Diferenças espectrais e no diagrama do trato vocal na vogal /a/ falada e cantada por cantoras sopranosRESUMO
Objetivo: descrever e analisar possíveis diferenças acústicas apresentadas na vogal /a/ emitida na fala em tom habitual e no canto em tom grave por cantoras sopranos, por meio da frequência fundamental, dos formantes e da associação entre Fast Fourier Transform (FFT), Linear Predictive Coding (LPC) e diagrama do trato vocal (DTV).
Métodos: estudo exploratório com amostras de 32 sopranos profissionais adultas, sem queixas e/ou alterações vocais autorreferidas. Foram analisadas três repetições da vogal /a/ em tom habitual de fala e na emissão cantada no tom grave (C3, 261Hz), totalizando 192 amostras. Além de serem realizadas as análises por LPC, por FFT e pelo DTV, foram extraídas as medidas da frequência fundamental (f0) e as dos cinco primeiros formantes (F1, F2, F3, F4 e F5).
Resultados: na vogal cantada, a f0 média foi de 259 Hz, F1 aproximou-se do valor observado na emissão falada, os valores de F1 foram maiores que a f0, em F2, observou-se correspondência nas sobreposições de FFT e LPC e no traçado do DTV.
Conclusão: o aumento do segundo formante na vogal cantada em relação à falada provavelmente foi ocasionado pelas modificações do trato vocal, como se observou no DTV. As análises apresentadas de FFT, LPC e DTV indicaram distinções entre a vogal falada no tom habitual e cantada no tom grave realizadas por cantoras sopranos.
Descritores:
Voz; Acústica; Acústica da Fala; Fonoaudiologia
ABSTRACT
Purpose: to describe and analyze possible acoustic differences in the vowel /a/ emitted in speech at habitual pitch and in singing at a low pitch by soprano singers, through fundamental frequency, formants, and the association between Fast Fourier Transform (FFT), Linear Predictive Coding (LPC), and vocal tract diagram (VTD).
Methods: an exploratory study with samples of 32 adult professional sopranos, without complaints and/or self-reported vocal alterations. Three repetitions of the vowel /a/ were analyzed in habitual speech pitch and in sung emission at a low pitch (C3, 261 Hz), totaling 192 samples. In addition to analyses by LPC, FFT, and VTD, measurements of the fundamental frequency (f0) and the first five formants (F1, F2, F3, F4, and F5) were extracted.
Results: in the sung vowel, the average f0 was 259 Hz, F1 was close to the value observed in spoken emission, F1 values were higher than f0, in F2, correspondence was observed in the FFT and LPC overlaps and in the VTD tracing.
Conclusion: the increase in F2 in the sung vowel as compared to the spoken vowel was probably caused by modifications in the vocal tract, as observed in the VTD. The FFT, LPC, and VTD analyses indicated distinctions between the spoken vowel in habitual pitch and the sung vowel in low pitch by soprano singers.
Keywords:
Voice; Acoustics; Speech Acoustics; Speech-Language Pathology
INTRODUÇÃO
A avaliação vocal é um componente integral do tratamento clínico fonoaudiológico. Uma avaliação abrangente da voz é um processo multidimensional que inclui anamnese, medidas de autoavaliação centradas no paciente, exames de imagem para diagnóstico e compreensão acerca do funcionamento da laringe e condição das estruturas, como a nasofibrolaringoscopia, assim como a análise perceptivo-auditiva e acústica para detalhar aspectos da qualidade vocal1-4.
A análise acústica fornece dados quantificáveis sobre a emissão vocal, além de recursos visuais, como a espectrografia, o que possibilita a correlação desses dados entre si e também com aspectos perceptivo-auditivos e fisiológicos da produção vocal5,6.
Embora a fala espontânea seja o reflexo mais preciso dos padrões naturais de comunicação, as vogais sustentadas constituem uma tarefa central em todos os procedimentos de avaliação vocal7,8. A relativa estabilidade das vogais sustentadas facilita a obtenção de medidas acústicas confiáveis, bem como a identificação das características da qualidade da voz7-9. Entretanto, no atendimento a cantores, é comum que a emissão ocorra em voz cantada, sobretudo em tons graves, o que pode dificultar a distinção acústica em relação à vogal sustentada falada10.
Sendo assim, essa semelhança acústica pode interferir na compreensão do ajuste vocal realizado no momento da gravação da voz, tornando desafiador determinar se o paciente está sustentando uma vogal falada ou executando uma nota musical prolongada em tom grave11. Além disso, a sustentação de uma vogal cantada, em comparação com a falada, pode gerar diferenças nas medidas acústicas em virtude de variações nos espectros vocálicos, nas larguras de banda dos formantes e nos níveis de intensidade entre canto e fala12-14.
Uma das análises de interesse refere-se aos formantes. A literatura descreve a existência de quatro formantes: F1 ocorre na cavidade posterior da boca, na faixa de frequência de 250 a 700 Hz, e está relacionado à abertura da mandíbula, à altura da língua na cavidade oral e à constrição faríngea, F2 está associado à modificação do corpo da língua, deslocamento horizontal da língua e elevação posterior da língua, e ocorre na faixa de frequência de 700 a 2500 Hz, F3 refere-se à influência da cavidade situada imediatamente atrás dos incisivos inferiores, e F4 associa-se ao comprimento do trato vocal, configuração do tubo laríngeo e volume do ventrículo laríngeo15,16.
Outras análises acústicas que colaboram para a compreensão das características de fonte e filtro são a Linear Predictive Coding (LPC), destinada à determinação dos picos de formantes do som e a análise digital do espectro da transformada rápida de Fourier (FFT), que mostra a amplitude da frequência fundamental (f0) e harmônicos17,18.
A combinação dessas análises, FFT e LPC, fornece informações importantes para a compreensão do comportamento sonoro em cantores, ampliando a investigação para além da análise espectrográfica. Essa abordagem permite observar a interação entre harmônicos e formantes com a sobreposição de diagramas do espectro de harmônicos (FFT) e as curvas de formantes (LPC), o que possibilita verificar variações tonais em determinada janela temporal específica e identificar modificações realizadas no trato vocal11,17-22. São técnicas consolidadas na literatura, aplicadas em diferentes contextos, incluindo a descrição do comportamento acústico vocálico em cantores homens, sobretudo na caracterização do formante do cantor15,23. Em contrapartida, em vozes femininas, especificamente sopranos, os estudos a respeito da descrição acústica na região mais grave são mais limitados em comparação às pesquisas que estudam tons agudos24,25.
Estudo anterior com 30 sopranos sem queixas vocais analisou a variação da frequência fundamental e formantes a partir da emissão da vogal /a/ e demonstrou diferenças no comportamento da frequência fundamental e dos formantes do som. Ao comparar diferentes tons de f0 na voz cantada - grave (261 Hz), médio (622 Hz) e agudo (932 Hz), apontou modificações específicas do trato vocal, com faixa de ganho extra em 261 Hz, sintonia entre picos de formantes e harmônicos em 622 Hz e equiparação de f0 e F1 em 932 Hz. Ainda nesse estudo, foi feito um ensaio inicial com o diagrama do trato vocal, com uso do software livre Praat, como alternativa para visualização de constrições e expansões compatíveis com as medidas acústicas analisadas nos três tons investigados22.
A investigação acústica com o diagrama do trato vocal possibilita a união de análises combinadas FFT e LPC e a observação do tubo vocal, com suas modificações, pela predição gráfica algorítmica. Sua aplicabilidade prática no atendimento aos cantores, incluindo as sopranos, poderá compor o conjunto da avaliação fonoaudiológica, como um instrumento de imagem adicional e relevante na compreensão de ajustes no canto. Este instrumento poderá contribuir com o aprimoramento técnico vocal em diferentes esferas, como pedagogia do canto, assessoria fonoaudiológica vocal e raciocínio clínico. Ademais, não foram localizados estudos que tivessem utilizado, na análise da voz de cantoras sopranos, medidas acústicas de formantes em associação às modalidades de investigação mencionadas acima.
Posto isso, o objetivo do presente estudo foi descrever e analisar possíveis diferenças acústicas apresentadas na vogal /a/ emitida na fala em tom habitual e no canto em tom grave por cantoras sopranos, por meio da frequência fundamental, dos formantes e da associação entre FFT, LPC e diagrama do trato vocal.
MÉTODOS
Trata-se de um estudo exploratório, descritivo e analítico de amostras retrospectivas de vogal sustentada na fala habitual e vogal cantada por sopranos. Foi utilizado o banco de coleta de dados da pesquisa anterior. A continuidade do estudo foi aprovada como emenda ao projeto original (parecer número 6.752.277, CAAE 56690616.1.0000.0065, Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, SP, Brasil).
Participaram 32 cantoras líricas sopranos, falantes nativas do português brasileiro, de diferentes coros profissionais da cidade de São Paulo, da Fundação OSESP, da Fundação Theatro Municipal e do Núcleo de Ópera da Escola de Música do Estado de São Paulo - EMESP. Como critério de inclusão, todas as sopranos deveriam apresentar valores dentro da normalidade nas medidas acústicas de perturbação e ruído selecionadas, extraídas da amostra de fala habitual: jitter local (%) >1,040, jitter rap (%) 0,680, shimmer local (%) >3,810, shimmer local (dB) >0,350 e a medida de harmonicidade (HNR) >20 dB26.
A caracterização da amostra consistiu em cantoras sopranos de 20 a 45 anos de idade (média=27,2 anos), sem queixa vocal referida, com tempo médio de atuação profissional de 7,2 anos, e formação no canto clássico concluída27,28.
Foram analisadas amostras da vogal sustentada /a/, correspondentes a três repetições de cada tarefa, na fala habitual e em emissão cantada no tom grave, C3 (Dó Central) pitch grave 261 Hz, da mesma forma que Weiss et al. (2001) (29). A análise foi realizada por meio do software Praat, versão 6.1.34, em um sistema operacional Windows 10 de 64 bits. Para a extração dos formantes foram considerados, tanto na emissão da vogal falada quanto cantada, os primeiros cinco segundos de emissão produzida de forma estável, da mesma forma que Weiss et al. (2001)29 e Sundberg (2009)30.
Os procedimentos foram realizados de acordo com o roteiro a seguir.
Na extração das medidas foram considerados os seguintes parâmetros acústicos: 1) Na emissão falada em tom habitual foram obtidas as extrações de medidas de f0, F1, F2, F3, F4 e F5 da vogal /a/; 2) Na emissão cantada da vogal foram analisadas as extrações de f0, F1, F2, F3, F4 e F5, no tom C3 (Dó Central), pitch grave, 261 Hz. Para esse procedimento, todas as amostras foram segmentadas e foi selecionada a emissão estável na prancha espectrográfica e a identificação de marcação de pulso na onda sonora18,22,26; na extração dos valores de f0 foi considerada a abertura da janela espectrográfica para identificação do pitch no intervalo de 75 a 500 Hz e da escala para formantes F1, F2, F3, F4 e F5. O parâmetro “Maximum Formant” do Praat foi ajustado para 5500 Hz, adequado para vozes femininas; para extração dos formantes F1, F2, F3 e F4 foi utilizada a janela em banda larga, considerando os valores padronizados pelo software Praat. A obtenção dos valores de F5 foi realizada a partir da seleção do pulso da onda sonora17,18,22,26.
Após a segmentação e a checagem das ondas sonoras, os dados extraídos foram organizados em planilhas do Excel e a análise estatística descritiva realizada no software Jamovi (versão 2.3.28).
Para a extração do espectro harmônico via FFT, foi realizada a seguinte sequência de ações: reamostrar o arquivo de áudio em formato WAV; na janela de objetos, no menu “Convert”, ajustar a taxa de amostragem para 10000 Hz, com precisão de amostragem igual a 50; em seguida, em “View & Edit”, analisar o espectrograma do arquivo WAV para confirmar se a janela estava em banda estreita; após a inspeção dos ciclos da onda sonora, selecionar o pulso da onda marcado pelo software e visualizar a janela espectral; após a abertura dessa janela, selecionar até aproximadamente 5000 Hz, preservando a faixa de frequência da fala; posteriormente, verificar toda a atividade realizada na janela de objetos do Praat. O arquivo do espectro “spectrum”, com a marcação temporal analisada, fica então disponível para as etapas seguintes de sobreposição e geração de imagem; para a geração de imagem foi mantida aberta a janela “Pictures” do Praat, com a margem na coloração rosa previamente estabelecida. Em seguida, foi realizado novo acesso à janela de objetos, no arquivo de “spectrum” previamente analisado, e comando “Draw”, mantendo as definições do software para plotagem da ilustração, janela de desenho destinada aos gráficos gerados pelo Praat.
A seguir, iniciou-se a obtenção das curvas LPC e, para tanto, foram necessárias as seguintes ações: converter o arquivo com a taxa de amostragem, conforme realizado no gráfico FFT, visando garantir a nitidez do traçado e definição dos cinco primeiros formantes; a seleção do arquivo pretendido, na janela de objetos do Praat; o menu “Convert” habilita novas funções de análise, e a seleção de “LPC smoothing” abrirá uma nova janela em que deve-se inserir o número de picos desejados para análise. No caso do presente estudo, foram considerados cinco picos formânticos; para isso, deve-se manter a definição indicada pelo programa “Pre-emphasis 50.0 Hz”. Para gerar a ilustração, deve-se utilizar o comando “Draw”, obedecendo às indicações do software. Vale salientar que é possível estabelecer o dimensionamento na janela de desenho, caso seja necessário aumentar ou diminuir o gráfico, por meio da seleção do retângulo de margem rosa, conforme descrito em estudos anteriores18,22,26. Os gráficos podem ser salvos individualmente ou sobrepostos, como proposto neste estudo, para que sejam visualizados, conjuntamente, o comportamento harmônico, a curva de formantes e suas possíveis correspondências fonte-filtro.
Após isso, foram extraídos manualmente os diagramas do trato vocal, comparativos aos achados a partir da vogal falada e cantada no tom pesquisado. Os diagramas na vogal sustentada falada e cantada foram sobrepostos por tarefa, em tela sinalizada; no eixo x, com a medida média do trato vocal pré-definida de 17 cm, foi realizada a alteração para 20 cm de comprimento; no eixo y, a possibilidade de observação da altura e ponto de referência para dilatação ou constrição do tubo foi estabelecida entre 10 cm e -10 cm. A escala foi definida para auxiliar na visualização na janela “Picture” a partir do menu “Margins”, comando “Axes”, definido como “left 1.0” e “right 20.0” para o eixo x de comprimento; para visualização y, altura e ponto de referência, foi estabelecido “bottom” -10 e ”top” 10.
Com o arquivo selecionado, foi realizada a reamostragem no menu “Convert” na janela de objetos para formulação do diagrama do trato vocal; no comando “Analyse spectrum” deve-se escolher a opção “To LPC (autocorrelation)”, mantendo os valores estabelecidos; após a formulação, seleciona-se na seção “Extract” o comando “To Vocal Tract (slice)”, e um novo arquivo é criado com a nomeação “Vocal Tract”. Para realizar a ilustração na seção “Draw” deve-se selecionar o comando “Draw segments”. O diagrama do trato vocal aparecerá então na janela de desenho.
Para sobreposição dos diagramas do trato vocal, considerou-se o conjunto das ilustrações e comandos previamente estabelecidos nos passos anteriores. Na janela de objetos, o conjunto de dados foi salvo como “Praat Collection” no menu “Save” opção “save as a text file” de cada participante da pesquisa para facilitar a abertura e seleção dos arquivos nomeados “Vocal Tract” e realizar a plotagem gráfica para janela de desenho do Praat, com os mesmos comandos indicados na seção “Draw”, “Draw segments”. As sobreposições foram organizadas por tarefa (emissão da vogal falada e cantada), a fim de facilitar a visualização de possíveis convergências no diagrama do trato vocal, tal como variabilidade de tubo das participantes.
A análise dos dados considerou a descrição dos valores encontrados de f0, F1, F2, F3, F4 e F5; a sobreposição das curvas de pico de formantes LPC (preto) e FFT (cinza) na emissão falada e cantada da vogal; e as sobreposições dos diagramas do trato vocal de todas as participantes, seguindo o mesmo protocolo.
RESULTADOS
Em relação às medidas de tendência central das mensurações de f0 e formantes (Tabela 1), observaram-se valores de F1 maiores que os de f0 na média das emissões no tom grave. A análise da vogal sustentada /a/ falada revelou uma f0 média de 218 Hz, dentro da faixa esperada para vozes femininas saudáveis. Os formantes apresentaram valores médios condizentes com a produção da vogal /a/. O F1 (871 Hz) indicou abertura de boca esperada, F2 (1525 Hz) refletiu o posicionamento da língua para as características da vogal, e os valores de F3 a F5 (3193 Hz, 4212 Hz, 4337 Hz) não apresentaram desvios importantes.
As medidas de perturbação demonstraram estabilidade, com médias de jitter (0,00169%) e shimmer (0,0213 dB) dentro dos limites estabelecidos pelo Praat (<1% e <0,35 dB, respectivamente), além da média de HNR (25,0 dB) que confirmou uma relação harmônico-ruído equilibrada (valor de referência do programa >20 dB).
Na emissão cantada da vogal, em tom grave (Dó central, 261 Hz), a f0 média foi 259 Hz, valor próximo ao alvo, com variação mínima, com desvio padrão de 3,73 Hz e amplitude restrita (245 a 266 Hz) (Tabela 2). Os formantes mantiveram consistência para as características de produção da vogal /a/, F1 (863 Hz) aproximou-se do valor observado na vogal sustentada (871 Hz), enquanto F2 (1633 Hz) apresentou leve elevação em comparação à fala habitual (1525 Hz), possivelmente refletindo um ajuste de ressonância para otimizar a projeção no registro grave. Os formantes superiores (F3 a F5) permaneceram estáveis, com variação inferior a 50 Hz em relação à fala habitual.
Na comparação dos dados das tabelas 1 e 2, destaca-se maior estabilidade da f0 da emissão cantada e menor variabilidade do desvio padrão da f0 e a elevação de F2 (frequência do segundo formante) como uma estratégia de ressonância na emissão do tom grave.
Na sobreposição da curva LPC ao diagrama espectral FFT, observou-se, na emissão falada, distribuição dos harmônicos e queda espectral na curva de formantes. Na emissão da vogal cantada em tom grave, observou-se a aproximação dos dois primeiros formantes, F1 e F2, um aumento a partir de F2 e na região de F3, F4 e F5, ainda que se assemelhe ao fenômeno do formante do cantor, não ocorre a junção dos formantes, mas sim a aproximação e aglomeração de harmônicos para projeção nesse tom, como exemplificado na sobreposição mostrada abaixo nas Figuras 1 e 2.
A sobreposição dos diagramas do trato vocal nas emissões da fala habitual permitiu a observação, pela saturação das cores mais escuras, uma recorrente convergência das emissões das participantes na região da glote, área que, por predefinição algorítmica, está mais demarcada. Por conseguinte, também se destacaram as regiões faríngea e dorsal da língua. Contudo, na análise global do eixo y, observou-se maior variação de amplitude na ponta da língua e nos lábios, relacionada à abertura da boca e à perceptível variabilidade do comportamento do trato vocal entre as falantes.
A sobreposição dos diagramas do trato vocal das emissões da vogal cantada no tom grave permitiu observar, pelas marcações mais escuras, uma recorrente convergência entre as participantes na região da glote. Além disso, é possível observar, no eixo y, maior amplitude e dilatação a partir da região do véu, dorso da língua, da ponta da língua e da variabilidade na abertura dos lábios.
DISCUSSÃO
Este estudo visou investigar as diferenças apresentadas nas tarefas de emissão da vogal /a/ na fala habitual e na voz cantada em tom grave, em cantoras sopranos. A complexidade do canto em sopranos justifica investigações que visem contribuir com a literatura e oferecer novas perspectivas sobre as características acústicas vocais para o processo de avaliação e de acompanhamento fonoaudiológico, assim como para a pedagogia vocal.
A habilidade técnica dos cantores é reconhecida pela maneira como executam, de forma saudável, a estética vocal escolhida para a performance vocal.
O canto lírico se destaca por ajustes específicos de alta performance e, entre seus principais desafios, está a necessidade de superar a orquestra sem amplificação. A produção das vogais constitui uma base essencial no ensino técnico-pedagógico da voz cantada. Compreender os diferentes ajustes e as variações tonais, assim como as diferenciações vocálicas e as recorrências acústicas durante o canto de sopranos, é fundamental para a formação vocal13,30,31.
A análise da sobreposição de FFT e LPC evidenciou distribuição harmônica e declínio espectral na curva de formantes típica para a vogal oral estudada, além da variabilidade esperada das emissões entre falantes do português brasileiro18,32. Essa variabilidade observada na vogal /a/ sustentada na fala habitual também se refletiram na sobreposição dos diagramas do trato vocal, com convergência para a região da glote, bem como para a faringe e o dorso da língua, e variações na abertura e no estreitamento dos lábios no eixo anteroposterior. Tal convergência condiz com as descrições acústico-articulatórias da literatura18,32.
Na emissão da vogal /a/ cantada em tom grave, os valores de todos os formantes foram discretamente mais elevados do que na vogal sustentada em fala habitual, principalmente o F2, correlato acústico-articulatório relacionado à possível elevação do dorso da língua e elevação em direção ao tom alvo da frequência fundamental. Esses achados estão de acordo com os encontrados na literatura para esse tom30,33,34. Adicionalmente, observou-se, na associação entre FFT e LPC, o agrupamento dos formantes acompanhado por variações na distribuição dos harmônicos. Embora seja possível observar alguma semelhança com o efeito do “formante do cantor” descrito em tenores15, o fenômeno observado em sopranos é distinto e caracteriza-se pela aproximação de parciais harmônicos e ausência do “formante do cantor” conforme apontado em outros estudos29,30. Sugere-se, desta forma, outra possibilidade de projeção e de variabilidade de emissão, que pode estar associada a estratégias técnicas na tentativa de manter a laringe baixa e ampliar o trato vocal. Tais estratégias são frequentemente utilizadas por cantores para evitar que a frequência fundamental ou o primeiro harmônico (H1) sejam maiores que o primeiro formante para garantir projeção vocal nessa região35.
No diagrama do trato vocal na região grave foi possível observar a expansão da região faríngea do tubo laríngeo, relacionando-se à interpretação acústica por meio de LPC e FFT no agrupamento dos formantes superiores (F3, F4 e F5). Além disso, foi possível identificar expansão nas regiões do véu palatino e do dorso da língua, associada ao controle da altura da língua (F3), bem como variações na abertura labial (F1). Tais observações condizem com os achados de outros autores que utilizaram exames de imagem16,30. Os achados acústicos deste estudo corroboram a alternância do ajuste de f0 da região de fala habitual para a emissão da vogal cantada em tom grave com a aproximação de F1 e F236. Além de ampliar a análise do comportamento dos outros formantes, a associação de FFT, LPC e diagrama do trato vocal, estabeleceu distinção entre as tarefas de vogal sustentada falada e cantada em tom grave, com boa possibilidade de instrumentalizar o fonoaudiólogo que atua com voz cantada, que se beneficiaria de instrumentos que permitem análises mais específicas, complementares às existentes.
A continuidade deste estudo prevê a investigação de outros tons no canto de sopranos e a análise do comportamento do diagrama do trato vocal em outras estéticas de canto a fim de validá-lo como um instrumento factível na prática fonoaudiológica na área de voz e na pedagogia do canto.
CONCLUSÃO
As análises de FFT, LPC e do DVT indicaram distinções entre as tarefas de vogal sustentada falada e cantada em tom grave, realizadas por cantoras sopranos, com correlatos acústicos entre os instrumentos. O aumento do segundo formante no tom grave em comparação com a tarefa em voz falada, possivelmente ocasionado pelas modificações do trato vocal, foi confirmado pelo DVT.
A sobreposição do DVT, associada às análises por FFT e LPC, mostrou-se uma ferramenta útil e acessível para a clínica fonoaudiológica e deve ser investigada em diferentes amostras de cantores.
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Pesquisa desenvolvida na Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil.
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Fonte de financiamento
Nada a declarar
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Declaração de compartilhamento de dados
Os dados não estão disponíveis.
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Declaração de uso de ferramentas de Inteligência Artificial
Durante a preparação deste estudo, os autores não utilizaram ferramentas de inteligência artificial.
Os dados não estão disponíveis.
Legenda: FFT=Fast Fourier Transform; LPC=Linear Predictive Coding
Legenda: FFT=Fast Fourier Transform; LPC=Linear Predictive Coding
