Oszillator 2 mit niedriger Ausgangsimpedanz, am besten unter IO Ohm, über einen Isoiiertransformator angesteuert Elektrodenvaseline (Gelee) ist nicht erforderlich, weder für die Sende-EIektrode T noch für eine Empfängerelektrode R, die auf ähnliche Weise mit einem anderen Isoliertransformator verbunden ist Diese Transformatoren sind wichtig zur Sicherstellung einer vollständigen elektrischen Isolierung der Elektrodenhalter.

Im Stromkreis von F i g. 2 wird das empfangene Signal von einem auf die gleiche Frequenz wie der Oszillator 2 abgestimmten Verstärker 1 verarbeitet; wobei die Frequenz am besten zwischen 500 KHz und 5MHz liegt. Der Verstärker 1 steuert einen Feststellkreis 3 an, in dem nur der obere Teil des modulierten Lr-Trägers erhalten bleibt. Sorgt man dafür, daß dieser Teil im wesentlichen unverändert bleibt, abgesehen von der Lx- Komponente, kann die auf Zn-Veränderungen beruhende Veränderlichkeit (wie sie vorher beschrieben wurde) weitgehend ausgeschaltet und die Betriebsbedingungen der nachfolgenden Teile des Kreises aufrechterhalten werden, trotz der naturgegebenen Veränderlichkeit des Sprechers und der Änderung von einem Sprecher zum andern. In der Anordnung nach Fig.2 wird dieser obere Abschnitt mittels Rückkopplung zum Aufspaltkreis konstant gehalten. Das rückgeführte Signal wird, wie gezeigt, von der Gleichstromkomponente einer Tiefpaßverstärker-Stufe 4 abgeleitet und über die Aufspalthöhenkontrolle S zurück zum Detektor 3 geleitet.

Das Ausgangssignal von Detektor 3 kann bei Filterverstärker 6 gefiltert und verstärkt werden, um die Zjr-Wellenform zu bekommen, oder Lx kann von Tiefpaßverstärkerstufe 4 aufgenommen werden.

Eine wahlweise oder zusätzliche Vorrichtung zum Konstanthalten des oberen Abschnittes besteht aus einer Niveaukontrolle 7 für den Oszillator 2, die wie das Rückkop^lungssignal vom Verstärker 4 abgeleitet wird. In F i g. 2 sind beide Abschnittssteuersysteme eingebaut in derselben Verkörperung, aber es muß darauf hingewiesen werden, daß die beiden Systeme auch getrennt und wahlweise verwendet werden können. Das erste System weist einen theoretischen Vorteil auf, da es keine Steuersignalmodulation des Kehlkopfausganges aufweist.

Bei der praktischen Verwendung des »Laryngographen« können Interferenzerscheinungen durch Rundfunksender auftreten, die dieselbe Frequenz benutzen oder durch andere Kurzwellengeräte, zum Beispiel Diathermiegeräte in einem Krankenhaus. Der Empfang solcher Interferenzen durch die Anordnung nach F i g. 2 kann eine Änderung der Betriebsfrequenz durch Neuabstimmung erforderlich machen. Obgleich dies möglich ist, bietet die Anordnung nach Fig.3 einen leichteren Zugang zu einer Lösung, bei der nur die Betriebsfrequenz des Oszillators 2 geändert werden muß.

Es können gleiche Referenzziffern für die gleichen Teile in Fig.2 und 3 gebraucht werden, wobei die Anordnung nach F i g. 3 sich von der in F i g. 2 nur durch die Art der Modulationsfeststellung unterscheidet.

Wie in F i g. 3 gezeigt, speist ein Breitband- oder ein nichtabgestimmter Aufspaltverstärker 11 einen Multiplizierungsdemodulator 8, der selbst wieder den Trägerfilterverstärker 4 und den Filterverstärker 6 ansteuert Während in F i g. 2 die Rückkopplungssteuerung zwischen Aggregat 3 und 4 über Aggregat 5 geschieht, geschieht sie in Fig.3 zwischen Aggregat 4 und 11 über Aggregat 5 mit einer weiteren Verbindung von Oszillator 2 zu Demodulator 8.

Die Oszillatorhöhensteuerung geschieht mittels 4, 7 und 2. Der »Laryngograph« ist besonders für diese Art der Signalverarbeitung geeignet, weil die Sendequelle direkt mit den Empfangskreisen in Verbindung steht

Bei beiden Anordnungen von Fig.2 und 3 werden identische Sende- und Empfangselektroden T, R verwendet und etwa 3 V (Effektivwert) maximal auf die

Sendeelektrode T gegeben. Eine praktische und bevorzugte Elektrodenkonstruktion, die bequem zu tragen ist und elektrisch gut funktioniert, basiert auf der Verwendung einer normalen gedruckten Stromkreistafel, die geätzt ist und so ein zentrales ringförmiges Element (das man auch durchlöchern kann) von etwa 17 mm Gesamtdurchmesser bildet mit einem in 3 mm Abstand davon gelegenen 5 mm breiten konzentrischen Rint Dieser kann mit einer normalen Stanze auf einer Spindeipresse aus der Tafel gebildet werden. Eine zweiseitig gedruckte Stromkreistafel mit durchplattierten Anschlüssen kann vorteilhaft verwendet werden, wobei die Rückseite eine Erdabschirmung und eine angelötete Verankerung für Kabel aufweist.

Man sollte hier praktischerweise darauf hinweisen, daß die vom »Laryngographen« abgeleiteten Signale Lx aus folgenden Gründen nützlich sind:

(1) das Signal gibt Informationen über Natur und Dauer des Siirninbandkoniakies, ohne den Spre- s> eher oder sein Sprechen zu behindern; dies kann beim Lehren von Sprechen und Sprechfertigkeiten benutzt werden;

(2) Störungen der Stimmbänder und des Sprechens selbst haben charakteristische Korrelaten im Lx-Signal, und diese Eigenschaften können für die Diagnostik verwendet werden;

(3) Das »Laryngograph«-Signal kann direkt oder indirekt dazu verwendet werden, stimmenähnliche Laute für Forschung und Unterhaltung zu erzeu- M gen. Man stellt bei jedem Zyklus eine typische Schließung fest und von der Schließungsdauer lassen sich abgeleitet Signale erzeugen, aber Lx kann direkt oder über Kreisverarbeitung verwendet werden, um eine unmittelbare Hörstimulation oder einen Eingang für Aufzeichnung zu liefern.

(4) Die visuelle, fühlbare oder schwingungsmäßige Darstellung für eine Person kann zum Lehren der Stimmerzeugung verwendet werden.

(5) Die Immunität von Lx gegenüber akustischen ⁴<> Geräuschen liefert die Grundlage für einen idealen Stimmdetektor und ermöglicht auf ihrer Verwendung neuartige und wirksame Methoden der Sprechübertragung zu entwickeln.

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Sobald die Lx-Wellenform am Ausgang von Filterverstärker 6 erzeugt wurde, kann man Sprechanalysen anstellen, die normalerweise schwierig und sogar akustisch unmöglich sind. Die betreffenden Methoden hängen im wesentlichen von zwei Funktionen ab.

Die erste Funktion beinhaltet die Verwendung von Lx zum Aufspüren der Anwesenheit von stimmlich wahrnehmbaren Kehlkopfvibrationen. Da der Stimmbandschluß zur Erzeugung eines guten stimmlichen Tones notwendig ist und Lx nur vom Stimmbandschluß erzielt werden kann, liefert Lx eine ausgezeichnete Anzeige vom Sprechen, die keine akustische Störung oder innere Geräusche der Stimmbildungsorgane beeinträchtigen kann.

Die zweite Funktion verwendet die außerordentliche Zuverlässigkeit des steilen Anstiegs der Lx-Wellenform als Anzeichen des Stimmbandschlusses. Dieser Lx-Anstieg bildet ein genaues Anzeichen des Beginns jedes Stimmbandzyklus.

Aus Fig.4 läßt sich ein besseres Verständnis der Anwendung dieser Funktion gewinnen über die Methode, die zur Ableitung, Darstellung und Aufzeichnung von Tongebung verwendet wird.

Das Zjr-Signal wird bei 40 durch das Band gefiltert; das Signal kommt dabei entweder direkt vom (nicht gezeigten) »Laryngographen« oder von einer »Laryngograph«-Aufzeichnung, die während des Sprechens gemacht wurde.

Ein teilweises Ampütudenaufspalten von Lx und die folgende volle Wellengleichrichtung bei 51 erzeugen ein Signal, das mit einer Zeitkonstante von nur wenigen Millisekunden so geglättet werden kann, daß es eine gute Sprechanzeige liefert. Dieses geglättete Signal wird nicht durch Spitzen in der Stimmbandtätigkeit ungebührlich beeinflußt, ist aber trotzdem empfindlich genug für den Beginn und das Ende von Kehlkopfschwingungen beim Sprechen und kann einen bistabilen Stromkreis setzen und zurücksetzen, der An- oder Abwesenheit der Stimme in einem Steuerungssystem nach normalen logischen Kreisen anzeigen kann.

Dieser Sprechanzeiger kann dazu verwendet werden, falsche Kehlkopfimpulse an der Abgabe von unechten informationen zu hindern, in Fig.4 wird bei 4i ein kontinuierliches Aufspalten bewirkt und ein gleichmäßiger Impuls durch Generator 42 für jeden Kehlkopfschluß abgegeben. Dieser erzeugte Impuls kann verwendet werden, um normale logische Stromkreise zu steuern, die die Grundlage für die Messung der Vibrationszeit des Stimmbandes, Tx, abgeben.

In Fig.4 werden Vorrichtungen gezeigt, wodurch zeitlich gleich- oder ungleichmäßige Taktimpulse von 50 über 48 bei 49 gezählt werden können, um ein Maß von Tx abzugeben, das über 52 in einem Wiederzuführungs- oder wahlweise einem Einfachzugangsspeicher 54 gespeichert werden kann. Die endgültige Darstellung von Fx durch 57 geschieht am besten in logarithmischem Maßstab, und wenn gleichmäßige Taktimpulsabstände verwendet werden, muß der Ausgang aus dem Speicher in 56 logarithmisch umgewandelt werden nach einer digitalen in eine analoge Umkehrung. Wird ein passender nichtlinearer Taktimpulsabstand verwendet, kann diese logarithmische oder jede andere gewünschte Umwandlung im Tx-Wandler 49 vorgenommen werden, und zwar vor den Speichern, und 56 braucht nur noch analog umgewandelt zu werden.

Die Darstellung 57 kann vorteilhaft als Eingangssprechen auftreten und seine begleitende Lx fortschreiten. Man kann dann dem Sprecher beibringen, sein Sprechen mit unmittelbarem Bezug auf das dargestellte Muster zu modifizieren und zu korrigieren. Die Anordnung. für eine gespeicherte Fx-Darstellung aus Lx-Informationen, die in Fig.4 gezeigt wird, kann leicht mit einfachen bekannten Vorrichtungen zum Ausziehen und Darstellen der Sprechintensität oder Amplitudeninformation verbunden werden. Obgleich Fx das primäre physikalische Korrelat von Streß bildet, ist auch die Amplitude, die das physikalische Korrelat der Lautstärke ist, wichtig bei der Streßwahrnehmung.

Es stehen einfache bekannte Wege zum Ausziehen der Amplitudenhülle zur Verfugung, und dieses Signal kann (in Komputersprache) mit ftr-Wörtern im Speicher verpackt und in der Darstellung verwendet werden, um die Spur heller oder breiter zu machen oder die Farbe der Darstellung zu ändern.

Beim Fortschreiten der Darstellung von links nach rechts ist es ein beträchtlicher Vorteil, wenn eine visuelle Darstellung verwendet wird, denn die stummen und nichtgesprochenen Teile des Sprechens werden dann durch eine Grundlinie wiedergegeben, die horizontal mit konstanter Höhe über die Darstellung verläuft Der Grundliniengenerator 53 dient nicht nur

als Stellenmarkierung über die Zeit, sondern kann auch beim Lehren zum Anzeigen der gewünschten Stimmhöhe verwendet werden, wenn er verstellbar gemacht wird.

Dies ist in F i g. 5 dargestellt, wo dasselbe Gespräch in Bezug auf zwei Grundlinienhöhen gezeigt wird. Die Darstellung kann automatisch für spätere Versuche des Lernenden oder mit manueller Steuerung 55 wiederholt werden. Man kafß dem Lernenden auch ein Tonbandmodell zur Verfügung stellen, und zwar mit Sprechen auf einer und Lx zum Erzielen von Fx auf der anderen Spur. Dieses Tonband kann auch verwendet werden, um die Darstellung durch die Verwendung eines Vorläufertones oder Codesignales zu steuern, das den Speicher löscht und dann nach Art von 55 Speicher und Darstellungssequenz wieder einschaltet.

Die Verwendung eines Digitalspeichers und der damit verbundenen digital-logischen Kreise ergibt einen hohen Zuverlässigkeitsgrad und die Möglichkeit einer Weiterverarbeitung durch nichtgezeigte Vorrichtungen. In der besonderen Verkörperung von F i g. 4 wird eine Vorrichtung zum Steuern eines Diagrammschreibers 45 oder eines x-y-Aufzeichners 44 gezeigt. Da diese Vorrichtung 46 in der Technik bekannt wird, wird sie hier nicht weiter beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Verwendung eines Pufferspeichers 43 eine vollständige Aufzeichnungskontrolle durchzuführen vermag, so daß nur gesprochene Abschnitte des Sprechens langsam und genau geschrieben werden, während dazwischenliegende stimmlose oder stumme Pausen mit angehobener Feder schnell übergangen werden.

Für Taube können Sprechfertigkeiten, die von der Kontrolle von Atmung, Zeiteinteilung und der dynamischen Verstellung der Stimmbänder abhängen, besser mit der auf dem »Laryngographen« gründenden Darstellung als mit irgendeiner anderen Technik gelehrt werden. Dieser Weg ist jedoch nicht besonders nützlich für das Lehren von solchen Sprechfertigkeiten, die von der Kontrolle der Artikulation abhängen.

Die genaue Einstellung von Lippen, Zunge, weichem Gaumen und Pharyn des Sprechers sind ebenfalls notwendig, um eine ausreichende Bestimmung der Töne des Sprechens zu erlangen. Der Erfolg der Tongebungsdarstellung beruht auf ihrer Fähigkeit, ein direktes Korrelat zum wahrnehmbaren Muster von Höhe, Rhythmus und Stimmqualität zu liefern. Das Vorsehen eines ROckführens garantiert, daß die erzeugte Sprache perzeptorisch annehmbar ist, welches die Grundlage für die Funktion der Anordnung für Tonqualitätsdarstellung in Fig.6 ist. Hier werden hervorspringende auditorische Mustereigenschaften bei der Sprechtonunterscheidung analysiert, gespeichert und in unmittelbarem Rückführen dargestellt; dies charakterisiert die Funktion der Tongebungsdarstellung von Fig.4, wo Sprechen und Lar-Wellenformen als Eingänge verwendet werden.

Die schnelle Feststellung unter Verwendung von Lx, ob gesprochen wird und in welchem Augenblick ein laryngealer Erregungsimpuls erzeugt wird, erleichtert die Analyse der Sprechmuster. Die Anordnung nach Fig.6 liefert den Zeitablauf der charakteristischen Frequenz in zwei Frequenzbändern Fl und Fh, die auf einer gespeicherten Darstellung gezeigt werden sollen, wobei man die Teile eines Gespräches unterscheiden kann, die gesprochen, durch Reibung erzeugt und beides sind. Diese Unterscheidungen basieren auf der kombinierten Verwendung von Sprechfiltern und Lx-Amplitudenfühlern unter Verwendung des vorher beschriebenen Amplitudenfühlers, sowie der L*-Amplitudeninformation, die aus der Anordnung nach Fig.4 zur Verfügung steht. Ein Sprechausgleichskreis gibt einen Ausgang, wenn im Hochfrequenzband eine größere

Energie vorhanden ist als im Niederfrequenzband; dies gestattet das Aufspüren von gesprochenen Reibelauten, wenn Lx vorhanden ist.

In einer als Beispiel angegebenen bevorzugten

ίο Ausführung reicht das F/-Band bis zu 1 kHz, und Fh reicht über 1 kHz hinaus. Wahlweise kann das FABand gegründet werden auf einer Niederfrequenz-Emphase von 6 dB/Oktav und das F/j-Band auf eine Hochfrequenzemphase von 8 dB/Oktav.

Die charakteristische Frequenz auf jedem der beiden Bänder wird am besten bestimmt durch Zählen der Zeit, die vergeht, bis eine bestimmte Anzahl von Nulldurch· gangen nach dem Auftreten eines Lx-Schließungsimpulses auftritt.

Diese Zeit kann mit gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Taktimpulsen gezählt werden, die für die erforderliche Maßstabiegung der endgültigen Darstellung, wie oben angegeben, sorgen, wenn das physikalische Korrelat der Tongebung verarbeitet wurde, oder wieder wie vorher, kann vor der wirklichen Darstellung eine endgültige logarithmische oder ähnliche Form verwendet werden. Bei der Spracherzeugung ist eine begrenzte Zeit erforderlich, damit sich die vom Kehlkopfverschluß eingeleitete akustische Störung

entlang den Stimmbildungsorganen und vom Sprecher bis zu einem Mikrofon fortpflanzen kann. Folglich ist es notwendig, die binäre Lx-Schließungsinformation zu verzögern, ehe man sie bei der Verarbeitung der Sprechwellenform verwenden kann. Die im einzelnen

Fall verwendete Verzögerung kann geringfügig verlängert werden, um die Fortpflanzung der Banddurchgangsfiltrierung zu berücksichtigen. Eine kleine Differenz in der Verzögerungseinstellung ist erwünscht, aber nicht wesentlich, um die Unterschiede zwischen den Stimmbildungsorganlängen zu berücksichtigen — Einstellungen für »Erwachsene« oder »Kind« können verwendet werden.

Auf diese Weise besteht keine Interferenz zwischen Stimmfrequenz und Stimmbildungsorganfrequenz, und

es gibt keine falsche Darstellung von Obertönen der Grundfrequenz gesprochener Laute. Stimmlose, Reibungsiaute werden mit einer festen Geschwindigkeit analysiert, die entweder durch ihre Geschwindigkeit in der Erzeugung von Nulldurchgängen oder durch eine

so Intervallzeituhr bestimmt werden. Beide Anordnungen sind möglich, die erste aber ist vorzuziehen.

Die wesentlichen Details einer solchen Sprechmusterdarstellung sind in Fig.6 gezeigt Die in dieser Abbildung enthaltenen Elemente sind symmetrisch

angeordnet, wobei die gleichen Hauptfunktionen oberhalb einer durch die gemeinsamen Bestandteile 100, 101,102,103 und 104 laufenden Linien gezeigt werden, die auch unterhalb vorkommen. Die obere Hälfte der Anordnung ergibt eine Musterlinie für Fl, die Niederfre-

quenzkomponente, die untere Hälfte eine Musterlinie für Fh, die Hochfrequenzkomponente. Bei der Ableitung der FZ-Linie sind die ersten Verarbeitungsstufen 60, 61 und 62 in F i g. 6, ausgehend von einem Sprechwellenform-Eingang, ähnlich 40, 41 und 42 für die Ableitung

eines Tongebungsmusters aus Lx in F i g. 4. Verbindet ■man die Bestimmung des Zeitintervalls mit einer bestimmten Anzahl von Nullkreuziingsiiupulsen nach einem Lx-Schluß, wenn eine festgestellte Lx-Ampiitude

vo^rhaaden ist. unter Verwendung von 64, 65 und 66, kann ein Eingang für einen digitalen Speicher 71 geliefert werden, der 77 entspricht. Das Zählen dieser 77-Periode mit niedrigen Charakteristiken und der TA-Periode mit hohen Charakteristiken ergibt die Grundlage für die Bestimmung von log Fl und log Fh durch die Verwendung des von Lx ausgelösten log Zeit-Maßstabes im Ausgang von 65 durch Zählen mit 66 oder wahlweise durch die Verwendung der log Umwandlung in 72 und 92 unmittelbar vor der Darstellung. Ein logarithmischer Maßstab ist hier vorzuziehen, wie auch für das Fx-Tongebungskorrelat, weil es der Sprechmusterwahrnehmung gut entspricht und eine Umwandlung von 77 und Th in Fl und Fh erleichtert.

Wird ein reiner Reibungslaut erzeugt, gibt es keine Lx-Amplitude und 64 und 84 arbeiten als reine Probennehmer, bei denen die Kreuzungszählungen eher mit einem festen Zeitintervall als durch L*-Schließungen eingeleitet werden. Diese Reibungsinformation wird in Speicher 71 und 91 durch die betreffenden Speichereinf angssteuerungsaggregate 67 und 87 kodifiziert. Erzeugt jedoch der Sprecher einen stimmhaften Reibungslaut, dann wird Reibungsenergie in dem Hochbanddurchgangsfilterausgang 80 aufgespürt, was einen Ausgang von 100 ergibt, aber es gibt auch ein deutliches Lx-Amplitudensignal. Diese Information kann ebenfalls von 67 in Speicher 71 kodifiziert werden.

Es werden noch zwei andere wichtige Tonklassen bearbeitet, nasale Konsonanten können nur in den niedrigen Frequenzen stimmlicht Energie aufweisen. In diesem Falle signalisiert 63 die Anwesenheit einer Komponente, nicht aber 83; folglich wird nur die FALinie gezeigt. Nach stimmlosen Sprenglauten kann der Beginn des Sprechens nur geringe Energie aufweisen und es kann in den niedrigen Frequenzen nur wenig Reibung auftreten; dies ergibt eine Unterdrükkung der FALinie durch den niedrigen Ausgang von 63. Fh wird jedoch gezeigt, da ein Ausgang von 83 auftritt Auch bei der Flüstersprache werden die Hauptmustercharakteristiken gezeigt, es besteht aber nur ein Übergang von stimmhafter zu stimmloser Darstellung.

Die endgültige Darstellung kann zur Wiederholung gespeichert oder für ein Gespräch festgehalten werden durch die Bedienung des Wiederholungs- oder Einfachspeicherungsspeichers. Der Speicher selbst ist digital und kann sowohl mit dem für die andere Sprechfrequenz wie mit dem für Tongebungsdarstellung synchronisiert werden.

Außer der Speicherung der für die Spezifikation von log F/und log FA grundlegenden Information, speichert jeder Speicher für jeden dargestellten Punkt Details der Erregung. Es sind zwei Bits extra für jeden FZ-Punkt erforderlich; einer zur Spezifikation von stimmhaft und stimmlos, der andere zur Spezifikation der Anwesenheit von stimmhafter Reibung. Bei Fh wird nur ein Bit zur Spezifikation von stimmhaft und stimmlos benötigt Der Bereich von FA ist größer als der von Fl und diese Ungleichheit in der Bit-Vertretung beeinträchtigt die Darstellungen nicht, wenn identische Speicher benutzt werden. Es können zusätzliche Bits in jedem der gespeicherten Wörter sowohl im FZ-Speicher 71 wie im FA-Speicher 91 benutzt werden für die Darstellung der Amplitudenhüllensignale aus dem Niederbanddurchgangsfüter 60 und dem Hochbanddurchgangsfilter 80. Diese Information kann dann zur Steuerung des Typs von FI- und FA-Darsteliung benutzt werden, zum Beispiel durch Steuerung der Breite oder Helligkeit und Farbe der sichtbaren Linien.

Für eine visuelle Darstellung können die verschiedenen Bedingungen der Erregung der Stimmbildungsorgane und die Verschiedenheit zwischen FI- und FA-Mustern leicht durch die Verwendung von Farbe aufgezeigt werden. Zum Beispiel können die stimmlosen Reibungslaute in weiß, Fx in grün gezeigt werden, das dem P 31 Phosphor einer einfachen Darstellung entspricht, FA in rot und FI in blau. Stimmhafte Reibung kann dann

ίο praktischerweise durch eine Herabsetzung der Farbsättigung angezeigt werden.

Ein modernes Farbfernsehgerät ist ein besonders geeignetes Gerät für diese Art der Darstellung, da es relativ billig und allgemein vorhanden ist und einen

is ausreichenden Grad von Bildauflösung für die leichte Erkennbarkeit der Unterschiede zwischen den Sprechmustern liefert. Außerdem ermöglicht das Vorhandensein von Videorekordern in Heim, Schule und Krankenhaus die Unterrichtung in der Verwendung des Gerätes mit der gleichen TV-Darstellung, die für Uve Musterdarstellungen verwendet wird.

Ein weiterer Vorteil einer TV-Darstellung liegt in der relativen Leichtigkeit, mit der sie mit den Schaltkreisen verbunden werden kann, die typischerweise für die Musterableitgngen nach Fig.4 und 6 verwendet werden. In Fig.6 zum Beispiel wird die Niedercharakteristik-Frequenz-Musterinformation Fl in 71 gespeichert Die Sequenzversion (zum Beispiel ein Schaltregister) des digitalen Gedächtnisses 71 kann in Verbindung mit einer normalen TV-Darstellung benutzt werden, indem man dafür sorgt daß die Zeiteinteilung einer vollständigen Speichersequenz der Zeilenperiode des TV-Rasters entspricht. Wird dann der Inhalt eines jeden binären Speicherwortes mit der binären Darstellung der Zeilenzahl auf dem Raster verglichen, ist es für alle, die mit den normalen Digital- und TV-Techniken vertraut sind, ein Leichtes dafür zu sorgen, daß das im Speicher gespeicherte Muster als eine Reihe von hellen Punkten erscheint, die auf dem TV-Schirm eine Linie

■Ό bilden. Auf diese Weise wird die Lage auf dim Schirm von links nach rechts gesteuert durch das zeitliche Auftreten eines gespeicherten binären Wortes in der Speichersequenz, und die Lage auf dem Schirm von oben nach unten, in der ein Punkt erleuchtet wird, wird

« bestimmt durch den Inhalt des gespeicherten Wüi-tes in F i g. 6,71, Speichersequenz.

Ein spezifisches numerisches Beispiel soll dieses Darstellungsschema erläutern; acht Bits in jedem der Speicherwörter machen es möglich, irgendeine der 256 Zeilen in vertikaler Richtung auszuwählen. Wenn die Zeilenperiode und die Speichersequenzperiode beide 64 uS betragen und die Taktgeschwindigkeit des Speichers gleich 8 MHz ist, dann können 512 getrennte Punkte horizontal dargestellt werden.

Der für jede besondere Sprecheigenschaft Fx, Floder FA bestimmte Rasterzeilenbereich wird festgelegt vom Taktimpulsgenerator 65 in Fig.6 für Fl; dieser Generator liefert auch die Grundlage für die Form der Übertragungscharakteristik. Es ist nicht sehr praktisch, einen logarithmischen Umwandler nach dem Speicher zu benutzen. Die Höhe des dargestellten Musters muß auch digital gesteuert werden; dies ist leicht zu erreichen durch Hinzufügung einer binären Zahl zu den zirkulierenden Speicherwörtern. Das Vorsehen einer Höhensteuerung ist der einzige größere Unterschied zwischen Speicher 71 in F i g. 6 und dem als 71 in F i g. 7 gezeigten.

In Fig.7 betreffen die Elemente 71. 73. 74 und 76

ausschließlich die Verbindung der /3-Musterlinie mit der TV-Darstellung; es versteht sich von selbst, daß für jede besondere Mustereigenschaft, die gezeigt werden soll, ähnliche zusätzliche Elemente benötigt werden. Um Zeile und Zeit zu wählen, bei denen ein Musterpunkt dargestellt werden soll, muß der /^Gehalt eines jeden Wortes in 71 mit der gegenwärtigen Rasterzeilenzahl verglichen werden, und 73 soll teilweise diese Vergleichsberechnung anstellen. Außerdem jedoch ermöglicht der in 73 durchgeführte Vergleich die Breite des endgültig dargestellten Musters zu steuern, und zwar durch Steuerung des Bereichs der Rasterzeilen, für die ein bestimmtes Fl auf der Darstellung vertreten ist. Auf diese Weise wird ein stimmloser Ton vertikal brpiter als ein stimmhafter Reibungslaut und ein is stimmhafter Reibungslaut vertikal breiter als die Darstellung für einen reinen Stimmlaut Auf ähnliche Weise kann man auch für Fh, Fl und Fx verschiedene Breiten in der endgültigen Darstellung vorsehen. Das Element 74 in Fig.7 ermöglicht die Steuerung der Leuchtkraft der Darstellung als eine Funktion der Natur des Musters und seiner Erregung.

Es muß darauf hingewiesen werden, daß die Modulationen von Breite und Helligkeit nur auf die Helligkeitskomponente des endgültigen Musters einwirken, infolgedessen sind sie gleich wichtig bei einfarbigem und Farbfernsehen-Sprechtonmusterdarstellungen und man erzielt auf diese Weise eine innere Vereinbarkeit zwischen den beiden Arten der Darstellung. Zudem kann ein farbenblinder Schüler oder Lehrer sich vollwirksam der Einrichtung bedienen, da die zusätzliche Verwendung von Farbe zwar erwünscht, aber doch überflüssig ist

Die Farbinformation wird am besten von der Art der dargestellten Musterlinie abgeleitet und von der Tatsache, ob die Sprecher regung für die Musterlinie stimmhaft, stimmlos oder eine Kombination von beiden ist Bei Abwesenheit vom Ton wird ein neutraler oder schwarzer Hintergrund gezeigt

Diese Erregungsinformation wird in jedem. Gedächtniswort mit der Hauptmusterihförmation kodifiziert und wird in Element 78 wie in Element 73 in Fig.7 verwendet In 78 werden ganz normale Modulationstechniken verwendet, um das Farbsignal zum Einbau in die endgültige Videowellenform in 77 vorzubereiten. Das Helligkeitssignal von 74 könnte direkt mit 77 verbunden werden, wenn nur eine Mustereigenschaft gezeigt werden soll, aber normalerweise müssen zusätzliche Muster derselben Sprechquelle aufgezeigt werden, um eine Musterfamilie zu bilden, und die gleichzeitige Darstellung der Familie zum Beispiel vom Lehrer muß angestrebt werden. Das notwendige Mischen dieser verschiedenen Signale geschieht in 76.

Der endgültige Ausgang von 77 kann als direktes Verbindungsglied zu einem Videoschirm und als eine Modulationsquelle zu einem TV-Frequenzträger in 79 benutzt werden. Der Ausgang von 79 kann in gleicher Weise verwendet werden wie das Signa! vor einer Fernsehantenne.

Die mit den visuellen Fh- und Fl-Darstellungen verbundene Helligkeits- und Breiteninformation kann auch in taktilen und vibratilen Anzeigen verwendet werden, um die Qualitäten der stimmhaften, stimmlosen Reibungslaute und der Erregung der stimmhaften Reibungslaute anzugeben. Die R- und F/j-Muster können in Batterien von Meßumformern in dieser Situation eingespeist werden, so daß eine vollständige, aber einfache Darstellung des Sprechtonmusters zur Verfügung steht Es ist nicht unbedingt erforderlich, hier Speicher zu benutzen; diese können bei den in F i g. 4 und 6 gezeigten Anordnungen weggelassen werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Erfassen und Darstellen des vom Kehlkopf für das Erzeugen von Kehlkopfverschlußsignalen abgegebenen Sprechmusters, ohne Beeinträchtigung der Sprache des Sprechers, bestehend aus einem ersten Stromkreis (Sendestromkreis) mit einer Sendeelektrode und einem Oszillator zur Einspeisung eines Trägereingangssignales und einem zweiten Stromkreis (Empfangsstromkreis) mit einer Empfangselektrode zum Empfangen eines kehlkopfmodulierten Trägerausgangssignals, wobei Sende- und Empfangselektrode so ausgebildet sind, daß sie in festem und dauerhaftem Hautkontakt, am Hals des Sprechers sich gegenüberliegend anbringbar sind, ferner bestehend aus einer Vorrichtung zum Erfassen des Kehlkopfverschlußsignals aus dem empfangenen Trägersignal, sowie einer daran angeschlossenen Vorrichtung- zum Darstellen des Sprechmusters, dadurch' gekennzeichnet, daß der Sendestromkreis niederohmig ist, daß als Trägereingangssignal eine elektrische Spannung dient, daß der Empfangsstromkreis ebenfalls niederohmig und das empfangene Trägersignal ein Trägerstrom ist, daß sowohl Sendeelektrode (T) als auch Empfangselektrode (R) jeweils von einem Leiter umgeben ist, um den Weg des elektrischen Stromes über die Hautfläche am Hals zu verringsrn.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung im Empfangsstromkreis eine Vorrichtung zum Aufspalten des Trägersignais bekinaltet, wobei eine derartige Aufspaltung ei folgt, daß die kleinere, sich schnell ändernde Kehlkopfkompt nente von der sich langsam ändernden Halskomponente getrennt erfaßbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung zum -to Aufspalten des Trägersignals einen Aufspaltstromkreis (3) und einen damit gekoppelten Tiefpaßverstärker (4), sowie eine Vorrichtung (5) zum Einspeisen eines Rückkopplungssignals, das von der Gleichstromkomponente des Tiefpaßverstärkers (4) abgeleitet ist, in den Aufspaltkreis (3) zur Steuerung des Aufspaltens umfaßt

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Erfassungsvorrichtung eine Pegelregelung (7) gekoppelt ist zur Erzeugung so eines Pegelregelsignals, das zur Steuerung des Aufspaltens des Trägersignals im Empfangsstromkreis zu dem die Sendeelektrode (T) ansteuernden Oszillator (2) im Sendestromkreis rückgeführt wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfangsstromkreis an die Dmpfangselektrode ein unabgestimmter Breitbandaufspaltverstärker angeschlossen ist, ferner ein multiplizierender Demodulator (8), der durch den Aufspaltverstärker (11) gespeist ist, ein Trägerwel- &o lenfilterverstärker (4), ein vom Demodulator (8) gespeister Filterverstärker (6), ein Aufspaltpegeiregler (5), der eine Rückspeisungsregelung zwischen dem Trägerwellenfilterverstärker (4) und dem unabgestimmten Aufspaltverstärker (11) vornimmt, sowie eine Oszillatorpegelsteuerung zwischen dem Oszillator (2) und dem Demodulator (8,4).

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (T, R) aus gedruckten Leiterplatten bestehen, bei denen um ein zentrales kreisförmiges Element, mit Abstand von diesem ein konzentrischer Ring geätzt ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verarbeitungsvorrichtung zum Ableiten eines Tongebungskorrelats (Fx) durch Messung der Grundfrequenz einer Wellenform (Lx) des Kehlkopfes vorgesehen ist, die einen Banddurchgangsfilter (40) und eine davon gespeiste Amplitudenmeßvorrichtung (51) umfaßt, zu der parallel eine Vorrichtung (41) zur stufenlosen Amplitudenbegrenzung, welche einen Impulsgenerator (42) speist, der gleichförmige Impulse für jeden Kehlkopfverschluß erzeugt, geschaltet ist, wobei die Impulse des Impulsgenerators (42), einer Steuereinrichtung (47) zugeführt werden, die eine Anzeigeeinrichtung (52, 57) ansteuert.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Steuereinrichtung (47) eine Zählvorrichtung (48, 49, 50) umfaßt die die Taktimpulse des Taktimpulsgenerators (42) zählt, und einem digitalen Speicher (52,54) zuführt

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß eine Anzeigevorrichtung (52, 57) für die gespeicherten Impulse vorgesehen ist

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (52, 57) eine logarithmische Skala und eine Vorrichtung (56) zur Umwandlung der digitalen in analoge Größen aufweist, so daß die Taktzahlen in logarithmische Einheiten überführbar sind.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufzeichnungsgerät (44) und ein Pufferspeicher (43) zur Aufzeichnungssteuerung angeordnet ist, so daß die gesprochenen Abschnitte gespeichert und langsam aufgezeichnet werden, während stimmlose Abschnitte bzw. Sprechpausen schnell überbrückt werden.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verarbeitungsvorrichtung zur Ableitung von Nieder- und Hochfrequenz-Musterlinienkomponenten (Fl, Fh) einer von einem Mikrophon abgegebenen Sprechwellenform vorhanden ist, wobei die Vorrichtung zur Ableitung der Niederfrequenzlinie (Fl) einen Tiefpaßbandfilter (60), einen Amplitudenfühler (63) und einerr stufenlosen Begrenzer (6t) in Verbindung mit einem weiteren Digitalspeicher (71) umfaßt, während die Vorrichtung zur Ableitung der Hochfrequenzlinie (Fh) aus einem Hochpaßbandfilter (80), einem weiteren Amplitudenfühler (83), einem weiteren stufenlosen Begrenzer (81) in Verbindung mit einem weiteren Digitalspeicher (91) besteht.

13. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fernsehempfänger angeordnet ist, der über einen Zwischenschaltkreis von mindestens einem der Digitalspeicher (71, 91) angesteuert ist, wobei der Zwischenschaltkreis einen Helligkeitsregler, einen Intensitätsregler, einen synchronisierenden Weilengenerator und einen Frequenzmodulator umfaßt.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fernsehempfänger als Farbempfänger ausgebildet ist und dieser mit

nach der Farbe unterschiedlichen Impulsen angesteuert wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sie bezieht sich auf die Verwendung bei der Sprechmusterableitung und kann daher weiter verwendet werden bei Sprechtherapie, -erziehung und beim Aufspüren von Streß, wie beim sogenannten »Aufspüren von Lügen«. Die nachstehenden Erklärungen sind als Hintergrundmformation gedacht über das Gebiet, mit dem sich die Erfindung befaßt

Bei der Wahrnehmung der Sprache stützt man sich vor allem auf die vom Hörmechanismus gelieferte Analysej um die komplexe Veränderlichkeit des akustischen Signals in zusammenhängende, langsam sich verändernde, verständliche Muster umzuformen. Die Fähigkeit eines Kindes, diese Muster wahrzunehmen, bestimmt seinen Fortschritt in dem Erwerb von Sprechfertigkeiten, und die Fähigkeit eines Erwachsenen neue Sprechmusterformen wahrzunehmen, bestimmt die Schnelligkeit, mit der er die Sprechformen einer anderen Sprache erwirbt

Beim Lehren ist es vorteilhaft für das unmittelbare Herausholen derartiger Musterinformationen zu sorgen, für das Speichern dieser Muster sowie für die sofortige Darstellung durch visuelle, fühlbare oder Schwingungsvorrichtungen, um korrigieren oder zum Einprägen wiederholen zu können.

Jedes praktische Muster-Lehrgerät darf nicht nur den menschlichen Hörmechanismus nachahmen, sondern muß auch billig und zuverlässig sein. Gründet sich die a Musteranalyse nur auf die akustische Sprechform, lassen sich diese sich widersprechenden Erfordernisse unmöglich miteinander vereinbaren, da die menschliche Höranalyse, selbst in den frühen Stadien, ein komplexer Vorgang ist, der die augenblicklichen Möglichkeiten einer compursrmäßigen Erfassung übersteigt.

Diese Schwierigkeit kann jedoch umgangen werden, wenn man sowohl zum Sprecher als auch zur akustischen Form seiner Sprache Zugang hat. Bei allen Sprachen spielen die stimmlich ausgedrückten Sprech- -t·; laute eine wichtigere Rolle als alle anderen, sowohl in den ersten Stadien der Sprechentwu±lung als auch beim täglichen Gebrauch des Erwachsenen. Die Stimme wird erzeugt durch die Schwingung der Stimmbänder im Kehlkopf des Sprechers und gibt der sprechenden und "><> singenden Stimme ihre Tongebung und Tonhöhe. Die genaue instrumentelle Analyse des physikalischen Korrelats der Tongebung, die Grundfrequenz, stellt ein ziemlich großes technisches Problem dar, aber bei direktem Zugang zu den stimmerzeugenden Stimmbändem sind Frequenzbestimmung und -darstellung leicht durchführbar. Man kann dann auch den Unterschied zwischen einer sanften, klaren Stimmbandschwingung und einer rauhen, unregelmäßigen aufzeigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine t>o Schaltungsanordnung eingangs bezeichneter Art zu schaffen, die einen elektrischen Zugang zum Kehlkopf zum Messen und Aufzeichnen der Kehlkopfverschlußsignale ermöglicht, wobei Verfälschungen des Untersuchungsergebnisses durch Übertragung über die Haut- <>5 oberfläche weitgehend vermieden und Abstimmungen auf die jeweilige zu untersuchende Person weitgehend entbehrlich sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.

Mit der Erfindung ist die Analyse, Speicherung und unmittelbare Darstellung, visuell, fühlbar oder schwingungsmäßig, der Information über die Qualität des Sprechtons möglich. Sobald der Lernende die Fähigkeit erworben hat, das Sprechen wiederzugeben, und zu kontrollieren, muß er die Fertigkeit in der Aufnahme und Wiedergabe der einzelnen Tonunterschiede zwischen Vokalen, Konsonanten und ihrer Verbindung in Wörtern erwerben und entwickeln. Physikalisch gesehen liegen diese Unterschiede in den zeitlichen und spektralen Eigenschaften der entsprechenden akustischen Formen, und man kennt aus Analyse und Synthese die hauptsächlichen physikalischen Korrelate der wahrnehmbaren Musterdeterminanten der Sprechtöne. Im Augenblick lassen sich diese physikalischen Musterkorrelate nicht wie beim Hörmecharismus ableiten, und eine genaue Sprechanalyse ist schwierig und kompliziert wenn sie nur das akustische Signal benutzt

Bei der akustischen Sprachanalyse gibt es zwei besonders wichtige Probleme. Das srste betrifft die Unterscheidung der gesprochenen Töne von den durch einen geräuschvollen turbulenten Luftstrom in den Stimmorganen des Sprechers hervorgebrachten Tönen. Das zweite betrifft die Messung der widerhallenden Frequenzen des Stimmbildungsapparates unabhängig von der Schwingungsfrequenz des Kehlkopfes. Beide Probleme können durch die Verwendung einer Analyse auf Grund einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, verkörpert in einem »Laryngographen«, gelöst werden, bei dem der direkte Zugang zum Sprecher die Notwendigkeit eines sehr ausgeklügelten Signalverarbeitungsverfahrens herabsetzt Sprechmuster können auf diese Weise so gespeichert und dargestellt werden, wie es ihrer gehörsmäßigen Aufnahme entspricht, und zwar durch eine einfache, direkte und unmittelbare Analyse; hierbei Findet eine elektronische Speicherung anstelle des kurzfristigen Gehörgedächtnisses statt. Man hat zwar schon vorgeschlagen (Archiv für klinische und experimentelle Ohren-Nasen- und Kehlkopfkunde, Spcnger-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1970, Band 196, Seiten 359-363; Journal francais d'oto-rhinolaryngologie, Bd. 15, 1966, S. 383-394; Bulletin de l'Academie Nationale de medecine, 121. Jhg., 1957, Seite 66 — 69), einen kleinen elektrischen Strom querdurch den Hals des Sprechers in Höhe des Schilddrüsenknorpels zu schicken und das Sprechen dann mit den entsprechenden, zwischen den Stellen des äußeren elektrischen Kontaktes auftretenden Spannungsmodulaticnen zu verbinden. Diese Technik liefert die Grundlage für eine äußere Überwachung der Stimmbandschwingungen eines Sprechers, hat sich aber nicht durchgesetzt wegen der äußersten Veränderlichkeit seiner Leistung sowohl bei einem einzigen Sprecher a(s auch bei mehreren verschiedenen Sprecher.!, Als guter Annäherungswert wird der äquivalente elektrische Stromkreis des Halses eines Sprechers, der wie oben beschrieben angeschlossen ist, wiedergegeben durch zwei parallelgeschn'itete Impedanzen, Zn und Zl. Zn ist die Haupt-Halsimpedanz, die im Vergleich zu Zl, das die Stimmimpedanz ist, äußerst niedrig ist.

Wird ein konstanter Strom durch diese impedanzanordnung geschickt und ist ZI>Zn, dann ist die resultierende Spannung annähernd direkt proportional