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Physical Modeling of the Singing Voice

Aachener Beiträge zur Technischen Akustik, Bd. 1

Malte Kob

ISBN 978-3-89722-997-6
162 pages, year of publication: 2002
price: 40.50 €
Diese Arbeit beschreibt die physikalische Modellierung der für die Erzeugung der Singstimme relevanten Stimmorgane sowie Messverfahren zur Bestimmung akustischer Eigenschaften der Stimme. Nach einer Einführung in die Charakteristika des Stimmsignals wird ein überblick über bestehende Modellierungsansätze zur Beschreibung der wichtigsten Stimmfunktionskomponenten gegeben sowie jeweils eine Anpassung und Erweiterung geeigneter Algorithmen für die Modellierung der Singstimme vorgenommen.

Die Modellierung der Stimmlippenbewegung erfolgt mit einem dreidimensionalen, symmetrischen Mehrmassenmodell, das sowohl für die Nachbildung verschiedener Stimmregister als auch zur Simulation von sängertypischen Stimmerkrankungen geeignet ist. Für die Modellierung der Schallausbreitung im Raum zwischen Glottis und Mundöffnung, dem Ansatzrohr, werden zwei Algorithmen vorgestellt, die für jeweils unterschiedliche Anwendungszwecke optimiert wurden. Während beim ersten Modell bei fester Abtastrate eine räumlich hochaufgelöste Diskretisierung anhand von Zylindersegmenten erfolgt, erlaubt das zweite Modell eine freie Wahl der Abtastrate und Reduzierung der für die Ansatzrohrbeschreibung nötigen Parameter durch Verwendung konischer Segmente. Für einen natürlichen Stimmklang ist ein Rauschanteil erforderlich, für den ein Modell verwendet wird, das die Wirbelbildung und Schallerzeugung durch Turbulenzen nachbildet. Die Abhängigkeit des Rauschanteils von der Wahl des artikulierten Phonems wird durch Analyse des Stimmsignals im Zeit- und Frequenzbereich beschrieben. Zur messtechnischen Bestimmung der Resonanzeigenschaften des Ansatzrohres werden zwei Verfahren vorgestellt: eine direkte Methode zur Messung der übertragungsfunktion sowie ein mobiler, nicht invasiver Messaufbau zur Ermittlung der akustischen Impedanz am Mund.

Für den Vergleich der charakteristischen Abstrahlung der menschlichen Singstimme mit der eines künstlichen Sängers wird ein Messverfahren beschrieben, das eine detaillierte Darstellung der Richtcharakteristik erlaubt.

Im letzten Teil der Arbeit wird die Interaktion der Modellkomponenten untersucht und anhand einiger Beispiele die Anwendung des Singstimmenmodells für die Nachbildung verschiedener Singstile sowie von Stimmstörungen vorgestellt. Neben der Modellierung verschiedener Stimmregister wird insbesondere die Nachbildung von Obertongesang untersucht, wobei die beschriebene Impedanzmessmethode wichtige Hinweise für die Parametrisierung des Ansatzrohrmodells lieferte.

Als Ausblick auf zukünftige Anwendungen des Modells für die Untersuchung von Stimmerkrankungen werden erste Ansätze zur Modellierung von Stimmlippenschwellungen und Sängerknötchen vorgestellt sowie die Verwendung des Modells als didaktisches Werkzeug für die Stimmtherapie diskutiert.

Keywords:
  • Physikalisches Modell
  • Singstimme
  • Stimmlippen
  • Akustische Impedanz
  • Abstrahlung

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