Formant

Que sont les formants en linguistique ?

Les formants sont le pain et le beurre de l'analyse des voyelles en linguistique.

Tu peux voir les formants en regardant un spectrogramme. Les formants des voyelles apparaissent sous forme de bandes horizontales foncées le long du spectrogramme d'un échantillon de parole. Plus la bande horizontale est haute sur le spectrogramme, plus la fréquence du formant est élevée. Lorsque tu regardes un spectrogramme, tu dois pouvoir voir trois ou quatre formants.

Fig. 1 - Les bandes horizontales foncées représentent les formants. Il y a quatre formants visibles sur ce spectrogramme.

L'obscurité de chaque bande de formants représente l'amplitude ou le niveau sonore du formant.

Trois formants en particulier permettent de distinguer les voyelles les unes des autres. Il s'agit des premier, deuxième et troisième formants, également appelés F1, F2 et F3. Ces formants signalent la hauteur et l'intensité relatives d'une voyelle.

Harmoniques et formants

Les formants sont étroitement liés à une autre série de fréquences : les harmoniques.

Lorsque tu produis une voyelle, tu pousses l'air de tes poumons à travers ta glotte, ce qui fait vibrer tes plis vocaux. La vibration produit une onde de pression ; cette onde est le son de ta voix.

L'onde source glottale est une grande onde composée de plusieurs petites ondes (de plus haute fréquence). Chacune de ces ondes de fréquence supérieure est une harmonique de l'onde source glottale.

Les harmoniques sont visualisées sur le spectre d'une voyelle. Le spectre affiche la fréquence sur l'axe des x et l'amplitude sur l'axe des y. Il ressemble à une rangée de pointes de fréquences dont l'amplitude diminue progressivement. Chaque "pic" sur le spectre est une harmonique.

Lesformants, quant à eux, sont les groupes d'harmoniques les plus forts. Si tu regardes le spectre d'une voyelle, tu verras que les sommets des "pics" harmoniques forment une forme ondulée. Le sommet de chaque "vague" est un formant. Sur la figure 2, tu peux voir quatre formes d'ondes distinctes. Il s'agit des mêmes formants que ceux visibles sur la figure 1.

Fig. 2 - Chaque "pic" du spectre représente une harmonique, et chaque "onde" représente un formant.

Pour résumer simplement, les harmoniques sont des éléments de l'onde de la source glottale, et les formants sont des éléments de la forme de la voyelle.

Structure des formants

La position de ta bouche lorsque tu produis une voyelle détermine la structure des fréquences des formants de la voyelle. Voici un aperçu de la façon dont cela fonctionne :

• F1 t'indique à quelle hauteur la langue est située dans la bouche.
• Lesvoyelles plus hautes (comme [i] et [u]) ont un F1 plus bas que les voyelles plus basses (comme [a] et [ɑ]).
• F2 indique à quel point la langue est située en arrière dans la bouche.
• Lesvoyelles arrière (comme [u] et [ɑ]) ont un F2 plus bas que les voyelles avant (comme [i] et [æ]).
• F3 n'est pas aussi informatif que F1 et F2, mais il aide à signaler les voyelles de couleur r.
• Lesvoyelles de couleur r ont un F3 plus bas que les autres voyelles.

Premier formant (F1)

F1 est la fréquence du formant le plus bas dans une voyelle. Elle correspond à la hauteur de la voyelle.

Les voyelles hautes sont produites avec une position haute de la langue. Si tu te dis les mots Peter et potter, tu remarqueras que tu places ta langue plus haut dans ta bouche pour le [i] de Peter que pour le [a] de potter.

La F1 est inversement corrélée à la taille. Plus la voyelle est haute, plus la valeur F1 est basse. Parce qu'il implique une position plus haute de la langue, le [i] de Pierre a une valeur F1 plus basse que le [a] de potier.

Deuxième formant (F2)

Le formant suivant est F2, qui correspond à l'arrière de la voyelle.

Lorsque tu produis des voyelles en arrière, tu pousses ta langue plus loin dans ta bouche. Dis-toi les mots bead et booed. Tu remarqueras que ta langue se déplace d'avant en arrière dans ta bouche lorsque tu alternes entre le [i] avant et le [u] arrière.

F2 est en corrélation inverse avec l'arrière. Plus la voyelle est en arrière, plus la valeur F2 est faible. Parce qu'il exige que la langue soit plus en arrière dans la bouche, le [u] de booed a une valeur F2 plus basse que le [i] de bead.

Troisième formante (F3)

F3 ne change pas en fonction de la hauteur et de l'arrière-bouche aussi radicalement que F1 et F2, mais il change en réponse aux voyelles de couleur r.

Les voyelles de couleur r sont produites avec la langue en chignon, caractéristique du son r américain. Par exemple, la voyelle dans la prononciation générale de bird en anglais américain est une voyelle de couleur r. Les voyelles de couleur r ont une valeur F3 très faible par rapport aux autres voyelles.

Exemples de formants

Voici maintenant quelques exemples de valeurs formantes relatives. Le tableau des voyelles de l'Alphabet phonétique international (API) représente les différentes catégories de voyelles en fonction de leurs valeurs F1 et F2. Il indique F1 sur l'axe des ordonnées dans l'ordre inverse : les voyelles ayant le F1 le plus bas sont les plus proches du haut du tableau des voyelles. Le tableau montre F2 sur l'axe des x, également dans l'ordre inverse. Les voyelles ayant le F2 le plus élevé sont les plus proches de la gauche du tableau.

Fig. 3 - Le tableau des voyelles de l'IPA montre F2 (de haut en bas) sur l'axe des abscisses et F1 (de haut en bas) sur l'axe des ordonnées.

En regardant le tableau, tu peux identifier les valeurs F1 et F2 d'une voyelle par rapport aux autres voyelles. Par exemple :

• La voyelle frontale haute [i] dans le coin supérieur gauche a l'une des valeurs F1 les plus basses et la valeur F2 la plus élevée de toutes les voyelles du tableau.
• La voyelle frontale supérieure-moyenne [e] est plus basse et légèrement à droite de [i], tu t'attendrais donc à ce qu'elle ait une valeur F1 plus élevée et une valeur F2 légèrement plus basse.
• La voyelle centrale basse [a] se trouve en bas du tableau et a donc l'une des valeurs F1 les plus élevées. Comme elle se trouve au milieu de l'axe des x, elle a probablement une valeur F2 centrale.
• La voyelle arrière supérieure-moyenne [o] se trouve au-dessus de [a] mais en dessous de [u] sur le graphique, elle a donc probablement une valeur F1 centrale. Elle est alignée avec [u] sur l'axe des x, tu t'attends donc à ce qu'elle ait une valeur F2 similaire à celle de [u].
• Parce qu'elle est à la même hauteur et plus à droite sur le graphique, tu t'attendrais à ce que la voyelle haute en arrière [u] ait une valeur F1 similaire et une valeur F2 inférieure à celle de [i].

Les formants dans la parole

L'examen du tableau a permis de faire des prédictions sur les valeurs des formants des différentes voyelles dans la parole naturelle. Dans quelle mesure ces prédictions étaient-elles exactes ?

Fig. 4 - Tu peux voir sur ce spectrogramme comment F1 et F2 changent avec chaque voyelle.

Dans la figure 4, tu peux voir le spectrogramme d'une séquence de voyelles synthétisées [i, e, a, o, u]. Les formants sont marqués par des points rouges.

La bande la plus basse est F1. Tu peux voir que les voyelles les plus hautes sur le graphique, [i] et [u], ont la bande F1 la plus basse. La voyelle la plus basse, [a], a la valeur F1 la plus élevée, et les voyelles moyennes ont des fréquences F1 entre celles des voyelles hautes et basses.

La bande qui suit F1 est F2. Les voyelles de la figure 4 sont représentées dans l'ordre de la gauche vers la droite du tableau des voyelles ou de la position avant vers la position arrière de la langue. Tu peux voir que la bande F2 est la plus élevée pour [i] et qu'elle diminue progressivement au fur et à mesure que les voyelles se déplacent vers l'arrière.

Comme aucune de ces voyelles n'est de couleur r, F3 reste relativement constant sur le spectrogramme.

Et voilà ! La hauteur et le recul des voyelles sont des prédicteurs fiables des fréquences F1 et F2. De même, les fréquences F1 et F2 signalent de manière fiable la position des voyelles.