Биофизические механизмы работы речевого аппарата

Формирование речевых сигналов, с помощью которых передается информация, осуществляется с помощью физических процессов, протекающих в системе дыхания. Звуковая информация передается посредством механических волн, физические свойства которые модулируются аппаратом речи.

Акустический сигнал возникает в результате координированных движений, и взаимодействия легких, трахеи, голосовых связок, глотки, ротовой и носовой полости. Важное значение для формирования осмысленной речи имеет небная

Рис. 54 занавеска (мягкое небо), язык, зубы и губы.

Анализ принципов возникновения механических колебаний в воздушной среде удобно рассмотреть на физической модели аппарата речи (см. рис. 54), отдельные элементы которой представляют анатомические структуры. На рисунке обозначено: 1 - цилиндр с поршнем (моделирует легкие), 2 - трахея, 3 - голосовые связки, 4 - гортань, 5- глотка, 6 - ротовая, 7 - носовая полости.

Сила F, которая действует на воздух в полостях этой системы, зависит от выдоха из легких. Принято различать две функции голосового аппарата: фонацию - генерацию звуков или голосообразование и артикуляцию - изменение свойств звуковой волны, определяющих содержание информации. Рассмотрим механизм фонации. В этом процессе основную роль играют легкие и голосовые связки, которые представляют собой две эластичные мембраны S₁, S₂, расположенные на границе между трахеей и гортанью

Рис. 55 (см. рис. 55), в плоскости перпендикулярной оси воздушного тракта. В состав связок входят мышцы, при сокращении которых изменяется эластичность, и площадь отверстия между ними. Когда опускается грудная клетка, поднимается диафрагма и сокращаются дыхательные мышцы, давление в легких и в подвязочном пространстве (в трахее) повышается. В этом случае воздушный поток, выходящий в атмосферу, создает силы, стремящие мембраны и увеличить площадь просвета между ними. В результате воздействия давления воздушного потока и эластичных сил самих мембран, голосовые связки начинают колебаться.

Их колебание передается воздушному потоку и возникающая механическая волна распространяется в атмосфере. Амплитуда вынужденных колебаний связок могут быть описаны выражением:

в этом равенстве обозначено: _ собственная частота колебаний связок,  частота колебаний воздушного давления,  - коэффициент затухания колебаний, f_o = F/ m - амплитудное значение вынуждающей силы F на единицу массы m связок. Масссу m можно выразить как произведение плотности ткани  на объем: m =  V. Считая в первом приближении, что каждая связка имеет форму плоской пластины, ее массу можно представить: m = L l d, где произведение длины L на ширину l является площадью поверхности S, d - толщина связок.

Тогда величина fo = F/m = F/(  S d). В первом приближении можно считать, что отношение F/S = P представляет давление воздуха со стороны легких на плоскость поперечного сечения пластин и тогда fo = P/(d). Отсюда следует вывод, что амплитуда колебаний связок и соответственно амплитуда механической волны прямо пропорциональны давлению воздуха в трахее.

Поэтому интенсивность звуковой волны и громкость звуков речи зависят от давления воздуха в легких и свойств самих связок (толщины, плотности). При прочих равных условиях громкость звуков будет наибольшей на частотах , близких к собственной частоте колебаний голосовых связок.

Как было показано выше, собственная частота колебаний упругой системы выражается через ее жесткость и массу _ = k/m или _ = k/(S). Из последнего соотношения следует, что собственная частота колебаний связок обратно пропорциональна площади сечения S и следовательно длине l связок. У мужчин длина связок составляет величину порядка 24-30 мм, у женщин - 18-22 мм. Поэтому основная частота тембра мужского голоса лежит в области частот 80 - 150 Гц, для женского голоса в области 120 - 400 Гц. Основная частота определяет индивидуальные свойства каждого голоса и позволяет их разделить в порядке возрастания частоты на бас, баритон, тенор и т.д. Частота колебаний зависит также и от жесткости колеблющихся связок. Эта величина непостоянна в различных участках мембран и кроме того, она изменяется при напряжении и расслаблении мышц. Поэтому в звуках речи содержится богатый набор дополнительных частот (гармонических составляющих) определяющих окраску голоса - его тембр. С точки зрения вышеприведенной классификации звуки речи относятся к шумам, поскольку содержат практически все спектральные составляющие в некотором диапазоне частот. Гласные, а также звонкие согласные имеют сравнительно узкий спектр и для их произнесения требуются колебания связок. Возбуждение шумовых звуков (фрикативных - ф, с, ш и др.) обеспечивается колебаниями воздушной струи, проходящей через суженный канал голосовых связок или другие отделы речевого тракта. К примеру, звук "ш" генерируется при прохождении воздуха в канале, образованном языком и верхним твердым небом. В этих звуках содержится очень широкий спектр гармонических составляющих.