Formant
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Formanten (von lateinisch formare = formen) ergeben sich aus den Resonanzspektren von Musikinstrumenten oder der menschlichen Stimme. Diese Resonanzen führen zur relativen Verstärkung bestimmter Frequenzbereiche. Die Formanten sind die Maxima derjenigen Frequenzbereiche, bei denen die relative Verstärkung am höchsten ist.
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[Bearbeiten] Erläuterungen zur Definition
Im Kehlkopf oder z.B. im Mundstück eines Blasinstrumentes wird zunächst ein Grundton mit zahlreichen Obertönen produziert. Erst im Klangkörper eines Musikinstrumentes bzw. auf dem Weg zwischen Kehlkopf und Mundöffnung wird aus diesem Spektrum ein Teil der Harmonischen, also Partialtöne, Teiltöne oder Obertöne, und Rauschanteile gedämft, ein anderer Teil durch Resonanz relativ gegenüber der Grundfrequenz und gegenüber anderen Obertönen verstärkt. Die Bereiche, bei denen eine maximale relative Verstärkung stattfindet, sind die Formanten. Stimmen und Instrumente besitzen oft mehrere Formantregionen, die nicht direkt aneinander anschließen.
Die Lage und Ausprägung der Formanten prägen maßgeblich die Klangfarbe oder das Timbre eines Musikinstruments oder einer Stimme. Durch sie lassen sich Stimmen, und auch Musikinstrumente voneinander unterscheiden – etwa die Stimmen zweier Frauen oder eine Geige von einer anderen. Allerdings haben nur Formanten, die im Bereich oder oberhalb der Grundfrequenz eines Tons liegen, Auswirkungen auf die Klangfarbe des Tons.
Die Lage der Formanten hängt ab:
- bei mechanischen Musikinstrumenten von der Bauform und den verwendeten Materialien, insbesondere von der Gestaltung des Klangkörpers
- bei der menschlichen Stimme von der Form des Vokaltrakts, so wie er zum Artikulieren eines bestimmten Lauts durch Muskelbewegungen eingestellt wird.
- bei elektronischen Musikinstrumenten durch Bandpässe und Bandsperren
[Bearbeiten] Sprache
![Spektrogramm [i, u, ɑ]: F1, F2](../../../upload/shared/thumb/7/77/Spectrogram_-iua-.png/300px-Spectrogram_-iua-.png)
Bei der menschlichen Sprache charakterisiert die Lage von Formanten die Bedeutung bestimmter Laute. Anhand der ersten beiden Formanten im Vokaldreieck beziehungsweise im Vokaltrapez lassen sich alle Vokale eines Lautsystems voneinander unterscheiden. Sicherlich unterscheiden sich die Vokal-Formantlagen von Mensch zu Mensch, besonders zwischen Männern, Frauen und Kindern. Hier folgt eine anschauliche Tabelle der gemittelten Formantlagen aus dem genannten Vokaldreieck.
Tabelle 1: Gemittelten Formantlagen aus dem Vokaldreieck
| Vokal-Formant-Zentren | |||
| deutscher Vokal | IPA | Formant f1 | Formant f2 |
| U | u | 320 Hz | 800 Hz |
| O | o | 500 Hz | 1000 Hz |
| å | aː | 700 Hz | 1150 Hz |
| A | a | 1000 Hz | 1400 Hz |
| ö | ø | 500 Hz | 1500 Hz |
| ü | y | 320 Hz | 1650 Hz |
| ä | ɛ | 700 Hz | 1800 Hz |
| E | e | 500 Hz | 2300 Hz |
| I | i | 320 Hz | 3200 Hz |
Die ersten beiden Formanten f1 und f2 sind für die Verständlichkeit der Vokale wichtig. Ihre Lage charakterisiert den gesprochenen Vokal. Um sich verstehen zu können, müssen diese Formanten bei jedem Sprecher in etwa gleich sein.
Der dritte und der vierte Formant f3 und f4 sind für das Sprachverständnis nicht mehr wesentlich. Diese charakterisieren eher die Anatomie des Sprechers und dessen Artikulations-Eigenarten sowie das Timbre seiner Sprache und variieren je nach Sprecher. Darüber hinaus wird der Charakter einer Stimme noch durch die Grundfrequenz 100 bis 250 Hz, die Bandbreite, das Spektrum und Artikulationseigenarten bestimmt. Die Sprachgrundfrequenz liegt beim Mann bei ca. 130 Hz und bei der Frau bei ca. 240 Hz.
Frequenzen zwischen 1500 und 2000 Hz bringen die Wirkung des Näseleffekts hervor, was darum Näselformant genannt wird.
Die Analyse von Formanten spielt, neben anderen charakteristischen Aspekten einer Stimme, auch eine bedeutende Rolle bei der Sprechererkennung in der Kriminalistik.
Tabelle 2: Typische spektrale Anhebung (Quint- bis Oktavbreite), die bei Gesang und Instrumenten gezielt eingesetzt wird
| Praktische Pegelanhebungen | |||
| Hohe Amplitude bei | Klangempfindung | Bemerkung | |
| 200 bis 400 Hz | sonor | 1. Formant u | |
| 400 bis 600 Hz | voll | 1.Formant o | |
| 800 bis 1200 Hz | markant | 1. Formant a | |
| 1200 bis 1800 Hz | näselnd | 2. Formant ü | |
| 1800 bis 2600 Hz | hell | 2. Formant e | |
| 2600 bis 4000 Hz | brillant | 2. Formant i | |
| 8000 Hz | spitz | diffuse "Höhen" | |
| über 10000 Hz | scharf | Oberton-"Glanz" | |
[Bearbeiten] Besonderheiten beim Gesang
Grundsätzlich gilt für den Gesang das gleiche wie für die Sprache. Die o.g. Formanten lassen sich besonders gut für tiefe Töne, z.B. gesungen im Schnarrregister zeigen. Aber bereits im höheren Bereich einer Sopranstimme liegt die Grundfrequenz oberhalb der in Tabelle 1 genannten 1. Formantfrequenzen. Bei Frequenzen von z.B. 700 Hz müßten demnach die Vokale u, e und i unverständlich sein und wegen der starken Dämpfung zwischen den Formanten nur schwache, nicht tragfähige Töne bilden. Allerdings sind nach Sundberg die Formanten nicht unabhängig vom Grundton. Wenn der Grundton in den Bereich des 1. Formanten fällt oder darüber liegt, dann steigt mit steigendem Grundton auch der 1. Formant. Dies erzielt die Sängerin, indem sie den Mund weiter öffnet. Diese Anpassung des ersten Formanten bezeichnet man als Formanttuning. Das Formanttuning führt beim i, u, e zu einem Anstieg des 1. Formanten, er liegt bei einer Grundfrequenz von 700 Hz ebenfalls bei etwa 700 Hz. Beim a bleibt er weitgehend konstant. Der 2. Formant sinkt dagegen beim e und i und steigt beim u. Der Anstieg des 1. Formanten geht aber nicht "unendlich" weiter, im Bereich um h2 und darüber kann man mit weiterem Öffnen des Mundes nichts mehr bewirken. Die Vokale sind bei sehr hohen Tönen nicht mehr unterscheidbar, weil nunmehr die Grundfrequenz immer oberhalb des ersten Formanten liegt und somit der Klangeindruck dieses Formanten verschwindet.
Frequenzen um 3000 Hz spielen eine entscheidende Rolle für die Tragfähigkeit einer Stimme. Deshalb nennt man diesen Frequenzbereich um 3 kHz Sängerformant. Der Sängerformant ist gut ausgeprägt, wenn in einem gesungenen Ton die Frequenzen in einem breiten Band zwischen 2800 bis 3400 eine „relative Stärke“ haben, unabhängig vom Grundton.
[Bearbeiten] Historie
Der Begriff wurde 1929 von Erich Schumann in seiner Habilitationsschrift in Berlin eingeführt und bildet heute ein breites Forschungsfeld sowohl auf analytischen, nachrichtentechnischen wie klangsynthetischen Domänen.
[Bearbeiten] Siehe auch
Vocoder | Pitch shifter | Vokaldreieck | Sprachsynthese | Phonem | Spektrum | Sonagramm | Klirrfaktor |
[Bearbeiten] Literatur
- Dickreiter, M.: Handbuch der Tonstudiotechnik. Verlag Saur, (Band 1), ISBN 3-5981-1320X
- Hermann, L.: Beiträge zur Lehre von der Klangwahrnehmung. Pflügers Arch. f. d. ges. Physiol. 56 (1894) S. 467-499
- Klingholz, F.: Medizinischer Leitfaden für Sänger, Libri Books on Demand, 2000, ISBN 3-8311-0493-X
- Mertens, P.H.: Die Schumannschen Klangfarbengesetze. Verlag E. Bochinsky, Frankfurt/M 1975, ISBN 3-9201-1254-7
- Meyer, J.: Akustik und musikalische Aufführungspraxis. Verlag E. Bochinsky, Frankfurt/M, ISBN 3-9322-7595-0
- Schumann, E.: Physik der Klangfarben. 1929, Habilitationsschrift an der Universität Berlin
- Schumann, E.: Physik der Klangfarben. Breitkopf & Härtel, Leipzig 1940 (Band II)
- Sundberg, J.: Die Wissenschaft von der Singstimme. Orpheus, Bonn, 1977, ISBN 3-922626-86-6
