Глава 4

Гц

I

О

I

Cd

I

а

1800

1200

600

•

heed

head

•

heam)

•

had

•

.whod

hard •

hawed •

•

hod

Гц

Частота первой форманты

Рис. 4.6.11. Первые две форманты

английских гласных

Распознавание каждой

фонемы происходит в ос-

новном по положению

первых двух формант

(F1 и F2), более высокие

форманты определяют

тембральные различия

(для пения чрезвычайно

существенное значение

имеет третья формантная

область — «певческая

форманта»). Частотное

расположение формант

для гласных английского

языка показано на рис.

4.6.11.

Если подходить к про-

цессу образования звуков речи с помощью фонации в терминах пе-

редаточных функций (передаточная функция есть отношение выход-

ного сигнала к входному сигналу), то этот процесс может быть описан

следующим образом:

P (со) = S(co) ® Т(со) ® R(CO)9

где S(co) — спектральная характеристика входного сигнала,

Т(со) — передаточная функция тракта,

R(co) — активная составляющая сопротивления излучения

(рис. 4.6.12),

®—операция свертки [105, 106].

Импульсы голосовых связок Излучаемая волна

Спектр

источника

Характеристика

Спектр

передающего тракта излучаемого звука

1 2 0

Частота, кГц

а

Рис. 4.6.12. Последовательные этапы преобразования сигнала

в голосовом тракте:

а — спектральная характеристика входного сигнала S(ftj);

б — передаточная функция тракта T((d);

в — спектр суммарного излучаемого сигнала ?((0)

Акустика музыкальных инструментов. Акустика речи и пения

401

Под передаточной функцией тракта понимается отношение ком-

плексных амплитуд объемной скорости на губах U0 к объемной

скорости у голосовой щели U2: Т(со) = U0ZU2. В реальном голо-

совом тракте передаточная функция имеет сложный характер (она

может быть измерена и вычислена современными цифровыми ме-

тодами); на резонансных частотах тракта, т. е. на формантах, она

имеет максимумы, которые называются полюсами. Таким образом,

форманты еще можно определить как «полюса передаточной

функции».

Описанные выше процессы голосообразования относятся,

в основном, к гласным звукам. Процессы образования согласных

звуков существенно сложнее.

Механизм образования согласных звуков речи

В отличие от гласных звуков согласные гораздо разнообразнее

по способам образования, что соответственно усложняет их анализ

и распознавание. Во-первых, при образовании согласных могут

использоваться различные виды генерации звука и их сочетания —

фонация, турбулентный шум, импульс; во-вторых, месторасположе-

ние источника звука также может сильно варьироваться — если при

образовании гласных резонаторы всегда находятся впереди источ-

ника звука (рис. 4.6.2 ), поскольку положение голосовых связок за-

креплено в гортани, то источник звука при образовании согласных

может находиться в любом месте тракта (у зубов — с,

у заднего нёба — к); в-третьих, при образовании согласных часто

используется подключение дополнительной носовой полости (на-

пример, м, н). Кроме того, они отличаются значительно большим

разнообразием спектров и более короткими стационарными пери-

одами, как бы служа переходом от одной гласной к другой (сред-

няя длительность гласных звуков 0,18 с, средняя длительность со-

гласных 0,095 с для русской речи [120]).

Способы генерации звука: кроме процесса фонации (т. е. моду-

ляции потока с помощью колебания голосовых связок) при обра-

зовании согласных звуков используются другие виды генерации.

Турбулентный шум: как уже было рассмотрено в разделе

4.2.1, при прохождении струи воздуха с большой скоростью через

узкое отверстие в ней происходит вихреообразование, сопровож-

дающееся турбулентным шумом. Такой способ звукообразования

используется в лабиальных музыкальных инструментах (например,

флейте — см. раздел 4.2.1), такой же способ используется и в го-

лосовом тракте: в определенном месте тракта создается сужение,

и при продувании воздуха через него образуется шум, который за-

тем определенным образом трансформируется в резонансных по-

лостях тракта. Турбулентный шум, который создается в различных

местах голосового тракта, называется фрикативным (от слова

«friction» — трение) — и, соответственно, согласные, образуемые

с его помощью, называются фрикативными, например с, ш, х, ф.

402