DE4040107C1 - Analysing human singing and speech voice strength - forms relation of preset formant level and total voice sound level in real time - Google Patents

Analysing human singing and speech voice strength - forms relation of preset formant level and total voice sound level in real time

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DE4040107C1 DE19904040107 DE4040107A DE4040107C1 DE 4040107 C1 DE4040107 C1 DE 4040107C1 DE 19904040107 DE19904040107 DE 19904040107 DE 4040107 A DE4040107 A DE 4040107A DE 4040107 C1 DE4040107 C1 DE 4040107C1
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Abstract

Voice signals from the microphone (1) are amplified by a preamplifier (2) with the same transfer characteristics as the human ear and passed to a dynamic compressor (3) which compresses the dynamic range of the voice signal from 80 to 40 dB. The compressed signal is then rectified by a precision rectifier (4) and passed to an A=D converter (5) with a sample and hold facility. The resultant sampled digital signal is then passed to a single chip computer (6) that calculates the RMS sound pressure and inertia valves for both the entire voice signal and the Formant (2-4kHz) range voice signal. These two valves are then digitally expanded and their relative sound energies displayed as a percentage value on either a LED (7) or LCD display (8). USE/ADVANTAGE - For voice training, rehabilitation etc., with detecting and display of voice parameters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es dient der Analyse der Sing- und Sprechstimme während der Ausbildung, Rehabilitation und Kontrolle von Personen mit hoher Stimm- und Sprechbelastung wie Sänger, Schauspieler, Lehrer sowie Patienten in der Stimmtherapie.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1. It is used to analyze the singing and speaking voice during training, rehabilitation and control of people with high voice and speech stress like singers, actors, Teachers and patients in voice therapy.

Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem die simultane Anzeige zweier spektraler Bereiche der menschlichen Stimme, die im weiteren als hoher bzw. tiefer Sängerformant bezeichnet werden, im Sinne eines Biofeedbackeffektes ausgenutzt werden sollen (DD 2 21 866, A. Pobbig).A method is known in which the simultaneous display two spectral ranges of the human voice, which are in the others are referred to as high or low singer formants, should be used in the sense of a biofeedback effect (DD 2 21 866, A. Pobbig).

Zur Analyse der menschlichen Stimme sind Stimmfeldmeßgeräte bekannt, die den Gesamtschallpegel bzw. den Gesamtschallpegel und den hohen Sängerformanten in ihren dynamischen und frequenzbezogenen Grenzen meßtechnisch erfassen und registrieren. So ist ein Stimm-Analysator bekannt, bei dem aus der Stimme eine Vielzahl von Formanten ermittelt und nach einer Frequenz-Spannungs-Wandlung optisch angezeigt wird. Der Eingangsschallpegel wird ebenfalls angezeigt. Anhand der Anzeige ist eine Interpretation möglich (US 46 41 343).Voice field measuring devices are used to analyze the human voice known, the total sound level or the total sound level and the high singer formants in their dynamic and Record and register frequency-related limits. A voice analyzer is known in which a voice is used Variety of formants determined and after a frequency-voltage conversion is visually displayed. The input sound level is also displayed. Based on the display there is a Interpretation possible (US 46 41 343).

Es ist bekannt, zur Sprachsignalanalyse die Amplituden benachbarter Formanten zu dividieren (US 39 19 481).It is known to use amplitudes for speech signal analysis to divide neighboring formants (US 39 19 481).

Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem durch Messung von Gesamtschallpegel und hohem Sängerformanten und nach erfolgter Division beider Werte ein Gütewert der Stimme errechnet wird und zur Anzeige kommt (F. Winckel, Folia phoniat., 23, 1971, S. 228-233).A method is also known in which, by measuring Overall sound level and high singer formants and after Dividing both values a quality value of the voice is calculated and is displayed (F. Winckel, Folia phoniat., 23, 1971, pp. 228-233).

Die letztgenannten Verfahren bezeichnen zwar den errechneten Quotienten als Gütewert der Stimme, treffen aber keinerlei Aussagen zum Verlauf dieses Quotienten, so daß daraus eine Ausnutzung des Biofeedbackeffektes nicht möglich ist.The latter methods do indeed refer to the calculated one Quotients as quality value of the voice, but do not meet any Statements on the course of this quotient, so that a Exploitation of the biofeedback effect is not possible.

Die in DD 2 21 866 beschriebene Lösung benutzt zwei Spektralbereiche (420-880 Hz und 2200-3600 Hz) als tiefen bzw. hohen Sängerformanten, ohne jedoch zu berücksichtigen, daß der Spektralbereich des tiefen Sängerformanten identisch ist mit der Lage der Vokalformanten im Stimmspektrum, so daß eine stimmgattungs- und vokalunabhängige Nutzung dieses Verfahrens nicht möglich ist. Des weiteren erfolgt keine physikalisch genaue Messung der echten Energieinhalte der genannten Spektralbereiche.The solution described in DD 2 21 866 uses two Spectral ranges (420-880 Hz and 2200-3600 Hz) as deep or high singer formants without taking into account that the spectral range of the deep singer formant is identical to  the position of the vowel formants in the voice spectrum, so that a Use of this method regardless of the type of voice and vowel not possible. Furthermore, there is no physically exact Measurement of the real energy content of the spectral ranges mentioned.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen meßtechnisch erfaßbaren Stimmparameter zu ermitteln und darzustellen mit dem die Rehabilitation, Ausbildung und Kontrolle der Sing- und Sprechstimme zu verbessert werden kann.The invention has for its object a measurement to determine and present recordable voice parameters with which the rehabilitation, training and Control of the singing and speaking voice can be improved.

Erfindungsgemäß wird das bei einem Verfahren, bei dem der Pegel des spektralen Energieanteils zwischen 2 und 4 kHz (Formantpegel) mit dem Gesamtschallpegel der menschlichen Stimme ins Verhältnis gesetzt wird, dadurch erreicht, daß das Verhältnis in Echtzeit gebildet wird, indem zunächst eine Frequenzbewertung des Mikrofonsignals zur Nachbildung der Ohrcharakteristik ("A") des Menschen durchgeführt wird, daß nach Umsetzung der Analogspannung in ein binär codiertes Datenwort sowohl für den Gesamtschallpegel als auch für den Formantpegel der quadratische Mittelwert gebildet wird, daß beide ins Verhältnis gesetzt werden und der Quotient optisch dargestellt wird.According to the invention this is in a method in which the level of the spectral energy component between 2 and 4 kHz (formant level) in relation to the overall sound level of the human voice is achieved in that the ratio is in real time is formed by first a frequency evaluation of the Microphone signal to simulate the ear characteristics ("A") of the People performed that after implementing the analog voltage into a binary coded data word for both the overall sound level as well as the square mean for the formant level is formed that both are related and the Quotient is displayed optically.

Es ist zweckmäßig, daß eine Dynamikkompression der Mikrofonspannung in der analogen Ebene vorgenommen wird und daß die Dynamik des Gesamtschallpegels und des Formantpegels auf der digitalen Ebene expandiert werden.It is appropriate that dynamic compression of the Microphone voltage is made in the analog level and that the dynamics of the overall sound level and the formant level on the digital level.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Erfassung des Formantpegels unter Anwendung der digitalen Filterung erfolgt.It is also expedient that the detection of the formant level using digital filtering.

Grundlage dieser Lösung war die Entdeckung, daß das Verhältnis des Pegels des spektralen Energieanteils zwischen 2 und 4 kHz und des Gesamtschallpegels der menschlichen Stimme bei zunehmender stimmlicher Qualifikation sowohl vokal- als auch frequenzbezogen an Variabilität verliert und einem konstanten Wert zustrebt. Diese zunehmende Konstanz des Quotienten findet in der Stimmpädagogik unter der Bezeichnung Vokal- bzw. Lagenausgleich eine adäquate Bedeutung, womit eine Vereinheitlichung des individuellen Stimmtimbres im gesamten Tessitur- bzw. Vokalbereich gemeint ist.The basis of this solution was the discovery that the relationship the level of the spectral energy component between 2 and 4 kHz and of the total sound level of the human voice with increasing vocal qualification both vowel and frequency related loses variability and strives for a constant value. This increasing constancy of the quotient takes place in the Vocal pedagogy under the name vowel or layer compensation an adequate meaning, with which a unification of the individual voice timbres throughout the Tessitur or  Vowel area is meant.

Grundlage für diese Entdeckung waren zwei voneinander unabhängige Meßreihen. Die erste Meßreihe beruht auf Untersuchungen von jeweils 30 Nichtsängern, 30 Gesangsstudenten sowie 30 Berufssängern. Die zweite Meßreihe erfaßte insgesamt 50 Musiklehrerstudenten einmal nach 60 Stunden und zum anderen nach 90 Stunden vokaler Ausbildung. Gemessen wurden die Vokale /a/, /u/ und /i/ auf stimmgattungsspezifischen Grundfrequenzen (jeweils 6 Meßpunkte innerhalb des physiologischen Stimmumfangs). Die statistische Auswertung der Meßreihen ergab, daß bei den angegebenen Meßpunkten die arithmetischen Mittel des o. g. Quotienten sowohl vokal- als auch frequenzbezogen mit zunehmender stimmlicher Qualifikation eine geringer werdende Standardabweichung aufzuweisen hatten, was eindeutig als Ausgleichstendenz gewertet werden kann. Somit ist es möglich, die innerhalb einer stimmlichen Ausbildung wachsende intraindividuelle Konstanz dieses Quotienten als Biofeedbackparameter zu nutzen.The basis for this discovery was two independent ones Series of measurements. The first series of measurements is based on studies by 30 non-singers, 30 singing students and 30 each Professional singers. The second series of measurements recorded a total of 50 Music teacher students once after 60 hours and the other after 90 hours of vocal training. The vowels / a /, / u / and / i / on basic genre-specific frequencies (6 measuring points each within the physiological vocal range). The statistical evaluation of the series of measurements showed that the specified measuring points the arithmetic mean of the above. Quotients both vowel and frequency related with increasing vocal qualification a diminishing Standard deviation had what was clearly called Compensatory tendency can be assessed. It is therefore possible to growing within a vocal training intra-individual constancy of this quotient as a biofeedback parameter to use.

Nach Erkenntnissen der Lernphysiologie wird ein motorischer Lernvorgang dann entscheidend unterstützt, wenn dieser Vorgang visuell überwacht werden kann und wenn die optische Information synchron mit der motorischen Aktivität erfolgt (Biofeedbackeffekt). Dadurch werden die im herkömmlichen Stimmtraining zur Verfügung stehenden auditiven und kinästethischen Kontrollmechanismen beim Übenden um die visuelle Komponente erweitert. Bei der Verarbeitung aller auf den menschlichen Organismus eintreffenden Signale belegt der visuelle Kanal eine Kapazität von ca. 40%. Demnach stellt die Hinzunahme des visuellen Feedback in der stimmlichen Ausbildung eine deutliche Erweiterung der Kontroll- und Steuermöglichkeit hinsichtlich der Effektivität der motorischen Abläufe dar.According to the knowledge of learning physiology, a motor Learning process is decisively supported when this process can be visually monitored and if the optical information synchronized with motor activity (Biofeedback effect). This will make the conventional Auditory and voice training available kinesthetic control mechanisms when practicing visual Component expanded. When processing all on the The incoming signals of the human organism are confirmed by the visual Channel a capacity of approximately 40%. Accordingly, the addition represents visual feedback in vocal training significant expansion of the control and control options regarding the effectiveness of the motor processes.

Ein Gerät zur Anwendung des Verfahrens hat ein Meßmikrophon zur Umwandlung des Stimmsignals aus einem schalldruckproportionalen Signal in ein elektrisches Signal. Dem Meßmikrophon ist ein Frequenzbewerter nachgeordnet, wobei die Frequenzbewertung der des menschlichen Gehörs nachgebildet ist (A-Bewertung). Dem Frequenzbewerter ist ein Schallpegelmesser für zwei Kanäle effektiven Stimmschallpegels und der zweite Kanal für die Erfassung des selektiven effektiven Stimmschallpegels im Bereich von 2-4 kHz dient. Dem Schallpegelmesser schließt sich eine Meßwertverarbeitungseinheit an, die die Berechnung des Quotienten aus spektralem Energieanteil im Bereich von 2-4 kHz und komplexem effektiven Stimmschallpegel in Echtzeit vornimmt und vorzugsweise auf einem Leuchtdiodendisplay zur Anzeige bringt.A device for applying the method has a measuring microphone Conversion of the voice signal from a sound pressure proportional Signal into an electrical signal. The measuring microphone is a Subsequent frequency evaluator, the frequency evaluation of the of the human ear is simulated (A-rating). The Frequency evaluator is a sound level meter for two channels  effective voice sound level and the second channel for the Detection of the selective effective voice sound level in the area of 2-4 kHz is used. The sound level meter closes one Measured value processing unit to calculate the quotient from spectral energy in the range of 2-4 kHz and complex effective voice sound level in real time and preferably on a light-emitting diode display.

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigtIn one embodiment, the invention is intended to be based on Drawings are explained. It shows

Fig. 1 das Meßprinzip schematisch, Fig. 1, the measurement principle schematically,

Fig. 2 ein Blockschaltbild. Fig. 2 is a block diagram.

In der Fig. 1 ist das bereits weiter oben dargelegte Meßprinzip mit den aufeinander folgenden Verfahrensschritten dargestellt.In FIG. 1, the already further presented above measuring principle is shown by the successive process steps.

Im Blockschaltbild ist dem Meßmikrophon 1 ein Vorverstärker 2 mit Frequenzbewertung zur Nachbildung der Ohrcharakteristik ("A") des Menschen nachgeschaltet. Für die Verarbeitung einer Eingangspegeldynamik von 80 dB (40-120 dB) ist ein Dynamikkompressor 3 erforderlich, der den Dynamikbereich 2 : 1 auf 40 dB komprimiert. Somit kann auf eine Mehrbereichsumschaltung verzichtet werden. Ein Präzisionsgleichrichter 4 liefert den Betrag der Eingangswechselspannung an den folgenden Analog-Digital-Wandler 5. Dieser setzt den Betrag der Eingangswechselspannung in ein binär codiertes Datenwort um. Der A-D-Wandler ist mit einer Sample & Hold-Eingangsstufe versehen und realisiert eine fehlerfreie Analogwertübergabe an den A-D-Wandler. Alle weiteren, für die Messung des Schalldruck- und Formantpegels notwendigen Funktionseinheiten werden in dem Einchipmikrorechner 6 realisiert und berechnet. Das sind folgende Berechnungen:In the block diagram, the measuring microphone 1 is followed by a preamplifier 2 with frequency evaluation for emulating the ear characteristic ("A") of the person. A dynamic compressor 3 , which compresses the dynamic range 2: 1 to 40 dB, is required for processing an input level dynamic of 80 dB (40-120 dB). A multi-range switchover can thus be dispensed with. A precision rectifier 4 delivers the amount of the input AC voltage to the following analog-digital converter 5 . This converts the amount of the AC input voltage into a binary coded data word. The AD converter is equipped with a sample & hold input stage and implements an error-free transfer of analog values to the AD converter. All further functional units necessary for measuring the sound pressure and formant level are implemented and calculated in the single-chip microcomputer 6 . These are the following calculations:

  • - Effektivwertbildung (quadratischer Mittelwert) des Schalldruckkanals (Ps-Kanals) incl. Trägheitsbewertung- Effective value formation (root mean square) of the Sound pressure channel (Ps channel) including inertia assessment
  • - digitale Filterung (Formantfilter als Bandpaß 6. Ordnung)- digital filtering (formant filter as 6th order bandpass)
  • - Effektivwertbildung und Trägheitsbewertung des Formantkanals (2-4 kHz)- Effective value formation and inertia evaluation of the formant channel (2-4 kHz)
  • - Berechnung des Schalldruckpegels und des Formantpegels- Calculation of the sound pressure level and the formant level
  • - digitale Dynamikexpandierung beider Meßkanäle - digital dynamic expansion of both measuring channels  
  • - Quotientenbildung und Prozentrechnung- Quotient formation and percentage calculation

Ein Leuchtdiodendisplay 7 ermöglicht die Abbildung des Quotienten in Prozent bzw. des Schalldruck- oder Formantpegels in Echtzeit. Für die Registrierung von Meßwerten kann das Gerät auf manuelle Auslösung der Messung umgeschaltet werden, bei der ein Digitaldisplay 8 hilfreich ist.A light-emitting diode display 7 enables the quotient to be displayed in percent or the sound pressure or formant level in real time. For the registration of measured values, the device can be switched over to manual triggering of the measurement, in which a digital display 8 is helpful.

Claims (3)

1. Verfahren zur Analyse der Sing- und Sprechstimme, bei dem der Pegel des spektralen Energieanteils zwischen 2 und 4 kHz (Formantpegel) mit dem Gesamtschallpegel der menschlichen Stimme ins Verhältnis gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis in Echtzeit gebildet wird, indem zunächst eine Frequenzbewertung des Mikrofonsignals zur Nachbildung der Ohrcharakteristik ("A") des Menschen durchgeführt wird, daß nach Umsetzung der Analogspannung in ein binär codiertes Datenwort sowohl für den Gesamtschallpegel als auch für den Formantpegel der quadratische Mittelwert gebildet wird, daß beide ins Verhältnis gesetzt werden und der Quotient optisch dargestellt wird.1. A method of analyzing the singing and speaking voice, in which the level of the spectral energy component between 2 and 4 kHz (formant level) is related to the overall sound level of the human voice, characterized in that the relationship is formed in real time by first a frequency evaluation of the microphone signal to simulate the ear characteristics ("A") of humans is carried out, that after converting the analog voltage into a binary coded data word, the quadratic mean is formed for both the overall sound level and for the formant level, that both are related and the quotient is displayed optically. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dynamikkompression der Mikrofonspannung in der analogen Ebene vorgenommen wird und daß die Dynamik des Gesamtschallpegels und des Formantpegels auf der digitalen Ebene expandiert werden.2. The method according to claim 1, characterized in that a Dynamic compression of the microphone voltage in the analog level is made and that the dynamics of the overall sound level and of the formant level can be expanded on the digital level. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung des Formantpegels unter Anwendung der digitalen Filterung erfolgt.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the detection of the formant level using the digital Filtering takes place.
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