Кодзасов, Кривнова - Общая фонетика

Общая оценка современного состояния автоматического распознавания речи

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в пос­ леднее десятилетие, исследователям, которые занимаются разработкой систем, распознающих человеческую речь, еще многое предстоит сделать. На недавнем международном конгрессе фонетических наук известный специалист в этой области Атал подвел некоторые итоги проведенных иссле­ дований 1995]. На рис. показаны оценки успешно­ сти и надежности распознавания речевых сообщений разно­ го типа в зависимости от размеров машинного словаря. На рисунке под диагональю помещены задачи, которые уже сейчас успешно и надежно решаются с помощью систем распознавания речи, а выше диагонали — задачи, которые находятся в стадии лабораторных разработок. Как видно из

542

физическая природа звуковых колебаний

результате в ближайшем слое воздух разрежается, но одно­ временно сжимается следующий наружный слой, который, в свою очередь расширяясь, сжимает следующий наружный слой и т. д. Так в воздухе образуется сферическая упругая волна: состояния сжатия и разрежения, возникшие в воздухе около источника звука, передаются как эстафета от одного слоя к другому, все более и более удаляясь от места первона­ чального возмущения. Образование и распространение зву­ ковых колебаний в воздухе обусловлено такими его свойст­ вами, как упругость (сопротивление сжатию) и инерцион­ ность (тенденция к сохранению имеющегося состояния).

В рассмотренном выше примере лопнувший шар соз­ дал в воздухе одиночный импульс избыточного давления. Если в воздухе длительное время колеблется какое-либо те­ ло, например камертон или струна, оно постоянно генери­ рует упругие волны. Колеблющееся тело при своем движе­ нии вперед сжимает воздух, находящийся перед ним, и это сжатие передается следующим слоям воздуха. При движении тела назад частицы воздуха из области сжатия начинают пе­ реходить вслед на ним в область меньшей плотности, и за сгущением начнет распространяться разрежение. Затем, ко­ гда тело движется опять вперед, снова распространяется сгу­ щение и т. д.

Упругие волны, т. е. волны сжатия и разрежения, рас­ пространяющиеся в воздухе при колебаниях тел или внезап­ ных изменениях его плотности, называют также звуковыми волнами. Они относятся к продольным волнам: частицы воздуха, смещенные с положения равновесия, движутся взад и вперед по направлению движения звуковой волны. Если бы частицы имели цвет, состояние воздуха при прохождении в нем звуковой волны выглядело бы приблизительно так, как это изображено на рис. где более темный цвет ли­ ний соответствует большим величинам плотности и давле­ ния в последовательных слоях воздуха.

Скорость распространения звука, длина волны и период колебаний

Звуковые волны, как мы видели, представляют собой колебания, которые передаются (распространяются) от од­ них частиц воздушной среды к другим. Это происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Это означает, что рас-

545

Физическая природа звуковых колебаний

ком расстоянии в распространяющейся волне находятся два последовательных сгущения или разрежения воздуха или, вообще, две ближайшие точки вдоль линии распространения волны, которые колеблются в одинаковой фазе.

В звуковой волне, таким образом, имеется двоякая пе­ риодичность. С одной стороны, в каждом месте среды, по которой распространяется волна, порожденная периодиче­ ским источником, положение частиц воздуха, а также плот­ ность и звуковое давление периодически изменяются во вре­ мени. С другой стороны, в каждый момент времени смеще­ ния всех частиц, а также плотность и звуковое давление в разных точках среды, расположенных вдоль направления движения волны, образуют кривую, форма которой перио­ дически повторяется в пространстве (см. рис. Длина волны X играет по отношению к форме волны в пространст­ ве ту же роль, какую период Г — по отношению к колеба­ нию во времени.

Механизм распространения звуковых колебаний, возни­ кающих в речи, не имеет ничего специфически речевого, по­ этому в акустической фонетике он почти не рассматривается. Колебания звукового давления, образующие речевой сигнал, фиксируются в определенном месте воздушной среды: там, где находится приемник звука — человеческое ухо или специ­ альное приемное устройство, например, микрофон. Однако при записи речевого материала для проведения фонетических исследований необходимо знать и важнейшие особенности распространения звуковой волны в пространстве.

Распространение звуков в пространстве

При проведении фонетических исследований с различ­ ным речевым материалом полезно иметь в виду следующие особенности распространения звуковой волны:

•при удалении от источника звуковые колебания посте­ пенно затухают. Ослабление звука происходит пропорцио­ нально квадрату расстояния от источника. До слушателя, на­ ходящегося на расстоянии 5 м от говорящего, будет доходить

в100 раз меньше звуковой энергии, чем до слушателя, нахо­ дящегося на расстоянии 0,5 м;

•звуки высоких частот при прохождении через воздух поглощаются (теряют энергию) в значительно большей сте­ пени, чем звуки низких частот. Опыт показывает, что поте-

547

сжатый газ, заключенный в определенном объеме (звук лопнувшего воздушного шара), колеблющийся поток воздуха или жидкости, выходящий под давлением из неко­ торого канала через узкое отверстие (звук свистка, сирены, кларнета, органной трубы, струи воды, вытекающей из во­ допроводного крана).

В речи непосредственным источником звуковых коле­ баний, которые мы слышим, является колеблющийся поток воздуха, выходящий из речевого тракта через рот и нос го­ ворящего. Колебания воздушного столба в речевом тракте создаются, в свою очередь, благодаря работе голосовых свя­ зок и образованию различных препятствий на пути выдыха­ емой воздушной струи.

1.3. Физический диапазон звуковых волн

Огромное разнообразие упругих воздушных волн, суще­ ствующих в природе, воспринимается человеком не полно­ стью. Поэтому собственно звуковой называется такая волна, физические характеристики которой принадлежат так назы­ ваемому звуковому диапазону. Границы звукового диапазона определяются чувствительностью человеческого слуха к час­ тотным и амплитудным характеристикам звуковых колеба­ ний. Человек способен воспринимать колебания воздушного давления, частота которых находится в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Это соответствует длинам волн в воздухе от 20 м до 1,7 см. Упругие колебания с частотами, превосходящими

549