ПриклАкустика-1_1

Легені з бронхами виконують роль акумулятора енергії. Об'єм повітря, що видихається, в середньому складає 4 л.

Виштовхуване повітря проходить по трахеї в порожнину глотки. Зверху трахею закінчує хрящове утворення – гортань. Гортань – це дві складки зі зв'язкової і м'язової тканини (голосові зв'язки), які утворюють, так звану, голосову щілину.

У глотці розрізняють: верхню частину – носоглотку, середню – ротову і нижню – загортанну.

На формування звуків істотний вплив роблять артикулярні органи: язик, щелепи, губи, піднебінна занавіска.

Основний мовний тракт (легені – губи) має середню довжину приблизно 17 см. у площині губ поперечний перетин тракту може мінятися від 0 до 20 см2.

Допоміжний тракт утворюється носоглоткою і назальними порожнинами (піднебінна занавіска – ніздрі) і має довжину близько 12 см, об'єм приблизно 60 см3.

Акустичний зв'язок між ротовою і назальними порожнинами

визначається розмірами площі проходу біля піднебінної завіски, від 0 до 5 см2.

ЛЕКЦІЯ 8 1.2.2. Фонація

Формування значної частини звуків відбувається за участю голосу. Фонація (голосоутворення) пов'язана з роботою голосових зв'язок, коливання яких змінюють площу голосової щілини і викликають модуляцію потоку повітря, що видихається.

Звуки, утворення яких пов'язане з фонацією, називають

вокалізованними.

Міоеластична теорія роботи голосових зв'язок. М'язовим зусиллям голосові зв'язки зімкнуті. Виштовхуване легенями повітря накопичується в підзв'язковому просторі. Підвищений тиск повітря призводить до розмикання зв'язок. Повітря проривається в щілину, що утворилася. У найвужчій частині щілини швидкість його максимальна. Згідно ефекту Бернуллі, тиск в цій області знижується, і вищий навколишній тиск примушує зв'язки стулитися.

Існує і інша теорія – нейромоторна теорія фонації. По цій теорії коливання голосових зв'язок відбуваються під дією імпульсів біострумів, частота проходження яких дорівнює частоті коливань голосових зв'язок. Ці імпульси поступають до м'язів гортані з центральної нервової системи.

Ширшого поширення набуло міоеластичне трактування.

51

Проміжок часу T0 , необхідний для повного циклу коливань

голосових зв'язок, називається періодом коливань. Він залежить від маси м'язової тканини і довжини волокон голосових зв'язок і визначає,

так звану, основну частоту голосу:

f0 1 , T0

яка обумовлює висоту голосу.

Підвищення гучності одночасно приводить до підвищення висоти (тривалість імпульсу коротшає при збільшенні амплітуди).

,	ñì	3
400		ñ
200
	T0
,	ñì	3
600		ñ
400
200
	T1	8	16	24	t, c
			Рис. 1.43

Об'ємна швидкість повітря над голосовою щілиною проілюстрована на рис. 1.43.

В процесі мови основна частота голосу постійно змінюється. Це або систематичні зміни, пов'язані з інтонацією, або ненавмисні коливання.

Форма кривої потоку повітря в голосовій щілині визначає спектр голосового джерела. Його огинаюча в першому наближенні

описується функцією 1/ f 2 . Спектр має гармонійний характер – всі спектральні складові є гармоніки частоти f0 (ця частота визначає

спектральний крок).

52

S(f)

1 f 2 /

f0

2f0

3f0 4f0

f

53

Рис. 1.44

1.2.3. Неголосові джерела мовних звуків

Більшість звуків мови – вокалізовані. Проте, існує ряд звуків, в утворенні яких голосове джерело не бере участь.

Для таких звуків існують два джерела акустичного збудження. Шумове джерело. Джерелом звуку є шум, що виникає в

результаті турбулентності потоку повітря в місці звуження мовного тракту, створеного артикуляційними органами.

Інтенсивності шумових звуків набагато нижче голосових. Це звуки: "х", "с", "ш" або з додаванням голосового джерела дзвінкі: "з", "ж".

Спектр шумового звуку є суцільним.

На відміну від голосового, шумове джерело не має постійного місця розташування: "х" – над гортанню, "ш" – в середній частині і "с"

– у вихідній частині мовного тракту.

Звуки називаються щілинними або фрикативними.

Імпульсне (або нестаціонарне) джерело. Звук утворюється в результаті стрибка тиску при різкому стуленні або розмиканні артикуляційних органів. Також не має постійного місця розташування. Наприклад, звук "п" – губний, "к" – піднебінний (за участю голосу звук "б") і т.д. Інтенсивність звуку невелика. Суцільний спектр має

огинаючу приблизно описувану функцією 1/ f .

Звуки називаються вибуховими або аспіраторними. Формування багатьох звуків мови обумовлене одночасною дією декількох джерел,окрема шумового і імпульсного: дж, дз, ч(т-т), ц(т-с). Такі звуки називаються африкатами (аспіраторно-фрикативні).

54

1.2.4. Акустична модель мовного тракту

Мовний тракт є джерело звуку (у вигляді поршня) і система труб і порожнин різного перетину, навантажена на зовнішнє середовище.

		11
6	8
		9
5
	4	7
	1

13

12

10

2

3

Рис. 1.45

1– резервуар;

2– поршень;

3– сила;

4– трубка (трахея);

5– язичок (гортань);

6– глоткова порожнина;

7– прохід над задньою частиною язика;

8– прохід в назальну порожнину;

9– піднебінна занавіска;

10– ротова порожнина;

11– назальна порожнина;

12– ротовий отвір;

55

13 – ніздревий отвір.

Мовний тракт – досить складна передаточна акустична система, акустичні властивості якої можна виразити за допомогою

o

передаточної функції K ( ) .

1.2.5. Механізм утворення голосних звуків

Результуючий спектр після проходження сигналу через мовний

тракт представляється добутком:

P( ) S() K() ,

де S() - спектр джерела; K () - передаточна функція тракту.

Імпульси голосових зв'язок

g(t)

t

Рис. 1.46

Спектр джерела S()

S(ω)

ω

Рис. 1.47

56

Передаточна функція тракту K ()

K(ω)

ω

Рис. 1.48

Спектр голосної «а» P()

P(ω)

ω

Рис. 1.49

Області спектральних максимумів називаються формантами даного звуку.

Частоти максимумів називаються формантними частотами. Формантні частоти співпадають з резонансними частотами

передаточної функції мовного тракту.

На формування спектрів звуків мови впливає також частотна залежність опору випромінювання ротового отвору R() :

P( ) S() K() R() .

57

Електрична модель системи утворення голосних звуків

~

K(ω)

Zâèï

Рис. 1.50

1.2.6. Фізичні особливості голосних звуків

Основні ознаки визначаються функцією K () , яка залежить

від конфігурації мовного тракту і визначає положення і ширину формантних максимумів.

Основні ознаки:

1)сукупність формантних частот, звана F-картиною даного звуку;

2)відносна ширина формантних максимумів;

3)відносна частотна відстань між формантами.

F – картина російських голосних

		формантні частоти, Гц
голосні	f1	f2	f3	f4
у	300	625	2500	3320
о	535	780	2500	3220
а	700	1080	2600	3420
э	440	1800	2550	3500
и	240	2250	3200	3700
ы	300	1480	2230	3420

Для більшості голосних впізнаваємість визначається першими двома формантними частотами, а третя і четверта дають інформацію про індивідуальні особливості голосу.

58

Голосні звуки характеризуються великою інтенсивністю і тривалістю звучання (0,1-0,3с) дискретним спектром і формантною структурою огинаючої.

Окрім чистих голосних, в багатьох мовах використовуються складні голосні, в яких відбувається плавний перехід від одного типу артикуляції до іншого.

Якщо в цьому беруть участь дві голосні, звук називається дифтонгом, наприклад: "я" [йа], "ю" [йу]. Існують поєднання, де використовуються три звуки (трифтонги).

Спектри приголосних звуків значно складніші. Окрім максимумів вони можуть мати нульові значення. Сукупність нульових частот в спектрах називається Z – картиною спектральних нулів. Приголосні звуки набагато менш інтенсивні і протяжні. Спектр суцільний або змішаний (у дзвінких голосних).

В швидкій мові відбувається, так званий процес коартикуляції. Коли ми вимовляємо 14-18 звуків в секунду, відбувається перешарування артикуляційних фаз (підготовчої, стаціонарної і перебудови до наступного звуку) між сусідніми звуками. Цей процес впливу сусідніх звуків один на одного називається коартикуляцією і істотно впливає на акустичні характеристики мови і процеси її розпізнавання.

ЛЕКЦІЯ 9 1.2.7. Особливості співочого голосу

Процес співу з позицій акустики представляється як вокальне мовлення, особливості якого полягають в наступному:

-специфіка організації дихання;

-використання різних регістрів;

-специфічна структура формант;

-наявність частотної і амплітудної модуляції (вібрато і тремоло) та ін.

Для вокальної мови рівні звукового сигналу значно вищі, ніж для звичайної мови і можуть досягати 115 дБ. В старому італійському посібнику з підготовки співаків було написано, що якщо співак може співати з рівнем 110 дБ і вище, то йому місце в "Ла Скала", якщо нижче 100 дБ, то в камерному ансамблі, якщо нижче 90 дБ, то не слід співати взагалі.

Проте, одного збільшення гучності не достатньо для того, щоб голос був чутний на тлі оркестру. Тому, в процесі багаторічного вдосконалення оперного співу були відпрацьовані особливі прийоми перебудови спектральних характеристик голосу, зокрема, створення

59

так званої співочої форманти.

У співочому голосі друга форманта зміщена вниз по частоті, ближче до першої. А треті, четверті і п'яті форманти зміщені у бік їх сумісного зближення; у випадку голосних звуків вони виразно утворюють один формантний максимум, який носить назву високої співочої форманти. Співоча форманта має максимум в діапазоні 2-3 кГц.

L, дБ спів

мова

1000

2000

3000

f, Гц

Рис. 1.51

Максимум співочої форманти залежно від типу голосу: бас і баритон – 2,1-2,5 кГц; тенор – 2,5-2,8 кГц; сопрано – 3-3,5 кГц.

Для одного і того ж співака ця форманта не зміщується по частоті, вона займає одне і теж положення при співі нот різної висоти і різних голосних.

Якщо співочу форманту вирізати із запису, то звук звучить тьмяно, глухо, невиразно.

Звучання тільки співочої форманти сприймається як мелодійний звук типу солов'їної трелі, тобто від неї залежить дзвінкість співочого голосу.

Цікаво, що у старовинних скрипок (Страдіварі, Аматі, Гварнері), що відрізняються особливою дзвінкістю звуку, в діапазоні частот 2,5-3 кГц знаходиться область виражених резонансних максимумів.

Вводиться спеціальна кількісна міра – коефіцієнт дзвінкості голосу:

k IÂCÔ / I ,

де IÂCÔ - інтенсивність спектру у області високої співочої форманти; I - загальна інтенсивність голосу.

60