Языкознание

Рассматривая роль отдельных  участков речевого тракта в образовании  акустических характеристик, мы убедились  в том, что и дыхательная система, и голосообразование, и собственно артикуляторные процессы определяют как  характер источника звука, так и  систему резонансных полостей, т. е., в конечном счете, по характеру  артикуляции можно предвидеть акустический эффект, а по акустическим свойствам  можно восстановить тот артикуляторный процесс, результатом которого явился данный звук. Это обстоятельство позволяет  исследователям фонетики пользоваться для своих наблюдений такими экспериментальными методиками, которые обеспечивают наилучшее объяснение фонетических явлений. Например, для исследования фонетических характеристик звуков, появляющихся в спонтанной речи, практически невозможно применять методы анализа и записи артикуляций, поскольку все они достаточно сложны и не обеспечивают необходимой естественности речепроизводства. Однако, учитывая тот факт, что акустические характеристики несут в себе много информации об артикуляционных процессах, можно анализировать магнитные записи спонтанной речи, проведенные в наиболее естественных условиях, и по акустическим данным интерпретировать сущность происходящих в речи артикуляторных процессов Акустический анализ звука предполагает, что мы получаем представление о том, какие именно частоты характерны для этого звука и какова их интенсивность по отношению друг к другу. Трудности изучения акустических характеристик речи были долгие годы связаны с тем, что для такого анализа акустические колебания обладают слишком малыми энергиями, так что зафиксировать их и проанализировать без предварительного значительного усиления было практически невозможно. Первые акустические описания звуков речи сделаны на основе слухового анализа их — ясно, что для этого необходим очень тонкий слух и что точные измерения при этом все равно невозможны.

Ситуация существенно  изменилась, когда были созданы приборы, позволяющие преобразовывать акустические колебания в какие-то другие —  электрические, магнитные, оптические — и затем усиливать их.

В настоящее время акустики речи исследуют так называемые вторичные  акустические сигналы, т. е. такие сигналы, которые претерпели известные изменения  в результате преобразования исходных, первичных акустических сигналов при  их записи и воспроизведении электроакустическими устройствами. Предполагается, что  эти изменения не влияют на существенные для восприятия свойства сигналов и  вторичные сигналы как бы полно­стью повторяют свойства первичных (качество звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуры оценивается в зависимости от степени соответствия свойств первичных и вторичных сигналов).

Несколько десятилетий для  записи, анализа и визуального  представления звуков использовались электроакустические приборы, при  помощи которых получено огромное количество сведений об акустике речи. В настоящее  время эти приборы практически  вытеснены из исследовательских  лабораторий вычислительными машинами, которые позволяют проводить  самый совершенный акустический анализ. Современный персональный компьютер, снабженный некоторыми дополнительными  устройствами и специальными программами  анализа, представляет собой, по существу, целую экспериментально-фонетическую лабораторию. Тем не менее понять принципы работы анализирующих звуки  приборов легче на примере старой, аналоговой аппаратуры. Именно поэтому  в настоящем разделе описываются  принципы получения спектрограмм и  осциллограмм при помощи таких приборов — спектрографов и осциллографов. После того как мы познакомимся с  этими принципами, мы сможем по достоинству  оценить возможности компьютера как анализатора речи, и этому  будет уделено специальное внимание.

Получить спектр какого-либо звука — это значит измерить совокупность значений амплитуд всех частотных составляющих. Для получения спектров еще сравнительно недавно использовались специальные  приборы — анализаторы спектров.

Звуковые колебания предварительно преобразуются в электрические, при этом предполагается, что полученный электрический сигнал полностью  отражает свойства первичного звукового  сигнала. Для анализа используются электрические фильтры, которые  играют роль, сопоставимую с ролью  резонаторов при образовании  звуков. Звук речи, преобразованный  в электрические колебания, попадает на систему электрических фильтров, каждый из которых имеет собственные  частотные характеристики, т. е. откликается только на частоту, совпадающую с его собственной частотой. Из всего набора фильтров при подаче на него звука будут «реагировать» только те фильтры, частота которых совпадет с имеющимися в спектре звука частотами, при этом отклик фильтра будет тем интенсивнее, чем более интенсивна в спектре звука данная частота. Выходное напряжение с каждого из фильтров подается на регистрирующее устройство и фиксируется на бумаге или пленке.

Весь диапазон частот, существенных для звуков речи, может быть разбит на определенное число шагов, каждый из которых будет представлен  одним фильтром. Обычно анализатор содержит около 30 — 40 фильтров (или 1 фильтр с перестраивающейся частотой), а  ширина фильтра — т. е. количество разных частот, на которые откликается  один фильтр, — зависит от того, какую  часть диапазона охватывает этот фильтр: на низких частотах она уже, на высоких — шире. Конкретные характеристики фильтров всегда указаны в описании прибора.

Отклик каждого фильтра  реализуется в виде выходного  напряжения, которое может быть измерено и зафиксировано. Для этого достаточно с выхода фильтра подать электрический  сигнал на вольтметр и измерить таким  образом выходное напряжение. Последовательное измерение напряжения на всех фильтрах дает нам представление об относительной  интенсивности всех частотных составляющих, однако обычно спектрометры имеют специальные  экраны, на которых можно визуально  наблюдать значения выходных напряжений. Спектр, который позволяет определить частоты, входящие в спектр данного  звука, и их амплитуды, называется амплитудно-частотным  спектром. Каждый такой спектр дает представление о том, каковы свойства звука в какой-то один момент —  момент анализа звука, поэтому их называют мгновенными спектрами. Помимо таких спектров используются и другие, получаемые при помощи динамических спектрографов и позволяющие  наблюдать изменения акустических характеристик звуков во времени. На динамической спектрограмме ось  частот расположена вертикально, по горизонтали регистрируется длительность звука, а относительная интенсивность частотных составляющих регистрируется степенью затемнения светочувствительной бумаги, на которую записывается спектрограмма: чем больше выходное напряжение с фильтра, тем ярче свечение точки, соответствующей этому фильтру, и тем самым сильнее затемнение на бумаге. Для записи непрерывно меняющихся во времени речевых сигналов такой способ регистрации акустических характеристик оказался чрезвычайно удобным. Правда, при этом страдает точность измерения интенсивности отдельных частотных составляющих, однако при необходимости одновременно с динамической спектрограммой может быть получен и мгновенный спектр для каждого из интересующих участков. В рамках книги по русской фонетике мы не можем подробно разбирать все достоинства и недостатки этого метода, однако при знакомстве с конкретными данными мы увидим, что они дают неисчерпаемый материал для изучения акустических свойств звуков человеческой речи.. Есть еще такие признаки звука, как высота, которая зависит от числа колебаний в единицу времени. Чем больше колебаний, тем выше звук. Единицей измерения этой характеристики является герц. Человеческое ухо может различать высоту звуков в пределах от 16 до 20 000 герц. Так называемые инфразвуки (ниже указанных пределов) и ультразвуки (выше указанных пределов) человеческое ухо не воспринимает.

Важную роль в акустической характеристике звука играет сила, или интенсивность, зависящая от амплитуды (размаха) колебания, т. е. от

расстояния высшей точки  подъёма и низшей точки падения  звуковой волны. Чем больше амплитуда, тем сильнее звук.

Существенным в характеристике звука является тембр, благодаря  которому звук приобретает индивидуальную окраску. Создаётся эта окраска  главным образом при помощи резонансных  характеристик. Резонанс (франц. отзвук) возникает в замкнутой воздушной  среде, так как колебания звучащего  тела вызывают колебания другого тела или воздуха. Резонатором при образовании звуков речи выступают ротовая, носовая, глоточные полости.

Поскольку каждый звук является сложным результатом взаимодействия частотных составляющих, обладающих и разными частотными характеристиками, и разной амплитудой колебания, исследователей акустических свойств звуков речи всегда интересовали возможности зарегистрировать такие сложные акустические колебания, т. е. практически иметь визуальное изображение полной огибающей звуковой волны (образно говоря — получить представление о том, какого рода колебания воздушной среды воздействуют на барабанную перепонку человека, воспринимающего соответствующий  акустический сигнал).

Такую огибающую дают записи речевых сигналов на осциллографе. Осциллографы предназначены для  наблюдения, измерения и записи быстро изменяющихся во времени электрических  процессов и по своему устройству делятся на две группы: шлейфные (или электромеханические) и катодные (электронные). В фонетических лабораториях широко использовались и те и другие, при этом шлейфный осциллограф чаще — для регистрации осциллограммы  на кинопленке или бумаге, катодный — для визуального наблюдения сигнала.

В шлейфном осциллографе электрические  колебания (напомним, что при регистрации  и анализе звуков они предварительно преобразуются в электрические  колебания) преобразуются в колебания  светового луча, а эти последние  фиксируются на светочувствительной  пленке или бумаге. Преобразователем электрических колебаний в оптические является вибратор, или шлейф, —  сосуд, наполненный маслом, в который  помещена металлическая петля. Концы  этой петли соединены со входом осциллографа, и именно на нее подается сигнал. Вокруг петли существует постоянное магнитное поле, а в самой петле  закреплено зеркальце. Когда на вход вибратора не поступает сигнала, и петля, и зеркальце находятся  в покое. Когда же на вход вибратора поступает электрический сигнал, металлическая петля вместе с укрепленным в ней зеркальцем начинает колебаться с той частотой и интенсивностью, которая характерна для поступающего электрического сигнала, т. е., в конечном счете, для записываемого звукового сигнала. Зеркальце, укрепленное в петле, освещается источником света и отбрасывает луч на светочувствительную пленку — таким образом получается осциллограмма. Степень подробности картинки и ее информативность зависят от условий записи осциллограммы — таких, как собственная частота вибратора (она должна быть в 3—4 раза выше той частоты, которая нас интересует в анализируемом звуке), скорость движения светочувствительной пленки или бумаги при записи (чем больше скорость, тем более подробной, растянутой получается картинка), частота отметчика времени (чем выше эта частота, тем точнее может быть измерена длительность анализируемого сигнала).

Рассмотрим длинную трубу, наполненную воздухом. С левого конца  в нее вставлен плотно прилегающий  к стенкам поршень (рис. 1). Если поршень  резко двинуть вправо и остановить, то воздух, находящийся в непосредственной близости от него, на мгновение сожмется (рис. 1,а). Затем сжатый воздух расширится, толкнув воздух, прилегающий к  нему справа, и область сжатия, первоначально  возникшая вблизи поршня, будет перемещаться по трубе с постоянной скоростью (рис. 1,б). Эта волна сжатия и есть звуковая волна в газе. Звуковая волна в газе характеризуется  избыточным давлением, избыточной плотностью, смещением частиц и их скоростью. Для звуковых волн эти отклонения от равновесных значений всегда малы. Так, избыточное давление, связанное  с волной, намного меньше статического давления газа. В противном случае мы имеем дело с другим явлением - ударной волной. В звуковой волне, соответствующей обычной речи, избыточное давление составляет лишь около одной  миллионной атмосферного давления. Важно  то обстоятельство, что вещество не уносится звуковой волной. Волна представляет собой лишь проходящее по воздуху  временное возмущение, по прохождении  которого воздух возвращается в равновесное состояние. Волновое движение, конечно, не является характерным только для звука: в форме волн распространяются свет и радиосигналы, и каждому знакомы волны на поверхности воды. Все типы волн математически описываются так называемым волновым уравнением.

Гармонические волны. Волна  в трубе на рис. 1 называется звуковым импульсом. Очень важный тип волны  возбуждается, когда поршень колеблется туда-сюда подобно грузу, подвешенному на пружине. Такие колебания называются простыми гармоническими или синусоидальными, а возбуждаемая в этом случае волна - гармонической. При простых гармонических  колебаниях движение периодически повторяется. Промежуток времени между двумя  одинаковыми состояниями движения называется периодом колебаний, а число  полных периодов в секунду, - частотой колебаний. Обозначим период через  Т, а частоту - через f; тогда можно  написать, что f = 1/T. Если, например, частота  равна 50 периодам в секунду (50 Гц), то период равен 1/50 секунды. Математически  простые гармонические колебания  описываются простой функцией. Смещение поршня при простых гармонических  колебаниях для любого момента времени t можно записать в виде

<="" div="">

Здесь d - смещение поршня из положения равновесия, а D - постоянный множитель, который равен максимальному  значению величины d и называется амплитудой смещения. Предположим, что поршень  колеблется в соответствии с формулой гармонических колебаний. Тогда  при движении его вправо возникает, как и прежде, сжатие, а при  движении влево давление и плотность  будут уменьшаться относительно своих равновесных значений. Возникает  не сжатие, а разрежение газа. В этом случае вправо будет распространяться, как показано на рис. 2, волна чередующихся сжатий и разрежений. В каждый момент времени кривая распределения давления по длине трубы будет иметь  вид синусоиды, и эта синусоида  будет двигаться вправо со скоростью  звука v. Расстояние вдоль трубы между  одинаковыми фазами волны (например, между соседними максимумами) называется длиной волны. Ее принято обозначать греческой буквой l (лямбда). Длина волны l есть расстояние, проходимое волной за время Т. Поэтому l = Tv, или v = lf. Продольные и поперечные волны. Если частицы колеблются параллельно направлению распространения волны, то волна называется продольной. Если же они колеблются перпендикулярно направлению распространения, то волна называется поперечной. Звуковые волны в газах и жидкостях - продольные. В твердых же телах существуют волны обоих типов. Поперечная волна в твердом теле возможна благодаря его жесткости (сопротивлению к изменению формы). Самая существенная разница между этими двумя типами волн заключается в том, что поперечная волна обладает свойством поляризации (колебания происходят в определенной плоскости), а продольная - нет. В некоторых явлениях, таких, как отражение и прохождение звука через кристаллы, многое зависит от направления смещения частиц, так же как и в случае световых волн.