The German boundary tones: categorical Perception, perceptual magnets, and the perceptual reference space

Abstract

This thesis experimentally analyzes the perception of prosodic categories in German, using the two German boundary tones L% and H% postulated by German phonology. These two boundary tone categories were selected because they constitute the least disputed tonal contrast. In many languages, in German as well, the contrast between the low (L%) and the high (H%) boundary tone corresponds to a contrast in sentence mode. The low boundary tone is interpreted as a statement and the high boundary tone as a question. For all experiments presented in this thesis it is hypothesized that the different perception of L% and H% as statement versus question, respectively, can be attributed to a contrast between two prosodic categories, i.e. to Categorical Perception. The basis for this hypothesis is the observation that the sentence mode of a syntactically ambiguous utterance can only be determined by the height of its boundary tone.

Assuming the existence of the two proposed boundary tone categories two experimental designs that can be used to confirm categories, perceptual differences inside a category or perceptual differences between categories are presented. These two designs are the test for the Categorical Perception (CP) and the test for the Perceptual Magnet Effect (PME). Originally, both designs were developed to examine perceptual differences in the segmental domain, especially for the evaluation of phoneme categories. Categorical Perception is confirmed when the boundary between these two categories corresponds to the point at which the discrimination performance between two adjacent stimuli is best. If for two speech events the Categorical Perception test is successful then these two events will be confirmed as being categories of the respective language. A Perceptual Magnet Effect includes a warping of the perceptual space towards a prototype of the respective category. Such a warping does not occur towards a non-prototype of the same category. The result of the warping is a significantly lower discrimination performance around the prototype, i.e. the prototype is not or only hard to discriminate from a adjacent stimulus. Such a warping is not found around a non-prototype, although the acoustic difference between a stimulus and the non-prototype is comparable to the acoustic difference between a stimulus and the prototype.

For the analyses and the interpretation of the experimental results the Signal Detection Theory (SDT) and the Exemplar Theory are used. Signal Detection Theory postulates that despite similar auditory abilities subjects may differ in their perceptual results because of their individual response criterion. Exemplar Theory proposes that listeners store their perceived instances of speech events in exemplar clouds located in their perceptual space, and that these instances are stored with much phonetic detail. During speech production, the speaker uses these clouds of similar exemplars to produce an instance of a speech event. Thus, speech perception and production are inseparably connected. The more exemplars are stored the more stable a speech category will get. Only stable categories can develop a category center and a Perceptual Magnet Effect.

In various studies reaction times were found to be a reliable indicator for the simplicity of a perceptual decision. Thus, in the experiment presented in this thesis reaction times were measured for each individual decision. The results support the already known correlation, i.e. the more simple a perceptual decision is the lower the reaction time will be.

To summarize, the results discussed in this thesis support the existence of prosodic categories in general, and especially those of the high and the low boundary tone in German. These two prosodic categories are used to differentiate between the sentence modes statement versus question, but only in case of syntactically ambiguous phrases. Furthermore, the results support the use on Exemplar Theory for speech data. The category of the low boundary tone seems to contain much more exemplars than the category of the high boundary tone as the latter category is less often produced and thus less often perceived than the first one. This results in a clear Perceptual Magnet Effect for the L% category as there enough exemplar are stored to support the development of a category center, and only in the center of a category the PME can occur. For most listeners the H% category contains only a few exemplars which in turn inhibits the development of a Perceptual Magnet Effect there. The logged reaction times support the perceptual findings and reveal the hypothesis that reaction times correlate with the simplicity of a perceptual decision.

Diese Arbeit untersucht experimentell die Wahrnehmung von prosodischen Kategorien im Deutschen, und zwar am Beispiel der in der deutschen Phonologie postulierten Grenztöne L% und H%. Diese Grenztonkategorien wurden ausgewählt, weil die Unterscheidung zwischen ihnen als der unumstrittenste tonale Kontrast gilt, der in vielen Sprachen, auch im Deutschen, einem Wahrnehmungskonstrast im Bereich des Satzmodus, und zwar dem zwischen Aussage und Frage entspricht. Die Basis der in dieser Arbeit dargestellten Experimente ist die Annahme, dass die unterschiedliche Wahrnehmung von L% und H% als Aussage bzw. Frage auf die Existenz zweier prosodischer Kategorien zurückzuführen ist, denn bei einer syntaktisch ambigen Äußerung erfolgt die Identifikation des Satzmodus über die Höhe des Phrasenendtones.

Unter Annahme der Existenz dieser beiden prosodischen Kategorien werden in dieser Arbeit zwei experimentelle Designs zum Nachweis von Kategorien bzw. zum Nachweis von Wahrnehmungsunterschieden in und zwischen Kategorien dargestellt und angewandt: der Test auf Kategoriale Wahrnehmung (CP) und der Nachweis eines Perzeptuellen Magneteffekts (PME). Beide Designs wurden ursprüglich für die Untersuchung von Wahrnehmungskontrasten im segmentellen Bereich, d.h. speziell zur Validierung von Phonemkategorien, benutzt. Von Kategorialer Wahrnehmung spricht man dann, wenn die Grenze zwischen 2~Kategorien mit der besten Unterscheidungsleistung zweier Stimuli im Stimulus-Kontinuum korreliert. Kann die Kategoriale Wahrnehmung zweier sprachlicher Ereignisse nachgewiesen werden, dann ist damit auch gleichzeitig die Existenz dieser Ereignisse als Kategorien der jeweiligen Sprache bewiesen. Beim Perzeptuellen Magneteffekt besteht eine Wahrnehmungsverzerrung die ausschließlich um den Prototypen der jeweiligen Kategorie herum auftritt. Diese Wahrnehmungsverzerrung äußert sich in einer deutlich geringeren Unterscheidungsleistung, d.h. der Prototyp lässt sich nur sehr schwer oder gar nicht von seinen ihn umgebenden Stimuli diskriminieren. Um einen Nicht-Prototypen ist eine derart schwache Diskriminationsleistung nicht zu beobachten, trotz akustisch vergleichbarer Abstände der umgebenden Stimuli zum Prototypen bzw. zum Nicht-Prototypen.

In die Analyse und die Interpretation der experimentellen Ergebnisse werden die Annahmen der Signal Detection Theorie (SDT) und der Exemplartheorie mit einbezogen. Die Signal Detection Theorie postuliert, dass Probanden trotz gleicher auditiver Fähigkeiten einen individuellen Response-Bias haben, der dazu führen kann, dass sich die Perzeptionsergebnissen der Probanden deutlich voneinander unterscheiden. Die Exemplartheorie postuliert, dass Sprachbenutzer ihre Wahrnehmungen mit allen Details in Exemplarwolken im perzeptuellen Raum speichern. Bei der Sprachproduktion wird dann auf diese Wolken von ähnlichen Exemplaren wieder zurückgegriffen, d.h. Sprachproduktion und Sprachperzeption sind untrennbar miteinander verbunden. Je mehr Exemplare gespeichert sind, desto stabiler ist eine sprachliche Kategorie. Erst dann kann sie ein Kategoriezentrum und möglicher Weise einen Perzeptuellen Magneteffekt entwickeln. Da sich in verschiedenen Studien Reaktionszeiten als guter Indikator für die Einfachheit einer perzeptuellen Entscheidung erwiesen, wurden die Reaktionszeiten auch in den hier vorgestellten Experimenten für jede individuelle Entscheidung gemessen. Die Ergebnisse bestätigen den bereits beobachteten Zusammenhang, d.h. je einfacher eine perzeptuelle Entscheidung ist, desto schneller wird sie getroffen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse der in dieser Arbeit diskutierten Experimente allgemein die Existenz prosodischer Kategorien unterstützen und die der Grenztonkategorien L% und H% im Deutschen nachweisen. Diese beiden Grenztonkategorien dienen der Unterscheidung der Satzmodi Aussage und Frage, auch wenn diese Unterscheidung über die Prosodie nur dann gemacht wird, wenn keine syntaktischen Hinweise in Bezug auf den Satzmodus vorhanden sind. Weiterhin unterstützen alle Ergebnisse die Ideen der Exemplartheorie. In der Kategorie des tiefen Grenztones müssten deutlich mehr Exemplare vorhanden sein als in der Kategorie des hohen Grenztones, weil die zweite Kategorie seltener produziert und damit auch seltener wahrgenommen wird. Dies hat zur Folge, dass sich ein klarer Perzeptueller Magnet Effekt für den tiefen Grenzton entwickeln kann, da genügend Exemplare vorhanden sind. Dadurch kann sich ein Kategorie-Zentrum herausbilden, und nur dort kann ein PME entstehen. In der hohen Grenztonkategorie hingegen sind bei vielen Hörern nur wenige Exemplare gespeichert, was die Entstehung eines Perzeptuellen Magnet Effekts behindert. Die untersuchten Reaktionszeiten unterstützen die Perzeptionsergebnisse und bestätigen die Hypothese, dass Reaktionszeiten mit der Einfachheit einer perzeptuellen Entscheidung korrelieren.