有限要素法による摩擦子音の音響シミュレーション

1. 有限要素法による摩擦子音の音響シミュレーション 戸田マルティヌ ATR/ Université Paris III - CNRS 北村達也 ATR 本多清志 ATR　 前田眞治 ENST/CNRS mtoda@atr.co.jp

2. はじめに • 摩擦音/s/と//の判別には, 摩擦雑音のスペクトルが使われているとされる（Harris,1958）. dB dB /s/ // Hz Hz 高エネルギー帯域 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

3. /s/ // 無声歯茎摩擦音　　（alveolar fricative） • 舌の中央が窪んでいる　（Ladefoged & Maddieson, 1996）. • 無声歯茎後部摩擦音（post-alveolar fricative） • 舌下腔のあることが特徴的である（Perkell et al., 1979）. • 口唇の突き出しがある.（Toda et al., ICPhS 2003） 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

4. では,/s/や//の音響的特徴は声道形状のどのような特徴に起因しているのか？では,/s/や//の音響的特徴は声道形状のどのような特徴に起因しているのか？ 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

5. 目的 • 1話者の/s/と//において,高エネルギー帯域を形成する共鳴のパターンを明らかにする. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

6. 方法

7. 方法（概要） • MR画像に基づき、3次元の現実的な声道モデルを作成. • 有限要素法を用いて音響シミュレーションを行い,モデルの音響特性を求める. • モデル内の音圧分布を観察することによって共鳴のパターンを推察する. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

8. MR画像から声道形状を抽出 • 話者は女性1名 • 摩擦子音/s/と//の持続発声（撮像時間30秒,一息で発声） • 歯列を補填 • トレース作業を経て声道形状を抽出（Mimics（Materialize社） ） 詳細は戸田ら,信学技報 SP2003-56 を参照 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

9. 梨状窩 声道モデル /s/ // 口蓋帆 • Hypermesh（Altair社）によって有限要素メッシュを作成（四面体,要素数約19万） 歯列間隙 喉頭蓋 声門 舌下腔 口唇 • 計算に用いたモデルの放射空間は, 高さ100mm,幅100mm,口唇から前面までが50mm以上. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

10. シミュレーション　 • Sysnoise （LMS社）を使って50 Hz から 8000 Hz までの区間において, 50 Hz 刻みで音圧に関する波動方程式を解いた. • 音源（音圧源）は2重極（dipole）音源, 狭め前方の上下顎前歯の間に位置させた. • 境界条件： • 声門と放射空間の面には空気の固有音響インピーダンスcを付与（ = 1.733 kg/m3; c = 346.37 m/s）. • その他の面は剛壁. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

11. 結果

12. 音声との比較 シミュレーション 口唇から2ｃｍの点での音圧 音声 /s/ // 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

13. 声道モデル内の音圧分布：/s/ 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

14. 狭め 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

15. 声道モデル内の音圧分布：// 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

16. まとめと考察

17. まとめと考察 • MR画像から摩擦音/s/と//の声道モデルを作成した. • ２重極の点音源を上下顎前歯の間の位置に置き,有限要素法によってモデルの音響特性を調べた. • /s/と//の特徴となる高エネルギー帯域が再現された. • しかし,//の音声における6kHzのディップがシミュレーションで再現されなかった. • 音源の数と位置の問題 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

18. まとめと考察　（続） • 更に/s/と//の共鳴のパターンを明らかにするために,モデル内の音圧分布 を調べた. • /s/の特徴となる高エネルギー帯域は,狭めを含む部位の共鳴によってつくられていることが示唆された. • //の場合は舌下腔を含む部位の複数の共鳴によることが示された.　 • //に関しては, Stevens (1998) のモデルとは異なる共鳴パターンである. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

19. 約 4 cm： 2500 Hz ‘’ （//） 約 2.6 cm： 3500 Hz //の音響生成機構（Stevens, Acoustic Phonetics,1998) • 話者ごとに異なるパターンが存在する可能性は十分考えられる. • 一般的な解釈を行うためには,今後,複数の話者において調査を行うことが必要である. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

20. 本研究は通信・放送機構の研究委託「人間情報コミュニケーションの研究開発」により実施したものである.本研究は通信・放送機構の研究委託「人間情報コミュニケーションの研究開発」により実施したものである. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

22. 参考文献 K.S. Harris (1958), “Cues for the discrimination of American English fricatives in spoken syllables”, Language and Speech, 1:1-7. P. Ladefoged and I. Maddieson (1996), The sounds of the world’s languages, Blackwell. J. S. Perkell, S. Boyce and K. N. Stevens (1979), “Articulatory and acoustic correlates of the [s-š] distinction”, in Speech communications papers presented at the 97th meeting of the ASA, J. J. Wolf and D. K. Klatt (eds.), Acoust. Soc. Am., New York, 109-113. M. Toda, S. Maeda, A. J. Carlen and L. Meftahi (2003), “Lip protrusion/rounding dissociation in French and English consonants: /w/ vs. /S/ and /Z/ ”, proc. 15th ICPhS 2003, Barcelona. K. N. Stevens (1998), Acoustic phonetics, The MIT Press, Cambridge, MA, 404-405. 戸田・北村・本多・前田 (2003) 『ＭＲＩ観測に基づく歯擦音生成時の声道形状とその音響モデル』, 信学技報SP2003-56． C. H. Shadle (1985), The acoustics of fricative consonants, Ph. D. thesis, MIT, Cambridge, MA. 竹本・北村・西本・本多(2003)『声道形状のMRI計測における歯列補填法』, 日本音響学会公演論文集,no.2-3-9, pp. 293-294, March 2003. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

23. MRI撮像 • Shimadzu-Marconi Eclipse 1.5 • 子音 • -　Fast3D、TE=3.3ms、TR=10ms、矢状方向、　　　1ピクセル0.50.5mm、スライス厚1.5mm、　　　撮像範囲25625660mm、仰臥位、　　　　　　撮像時間約30秒 • 歯列 • Spin Echo、TE=11ms、TR=3000ms、矢状方向、 1ピクセル0.50.5mm、スライス厚1.5mm、　　　撮像範囲25625676.5mm • 竹本ら（2003)に従い、うつぶせの姿勢で口に造影剤を含んで安静（撮像時間約3分）

24. 声道抽出 2値化・　　ノイズ除去 歯列補填 声道抽出 歯列の抽出 Intage RV Mimics

25. 2600 Hz 3300 Hz 約 4 cm： 2500 Hz ‘’ （//） 約 2.6 cm： 3500 Hz //の音響生成機構 （Stevens, 1998) MRIによる//発声時の正中矢状断面および音声のスペクトル K. N. Stevens, 1998 p.404-405 より 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

26. 音源　付１ • /s/と//に代表される歯擦音の主な音源は,狭めによってジェット気流が作られ,これが歯などの障害物にあたることによって生じる乱流による（Shadle, 1985）. • このような音源は2重極（dipole）音源である（Stevens, 1998). • 等価回路では電流に変動のない,電圧源として表現できる. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

27. e-ikR k波数 R音源からの距離 R 音源　付２ • 2重極音源は乱流の発生する一帯に分散して存在すると考えられるが,シミュレーションでは簡略化のために特定の1箇所にあることを仮定した.位置は狭めの正面,上下顎前歯の間とした. • シミュレーションには点音源（音圧源）を用いた. P = A • 2重極音源は,位相が逆の点音源2点をほぼ同じ位置（1mm間隔）に置くことで実現した. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション

28. 有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション有限要素法による摩擦音の音響シミュレーション