семестр 1 / лабы / лаба 1 / 00_лаба_1_1_фипоз_отчёт

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель выполняемой работы – исследовать разборчивость сигнала после определённых частотных махинаций с исходным сигналом; изучение теории формант.

2 ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Формантная теория звука объясняет тембр и характеристики звука через форманты – частоты, на которых происходит усиление обертонов в речевом тракте человека или музыкальном инструменте. Эти резонансные частоты,

меняющиеся в зависимости от положения артикуляционного аппарата,

определяют индивидуальный тембр гласных звуков, а также характеристики голосов и музыкальных инструментов.

Рисунок 3.1.1 – Спектр человеческого голоса с выделенными формантами Первая форманта находится на частоте около 1 кГц, вторая форманта – на

частоте около 2 кГц, а третья – на частоте около 3 кГц. При этом, каждая форманта условно несёт в себе разное количество информации: первая форманта содержит около 65% всей речевой информации, вторая – около 20%, а третья – около 15%. То есть удаление из сигнала, например, первой форманты должно резко снизить разборчивость речи. Однако, как показывает практика, не всё так однозначно.

1

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для выполнения этой лабораторной работы был использован аудиоредактор

Audacity версии 3.7.5 и массив микрофонов ноутбука Maibenben M545. Для исследования был записан речевой сигнал длительностью 15 секунд. Все фильтры имели затухание в 30 дБ.

3.1 Исследование разборчивости звукового сигнала телефонного качества

Сперва необходимо записать отрезок речевого сигнала. Изображение вейвформа записанного сигнала представлена на рисунке 3.1.1, а его спектр – на рисунке 3.1.2.

Рисунок 3.1.1 – Вейвформа исходного речевого сигнала

Рисунок 3.1.2 – Спектр исходного речевого сигнала Далее работа происходит с исходным сигналом в моно, а не стерео канальном

виде.

2

Далее необходимо ограничить речевой сигнал полосовым фильтром с нижней граничной частотой 300 Гц и верхней – 3400 Гц. Это и есть сигнал так называемого «телефонного качества».

Для этого была создана копия исходного сигнала. Далее были поочерёдно применены ФВЧ на 300 Гц и ФНЧ на 3400 Гц. Вейвформа и спектрограмма сигнала телефонного качества представлены ниже, на рисунках 3.1.3 и 3.1.4.

Рисунок 3.1.3 – Вейвформа и сонограмма сигнала телефонного качества

Рисунок 3.1.4 – Спектр сигнала телефонного качества Как видно из рисунка 3.1.3, частоты ниже 300 Гц и выше 3400 Гц

действительно почти отсутствуют. Также изменилась и Вейвформа.

3

Однако, качество и разборчивость сигнала если и изменились, то

лаборанты изменения заметить не смогли.

3.2Исследование устранения формант из сигнала телефонного качества

Вэтом пункте взаимодействие осуществляется с копией сигнала телефонного качества, полученного в пункте 3.1.

Для устранения первой форманты необходимо ограничить частоту сигнала снизу до 1000 Гц. Для этого был применён ФВЧ с граничной частотой в 1 кГц.

Вейвформа и спектр полученного сигнала представлены на рисунках 3.2.1 и 3.2.2.

Рисунок 3.2.1 – Вейвформа и сонограмма телефонного сигнала без первой форманты

Рисунок 3.2.2 – Спектр телефонного сигнала без первой форманты

4

Как видно из рисунка выше, основная энергия сигнала сосредоточена в полосе частот от 1 кГц до 3.4 кГц. При этом разборчивость речи в сигнале осталась на уровне исходного телефонного сигнала. По крайней мере лаборанты заметить падение в разборчивости не смогли.

Далее необходимо «убрать» третью форманту из исходного телефонного сигнала. Для этого необходимо ограничить сигнал сверху частотой 2 кГц. Это осуществилось с помощью ФНЧ с граничной частотой 2 кГц. Вейвформа и спектр полученного сигнала представлены ниже.

Рисунок 3.2.3 – Вейвформа и сонограмма телефонного сигнала без третьей форманты

Рисунок 3.2.4 – Спектр телефонного сигнала без третьей форманты

5

Как видно из рисунка выше, спектр ограничен частотой 2 кГц. При этом, как и в случае удаления первой форманты, разборчивость речи если и изменилась, то на слух лаборанты этого заметить не смогли.

Следующий шаг – удаление из сигнала первой и третьей форманты. То есть объединение экспериментов выше. Спектр и вейвформа полученного сигнала представлены ниже, на рисунках 3.2.5 и 3.2.6.

Рисунок 3.2.5 – Вейвфрма и сонограмма телефонного сигнала без первой и третьей формант

Рисунок 3.2.6 – Спектр телефонного сигнала без первой и третьей формант Как видно из рисунка выше, основная энергия сигнала сосредоточена в

полосе частот от 1 кГц до 2 кГц. В таком телефонном сигнале, по сути состоящем

6

только из второй форманты, наблюдаются искажения, похожие на хрип. Однако разборчивость речи остаётся на уровне исходного телефонного сигала.

4 ВЫВОДЫ

Таким образом, в результате выполнения лабораторной работы было выяснено: сужение частотного спектра, как и удаление формант из речевого сигнала, не влияет на разборчивость сигнала.

Из этого следует вывод, что теория формант, по которой в первой форманте содержится около 65% всей информации сигнала, не подтверждается на практике: удаление первой форманты не повлияло на разборчивость речи. То же самое и с третьей формантой (около 15% информации, в основном эмоциональной): её удаление не повлияло на разборчивость. Даже когда в сигнале осталось всего около 20% (вторая форманта) информации, как утверждает теория, разборчивость осталась неизменной.

7