DE3345067A1 - Verfahren zum messen des nasalgrades in der stimme - Google Patents
Verfahren zum messen des nasalgrades in der stimmeInfo
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Description
•J·
P 33 45 067.6 39 573 w/gt
RION KABUSHIKI KAISHA 2. März 1984
NACHSEREIOHT
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Nasalgrades
im Klang der menschlichen Stimme. Das Messen des Nasalgrades ist auf dem Gebiet der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde,
der Zahnheilkunde und der Kiefer-Gesichtschirurgie wichtig. Z.B. enthält der Klang einer Person,
die eine Gaumenspalte hat, erheblich mehr nasale Laute als einer Person mit normalem Gaumen. Wenn der Nasalgrad
klar in Ziffern angegeben werden kann, dann kann der Grad der Gaumenspalte objektiv bewertet werden.
Es wurde bereits ein Nasalindikator vorgeschlagen, mit
dem der Nasalgrad numerisch angezeigt werden kann. Dieser bekannte Nasal'indikator soll in Verbindung mit Fig. 1
beschrieben werden. Ein Schwingungsdetektor 1 wird dazu in einer bestimmten Position am Gesicht angeordnet, um
die Schwingungen aufzunehmen, die beim Sprechen durch die Nasenhöhle hindurchgehen. Gleichzeitig wird ein Mikrofon
2 mit einem bestimmten Abstand vor den Lippen angeordnet, um die durch das Sprechen hervorgebrachten
Klangwellen zu erfassen. Die Ausgangssignale des Detektors und des Mikrofons werden dann nach folgender Beziehung
(1) zueinander in Vergleich gesetzt, um den Nasalgrad herauszufinden:
Ausgangsspannung des Schwingungsdetektors ,Ί,
Nasaigraa = Ausgangsspannung des Mikrofons
Wie die Fig. 1 zeigt, werden die jeweiligen Ausgangssignale des Detektors 1 und des Mikrofons 2 über Verstärker
9 *
33A5067
NACHeERElOHT
3, 4 verstärkt, durch eine Detektor/Gleichrichterschal- "
tung 5, 6 gegeben und einer Vergleichsschaltung 7 zugeführt, die das Verhältnis V/S von zwei Ausgangsspannungen
feststellt (mit V ist der Ausgangspegel des Schwingungsdetektors 1, mit S der Ausgangspegel des Mikrofons 2 bezeichnet)
, und das Ausgangssignal der V/S-Schaltung 7 wird auf einem Instrument 8 zum Ablesen angezeigt.
Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung eines menschlichen Kopfes, in der die Wege erkennbar sind, über die die Töne
der Stimme gehen. Der Schwingungsdetektor oder Vibrationsdetektor 1 ist seitlich im oberen Bereich der Nase
befestigt, was mit Hilfe eines doppelseitig klebenden Bandes o. dgl. geschehen kann. Die vom Vibrationsdetektor
1 aufgenommenen Signale bestehen aus einem Signal b, das die Wände eines Stimmtrakts in Schwingungen versetzt,
wenn der Stimmlauf durch diesen Stimmtrakt hindurchgeht und die Wände durch Resonanz in der Nasenhöhle beeinflußt,
sowie aus Signalen a und c, die durch Resonanz in der Nasenhöhle nicht beeinflußt werden. Das Signal a wird
während des Klanges zum Vibrationsdetektor 1 über die Mundhöhle, das Signal b zum Vibrationsdetektor über die
Nasenrachenhöhle und das Signal q zum Vibrationsdetektor 1 über andere Bahnen übertragen. Die beiden Pfeile in
der Figur deuten die Stimmwege an.
Der Nasalgrad ist folgendermaßen festgelegt:
V/s = (V1 + V2)/S
worin V- einen Signalpegel bedeutet, der durch Resonanz
im Nasenraum beeinflußt ist, und V„ einen Signalpegel bedeutet,
der nicht durch die Resonanz im Nasenraum beeinflußt ist. V~ ist folglich bedeutend kleiner als V.., so
daß der Nasalgrad näherungsweise durch V../S gegeben ist,
d.h. nahezu proportional zu den nasalen Komponenten. Hat aber eine Person eine leichte oder mittlere Gaumenspalte,
dann gewinnt der Signalpegel V_ an Bedeutung. Der Nasalgrad ist dann nicht mehr unbedingt proportional zu den
Nasalkomponenten. Somit wird bei der herkömmlichen Bestimmungsart der Nasalgrad nicht mehr in jedem Fall exakt
bestimmt, d.h., die Werte sind nicht mehr klar und exakt unterscheidbar für eine Person mit gesundem Gaumen im
Vergleich zu .einer Person mit leichter Gaumenspalte.
10
Mit der herkömmlichen Vorrichtung ist es außerdem schwierig, unter Verwendung des Vibrationsdetektors nur die
pneumatische Vibration festzustellen, die durch den Nasenraum hindurchgegangen ist. Der Vibrationsdetektor erfaßt
die pneumatische Vibration, die durch den Stimmtrakt hindurchgeht, eher als die vom Nasenraum über das Gewebe,
das den Vibrationsdetektor umgibt. Es ist deshalb schwierig, nur Nasaltöne oder -geräusche zu eliminieren, so
daß die Ergebnisse nicht exakt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen des Nasalgrades im Klang der menschlichen Stimme zu schaffen,
die es ermöglicht, den Nasalgrad in Form numerischer Angaben genau zu bestimmen, indem während der Lautbildung der durch die Nasenhöhle ausgeatmete
Luftstromanteil gemessen und mit dem über die Mundhöhle ausgeatmeten
Luftstromanteil verglichen wird.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen bzw. Ausführungsforman der Erfindung gehen
aus den Unteransprüchen hervor.
Wie Fig. 3 zeigt, wird der Stimmklang dadurch hervorgerufen, daß die aus den Lungen ausgeatmete und an den
Stimmbändern 11 vorbeistreichende Luft zunimmt und abnimmt,
wodurch der Stimmklang entsteht. Unter den Stimmklängen befinden sich Laute, die von den Lippen 13 abgegeben
werden und dadurch den Tönen der Mundhöhle 12 zuzurechnen sind, wie /t/, /k/, /p/, /s/, /sch/ u. dgl. Bei
den nasalen Lauten, wie /n/, /m/ u. dgl., ist das Gaumenzäpfchen 14 offen, und die Phoneme werden als Töne über
- (ο ■
die Nasenhöhle 15 abgegeben. In diesem Fall gelangt ein Teil der nasalen Phoneme durch die Mundhöhle 12 und wird
als Ton abgegeben.
Stimmlose Geräusche werden durch den Atemstoß erzeugt, wenn der Atem durch Verengungen hindurchtritt wie an.den
Lippen, und durch Artikulationsstellungen der Zunge. PIosivlaute wie z.B. /t/ u. dgl. werden durch vollständiges
Schließen der Lippen 13 und des Gaumenzäpfchens 14 erzeugt, um den Druck der aus der Lunge ausströmenden Luft
zu erhöhen, wonach dann plötzlich die Lippen geöffnet werden. Die Lauterzeugung während der Lautbildung hängt
somit vom Strömungsvorgang der ausgeatmeten Luft ab. Die Erfindung ist auf dieser Tatsache aufgebaut und beachtet
die Wege, durch die die ausgeatmete Luft strömt. Genauer gesagt wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Vergleich
der Atemluftströmungsraten angestellt, um damit den Nasalgrad numerisch zu bestimmen.
Die Erfindung ist im folgenden an Ausführungsbeispielen und anhand der
Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Nasalgradindikators
;
25
25
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch einen Teil des menschlichen Kopfes mit Angabe des Anbringungsortes eines Mikrofons und eines Vibrationsdetektors
für das herkömmliche Indikatorsystem nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt durch den Mund- und Nasenbereich eines Kopfes mit Darstellung der Luftströmungswege;
35
35
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer elektronischen Schaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
BAD ORIGINAL
ο ο ο ο ο η <a «9 4 «» γ. «
O Φ Φ Q4OO O^ ^
NAOHGEREIOHT
Fig. 5 ein sich in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 4 ergebendes Zeitdiagramm; 5
Fig. 6 das Blockschaltbild einer anderen elektronischen Schaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
Fig. 7 das Blockschaltbild einer Schaltung, in der
Heißdraht-Luftströmungsmesser verwendet werden;
Fig. 8 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Atemluftströmungsrate und dem Ausgangssignal in
der Schaltung nach Fig. 7 wiedergibt;
Fig. 9A, 9B und 9C perspektivische Ansicht, Rückseite
bzw. Seitenprofil einer kombinierten Nasen- und Mundmaske, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verwendet wird.
Fig. 4 zeigt, daß zur Messung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor das Gesicht 21 eine Nasenmaske 22 über die
Nase und eine Lippenmaske 23 über den Mund gesetzt wird, so ^aß die bei einer Lautbildung ausgeatmeten Luftströme
unabhängig voneinander und ohne seitliche Verluste aufgefangen werden. Die Masken 22, 23 sind beispielsweise aus
Gummi hergestellt und im wesentlichen konisch geformt. Sie sind mit Luftströmungsmessern 24, 25 ausgestattet,
mit denen die bei der Lautbildung hervorgebrachten Luftströmungsmengen, die in diese Masken 22, 23 abgegeben werden,
gemessen werden. Die in die Nasenmaske 22 aus der Nasenhöhle einströmende Luft wird vom Strömungsmesser 24,
die in die Mundmaske 23 aus der Mundhöhle einströmende Luft vom Strömungsmesser 25 gemessen.
Die elektrischen Spannungsausgangssignale der Luftströ-
mungsmesser 24 und 25 geben die Strömungsmengen wieder;
die Ausgangssignale werden den Eingängen einer Addierschaltung 26 zugeführt. Die Addierschaltung 26 und die
übrigen Schaltungsteile des elektronischen Systems können durch Operationsverstärker gebildet sein, wie sie z.B.
im Buch Burr-Brown Operational Amplifiers/ McGraw-Hill Book Company, 1971, beschrieben sind. Die Ausgangsgröße
der Additionsschaltung wird einer Detektor/Gleichrichterschaltung
27 zugeleitet, von der sie in eine Ausgangsspannung umgesetzt wird, die in einer logarithmischen
Funktion zur Eingangsspannung steht, welche über einen
logarithmischen Verstärker 28 dem einen von zwei Eingän-
"L 5 gen einer Subtrahier schaltung 29 zugeführt wird. Die andere
Ausgangsspannung vom Strömungsmesser 24 wird in der Detektor/Gleichrichterschaltung 30 in eine Ausgangsspannung,
die in logarithmischer Funktion zur Eingangsspannung steht, umgewandelt und über einen logarithmi-
sehen Verstärker 31 dem anderen der beiden Eingänge der Subtrahierschaltung 29 zugeführt. Die Subtrahierschaltung
29 erzeugt damit eine Ausgangsspannung, die folgender
Beziehung (2) genügt:
Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 29 (in db)
=20 log (durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge)
- 20 log (durch den Mund ausgeatmete Strömungsmenge) + (durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge)
- on ι durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge
QQ ~ 0^ durch den Mund ausgeatmete Strömungsmenge+
durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge
Die Subtraktionsschaltung 29 bringt danach eine Ausgangsspannung hervor, die dem logarithmischen Wert des
Verhältnisses von durch die Nase ausgeatmeter Strömungsgc
menge zu gesamter ausgeatmeter Strömungsmenge bei der Lautbildung entspricht. Wenn man das Ausgangssignal von
der Subtraktionsschaltung 29 einer numerischen Anzeige-
einrichtung 32 zuführt, kann der Nasalgrad in Zahlenwerten
angezeigt werden. Wenn als Anzeigeeinrichtung 32 ein Instrument mit Sichtanzeige verwendet wird, läßt sich
der Ausgangswert bestimmen und zugleich sichtbar anzeigen .
Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm des beschriebenen Ausführung-sbeispiels.
Die Kurve (a) zeigt das Ausgangssignal der Detektor/Gleichrichterschaltung 30, wenn ein Laut
[änaj ausgesprochen wird, Diagramm (b) zeigt die Ausgangswellenform
des logarithmischen Verstärkers 28, und Kurve (d) zeigt die Ausgangswellenform der Subtrahierschaltung
29. Aus der Kurve (d) ist deutlich ersichtlich, daß bei der nasalen Lautbildung [näj eine niedrige Amplitude
vorliegt, während beim ersten Laut [aj, der nicht
nasal ist, die Amplitude hoch ist. Man kann also die beiden Lautbereiche deutlich voneinander unterscheiden.
Wenn einfach gefordert wird, Nasallaute von solchen, die nicht nasal sind, zu unterscheiden, wenn also nicht gefordert
wird, den Nasalgrad zu ermitteln, dann können die Ausgangswerte der beiden Luftströmungsmesser 24, 25
addiert und mit dem Ausgangswert des Strömungsmessers 25 verglichen werden, der nur die Luftströmungsmenge des
Mundes wiedergibt, wodurch eine Abwandlungsform der oben
beschriebenen Ausführungsform erhalten wird, so daß dann
die Subtraktionsschaltung 29 ein Ausgangssignal gemäß nachstehender Beziehung hervorbringt:
20 Ιοσ ^urcn ^en Mund ausgeatmete Strömungsmenge
' durch den Mund ausgeatmete Strömungsmenge + durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge
3g Die Subtraktionsschaltung 29 erzeugt eine Ausgangssignalkurve,
wie sie in Fig. 5(e) wiedergegeben ist. Hierbei erzeugt der nasale .Laut eine hohe Amplitude, während ein
-M-
Laut, der nicht nasal ist, eine geringe Amplitude hervorbringt. Auch mit diesem Verfahren können Unterscheidungen
gemacht werden.
Bei dem erstbeschriebenen System wurde der Nasalgrad numerisch nach folgenden Beziehungen bestimmt:
durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge ■ durch den Mund ausgeatmete Strömungsmenge +
durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge
oder
durch den Mund ausgeatmete Strömungsmenge durch den Mund ausgeatmete Strömungsmenge +
durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge.
Gemäß einem in Fig. 6 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Nasalgrad numerisch nach
folgender Beziehung bestimmt:
durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge durch den Mund ausgeatmete Strömungsmenge
oder
25
25
durch den Mund ausgeatmete Strömungsmenge durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge
Zu diesem Zweck wird das Spannungsausgangssignal des Luftströmungsmessers 24, der mit der Nasenmaske (nicht
gezeigt) verbunden ist, dem einen von zwei Eingängen der Subtrahierschaltung 29 über die Detektor/Gleichrichterschaltung
30 und den logarithmischen Verstärker 31 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Luftströmungsmessers
25, der mit der Mundmaske verbunden ist, wird auf den anderen Eingang der Subtrahierschaltung 29 über
die Detektor/Gleichrichterschaltung 27 und den logarithmischen Verstärker 28 gegeben. Damit erzeugt die Sub-
BAD ORIGINAL
« er ο β ■*>
o fr *
-44—
trahierschaltung 29 ein Ausgangssignal nach folgender
Beziehung (3):
5
5
Ausgangsgröße der Subtrahierschaltung 29 (in db)
= 20 log (durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge) - 20 log (durch den Mund ausgeatmete Strömungsmenge)
20 , durch die Nase ausgeatmete Strömungsmenge
-_ -9 äurch den Mund ausgeatmete Strömungsmenge
•Das von der Subtrahierschaltung 29 abgegebene Ausgangssignal
ist somit der logarithmische Wert des Verhältnisses der während der Lautbildung durch den Mund und
durch die Nase ausgeatmeten Luftmengen. Der Nasalgrad kann somit in Zahlenwerten bestimmt werden. Fig. 5(f)
zeigt die Ausgangskurve der Subtrahierschaltung 29. Eine
nasale Stimme erscheint positiv, eine nicht nasale negativ. Es versteht sich, daß es auch möglich ist, die
Schaltungskomponenten anders anzuordnen, so daß die Subtrahierschaltung 29 als Ausgangssignal folgendes abgibt:
20 1 durch den Mund ausgeatmete Luftströmungsmenge " durch die Nase ausgeatmete Luftströmungsmenge
Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 6 kann es wünschenswert sein, die Analogausgangssignale der Luftströmungsmesser
24, 25 mit A/D-Wandlern in digitale Größen umzusetzen und diese dann mit Hilfe eines Rechners
weiterzuverarbeiten.
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild einer Einrichtung, in der Hitzdraht-Luftströmungsmesser verwendet werden, die sich
für die Durchführung der Erfindung besonders eignen. Ein Luftströmungsmesser mit Hitzdraht 24a wird zum Erfassen
der Luftströmungsmenge, die durch die Nase ausgeatmet wird, verwendet und ist zu dem Zweck mit der Nasenmaske
22 verbunden. Wenn ein Hitzdraht-Luftströmungsfühler
verwendet wird, wird durch die bei der Lautbildung über die Nasenhöhle ausgeatmete Luft der Widerstand des Hitzdrahtes
verändert. Diese Änderung wird über einen Rückkopplungsverstärker 24b in eine Spannungsänderung umgesetzt.
Aufgrund der durch die Luftströmung hervorgerufenen Widerstandsänderung beschreibt der Spannungsabfall
am Hitzdraht 24a entsprechend der ausgeatmeten Luftströmungsmenge eine Kurve zweiten Grades, wie sie in der
Fig. 8 dargestellt ist. Die Kurve a wird in eine Gerade interpoliert, wie sie durch b in Fig. 8 wiedergegeben
ist, wozu eine nichtlineare Schaltung 24c verwendet wird, und wird dann über einen variablen Verstärker 24d verstärkt,
mit dem der Verstärkungsgrad eingestellt wird, so daß eine gewünschte Spannung erzielt wird. Mit der
Mundmaske 23 ist ein Hitzdraht-Luftströmungsmesser 25a verbunden. Wie der Luftströmungsmesser für die Nase ist
er für den Mund mit einem Rückkopplungsverstärker 25a, einer nichtlinearen Schaltung 25c und einem variablen
Verstärker 25d verbunden. Die Verstärkungsfaktoren der variablen Verstärker 24d und 25d sind so eingestellt,
daß an den Ausgängen bei gleichen Luftströmungsmengen gleiche Spannungsänderungen auftreten.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung werden ohne Leckverluste die durch die Nase und durch den Mund ausgeatmeten
Luftströmungsmengen unabhängig voneinander festgestellt. Es ist dadurch möglich, nur die Nasalsignale
herauszuziehen und den Nasalgrad numerisch zu berechnen, wobei hohe Genauigkeit erreicht wird.
Die Fig. 9A, 9B und 9C geben verschiedene Ansichten einer
kombinierten Nasen- und Gesichtsmaske 40 wieder, die für die leckströmungsfreie und unabhängige Aufnahme der Luftströmungsmengen
durch Nase und Mund verwendet werden kann. Die Maske 40 besteht aus einem becherförmigen Be-
BAD ORIGiNAL
9 m β ft · '
-/f3
hältnis 41 aus Kunstharz, einer Gummiabdichtung 42 am Rande des Becherteils 41, die gegen das Gesicht der die
Maske 40 tragenden Person gedrückt wird/ und einer Gummitrennplatte 43 innerhalb des Bechers 41. Die Platte
43 teilt den Becherinnenraum in zwei Luftsammelkammern
44 und 45, in die die Luft aus Nase und Mund voneinander unabhängig aufgenommen wird. Die Kammern 44 und 45 sind
mit Luftsammeiöffnungen 46 und 47 versehen, über die die Luft zu den Sensoren, beispielsweise den Hitzdrahtsensoren, abgegeben wird, an denen die Luftströmungsmengen-Ausgangssignale
erzeugt werden. Wird die Maske 40 auf das Gesicht einer zu prüfenden Person aufgesetzt, dann können
die durch Nase und Mund ausgeatmeten Luftströme unabhängig voneinander ohne Leckverluste gemessen werden.
■to
- Leerseite -
Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHE :Vorrichtung zum Messen des Nasalgrades im Klang der menschlichen Stimme, gekennzeichnet durch Mittel, um den bei der Lautbildung von der Person durch die Nase ausgeatmeten Luftstrom und den durch den Mund ausgeatmeten Luftstrom voneinander getrennt und ohne Leckverlust zu messen, und Mittel, mit denen der Nasalgrad durch Vergleich der Luftströmungsmengen bestimmt wird.Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine abdichtend auf das Gesicht der Person aufsetzbare gemeinsame Maske (40), die ohne Leckverluste die Luft von Nase und Mund aufnimmt und eine den Nasenluftstrom vom Mundluftstrom trennende Trennwand (43) enthält, so daß die Luftströme zu voneinander getrennten Sensoren geleitet werden, die den' Luftströmungsmengen entsprechende Ausgangssignale abgeben.Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei voneinander getrennte Masken (22, 23) für Nase und Mund, die dicht schließend auf das Gesicht der Person aufsetzbar sind und ohne Leckverluste die ausgeatmeten Luftströme auffangen, wobei jede Maske einen Sensor (24a, 25a) zum Erzeugen voneinander unabhängiger Ausgangssignale enthält, welche die ausgeatmeten Luftströmungsmengen darstellen»_ 2 - - {NACHeERElOHT j4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mittel zum Dividieren eines der durch den Mund ausgeatmeten Luftströmungsmenge entsprechenden Wertes durch einen der durch die Nase ausgeatmeten Luftströmungsmenge entsprechenden Wert.5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mittel zum Dividieren eines der durch die Nase ausgeatmeten Luftströmungsmenge ent-ο sprechenden Wertes durch einen der durch den Mund ausgeatmeten Luftströmungsmenge entsprechenden Wert.6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mittel zum Dividieren eines der 5 durch den Mund ausgeatmeten Luftströmungsmenge entsprechenden Wertes durch einen der Summe der durch Mund und Nase■ausgeatmeten Luftströmungsmengen entsprechenden Wert.7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mittel zum Dividieren eines der durch den Mund ausgeatmeten Luftströmungsmenge entsprechenden Wertes durch einen der durch Summe der durch Mund und Nase ausgeatmeten Luftströmungsmengen entsprechenden Wert.
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