3.2.3. Восприятие и распознавание речи

Слуховая система включает орган слуха и его связи с цент­ральной нервной системой. С анатомической точки зрения ее можно подразделить на наружное, среднее и внутреннее ухо, слуховой нерв и центральные слуховые пути (Гельфанд, 1984) (Рис. 3.8.1, 3.8.2). Прием речевого сообщения начинается в наружном ухе, структуры которого (ушная раковина, наруж­ный слуховой проход и барабанная перепонка) обеспечивают направленный прием звуковых колебаний из внешней среды. Наружный слуховой проход выполняет функцию резонатора, усиливающего звуковые частоты в диапазоне от 3,0 до 5,0 кГц приблизительно в 2—4 раза. В среднем ухе, представляющем костную полость, содержащую три слуховые косточки — мо­лоточек, наковальню и стремечко, ограниченную с одной сто­роны барабанной перепонкой, с другой — костной полостью улитки, происходит увеличение уровня передаваемого дав­ления приблизительно на 30 дБ. Главной функцией среднего уха является выравнивание рассогласования в акустическом сопротивлении воздуха и жидкости улитки.

Рис. 3.8.1.

Необходимый баланс давления (давление воздуха во внутреннем ухе должно быть равно внешнему атмосферному давлению) поддерживается посредством евстахиевой трубы соединяющей среднего уха с носоглоткой. Внутреннее ухо представляет собой сложно организованный лабиринт каналов, расположенных в височной кости и заполненных жидкостью. Костная структура имеющая форму спирали, называется улиткой. Две мембраны проходят вдоль всей длины улитки от ее базилярной (основной) части до апикального конца. Соответственно они называются базилярной (основной) и Рейснерозой мембранами. Мем­браны делят полость улитки на три канала: вестибулярный, тимпанальный (которые заполнены перилимфой) и средний (заполненный эндолимфой). Каналы соединяются у вершины улитки через небольшое отверстие — геликотрему. В среднем канале находится рецепторный аппарат слуха — кортиев орган. Реакция базилярной мембраны на импульс увеличения давле­ния описывается как «бегущая волна» (Шупляков, 1990). Высо­кие частоты приводят к максимальному смещению мембраны у ее основания, понижение частот — к локализации максималь­ного смещения к ее вершине. Верхняя половина мембраны реагирует на колебания с частотами от 0 до 2000 Гц, остальная часть — на все другие частоты. Наличие «точек» максимального смещения на каждую частоту лежит в основе «теории места». На колебательный процесс, возникающий на мембране, вли­яет интенсивность звука: чем сильнее звук, тем больше раз­мах колебаний всех участков мембраны. Таким образом, связь местонахождения максимального возбуждения базилярной мембраны с частотой звука свидетельствует о частотно-изби­рательной, или фильтрующей функции этого органа слуха. Во внутреннем ухе осуществляется процесс перекодирования час­тоты и интенсивности звукового сигнала в активность, локали­зованную на определенном участке базилярной мембраны. Об особенностях частотного и временного анализа можно прочи­тать в руководстве по слуху (Шупляков, 1990). Однако следует иметь в виду, что частотно-избирательные колебания базиляр­ной мембраны дают только грубую информацию о спектраль­ных различиях между звуками. В то же время в целом внутрен­нее ухо работает как фильтр, пропускающий преимущественно экологически значимые частотные диапазоны, т.е. реализуется принцип согласования приема (Куликов, 1986).

Рис. 3.8.2. Расположение структур уха по отношению к голове. (Источ­ник перепечатки: Гельфанд С, 1984. С.12.)

Передача информации о физических параметрах звуковых колебаний в вышележащие отделы слуховой системы осущест­вляется посредством кортиева органа и связанных с ним воло­кон слухового нерва. Кортиев орган представляет собой слож­ную систему волосковых клеток-рецепторов, распределенных вдоль базилярной мембраны в два слоя (наружный и внутрен­ний), выполняющих функцию электромеханических датчиков. Возбуждение волосковых рецепторов имеет форму электричес­кой активности, которая передается окончаниям и волокнами слухового нерва, вызывая в нервных волокнах генерацию элек­трических импульсов. Афферентные волокна слухового нерва передают информацию на следующие уровни слуховой системы. Первые слуховые нейроны соединены с волосковыми клетками, при этом около 95% нейронов контактируют по принципу «один нейрон — одна (внутренняя) волосковая клетка, одна клетка — 10—12 нейронов». Такая организация обеспечивает связь «час­тота звукового сигнала—место на мембране—место в слуховом нерве» и дублирование информации. Около 5% нейронов соеди­нены с 10—12 внешними волосковыми клетками. Эти нейроны имеют более низкие пороги срабатывания. Таким образом, на уровне первичных нейронов существует дде системы иннерва­ции. Вследствие непосредственной связи между нейронами и определенными «точками» базилярной мембраны слуховой нерв можно рассматривать как ее проекцию, а совокупность нервных волокон, организованных по принципу «частота—место», как набор электрических фильтров-резонаторов, настроенных на определенную частоту. Порог чувствительности нейрона к тону данной частоты определяется минимальным уровнем интен­сивности тона, при котором в нервном волокне возникает от­ветный импульс. Частота тона, соответствующая наименьшему порогу чувствительности, называется характеристической час­тотой нейрона (Чистович и др., 1976). Нейроны чувствительны к частотам, близким к их характеристическим частотам, и прак­тически не реагируют на сигналы с частотами, большими харак­теристической частоты. Максимальную чувствительность к сиг­налу имеют нейроны с частотами в области речевых частотных составляющих— 1000—4000 Гц. Минимальные пороги чувс­твительности остальных частот выше в области низких частот.

Частотная полоса возбуждения нейронного фильтра зависит от интенсивности сигнала; при больших интенсивностях ширина полосы увеличивается. Для очень громких звуков это приводит к ухудшению частотной избирательности слуха.

Частота сигнала в значительной области звукового диапа­зона кодируется в слуховой системе местом активизированного нейрона или группы нейронов и периодом суммарного потока нейронной активности в возбужденной частотной полосе. Сле­довательно, в слуховом нерве происходит процесс пространст­венно-временного преобразования звуковых колебаний в ней­ронное возбуждение, передаваемое частотной им пульсацией.

Важнейшие свойства человеческого слуха, к которым относится оценка громкости, а также абсолютная и диффе­ренциальная чувствительность к звуковым сигналам разной интенсивности и частоты, определяются вышеописанными реакциями базилярной мембраны и волокон слухового не­рва. Под абсолютной чувствительностью подразумевается способность человека слышать разные звуки минимальной интенсивности, под дифференциальной — различать звуки с различной частотой и интенсивностью.

Обработка информации продолжается в лежащих выше центральных структурах слуховой системы, имеющих сложное нейроанатомическое строение. В этой многоуровневой орга­низации на каждом уровне происходит обработка информации и последующая ее передача в вышележащие уровни (Рис. 3.9). Сохраняется настройка нейронов на определенные частоты и связь этих частот с, пространственным расположением нейро­нов и их группировок. Каждая группа нейронов обрабатывает информацию в ограниченной частотной полосе, а анализ спек­тральной информации на всем пути ее прохождения происхо­дит в отдельных «сквозных» частотных каналах, в совокупности составляющий частотный диапазон человеческого уха. В пер­вом приближении можно говорить о двух этапах обработки: в отдельных частотных каналах и путем выявления акустико-слуховых признаков речевого сигнала. В центральных отделах слуховой системы выделяют два типа нейронов: тонические и фазические (Чистович и др., 1976). Функция фазических нейронов заключается в выявлении изменяющихся акустических свойств сигнала.

Рис.3.9. Упрощенная схема слухового пути. (Источник: Квинке Р. Фи­зиология слуха. В книге: Основы сенсорной физиологии. С.220.).

Эти нейроны характеризуются избиратель­ным реагированием на увеличение и/или уменьшение энер­гии, изменение скорости. Фазические нейроны могут быть уз­коспециализированными, откликающимися избирательно на изменение частоты тонального сигнала. В отклике тонических нейронов подчеркивается выраженность спектрального макси­мума в анализируемой полосе частот. Обнаружены также ней­роны, реагирующие на периодичность гласного, что, по-види­мому, играет роль в передаче информации о высоте голоса.

Процессы взаимодействия фазических и тонических ней­ронов при обработке речевого сообщения, а также вопрос об объединении акустических событий, достаточно сложны для интерпретации в данном изложении, так как требуют дополнительного представления сведений о нейрофизиологических осо­бенностях нейронов центральных отделов слуховой системы.

В целом можно заключить (Кодзасов, Кривнова, 2001), что речевые сигналы обрабатываются с помощью общих слу­ховых механизмов. При обработке речевых сигналов нейрон­ные структуры слуха с высокой надежностью выделяют те акустические признаки, которые необходимы и полезны для последующей фонологической интерпретации.

При оценке фонетической полезности акустических харак­теристик сигнала главным критерием является их роль в иден­тификации данного звука. Существует понятие акустических ключей, которые человек использует для опознания фонем­ного состава речевого сообщения. Акустическими ключами для идентификации гласных являются частотные и амплитудные значения двух первых формант. При этом, как правило, одна из формант является определяющей. Так, для гласных, разли­чающихся по признаку ряда, существенной является частота F2, для различий по признаку подъема— частота F1. Ключи существуют и для идентификации согласных. Акустический анализ шумных согласных показывает, что от места образова­ния зависят как физические свойства шумового отрезка соглас­ного, так и характеристики переходов F2 на граничных участках соседних гласных (Кодзасов, Кривнова, 2001). Для восприятия согласных, различающихся местом образования, важны и фор­матные ключи, используемые для идентификации соседних гласных. Примером множественности акустических ключей яв­ляется признак «глупость/звонкость» согласного. На восприятие данного противопоставления влияют, хотя и в разной степени, почти все акустические признаки, которые сопровождают его артикуляционную реализацию. К этим признакам (для сочета­ний «взрывной согласный—гласный») относятся: длительность временного интервала между моментом взрыва и началом фона­ции; наличие начального перехода F1 в последующем гласном; длительность шумового участка и выраженность в нем формантных усилений; интенсивность шумового участка относительно интенсивности последующего гласного в области начальной метки последнего; длительность предшествующего гласного;

характер изменения частоты основного тона в области метки взрыва. Для фонологических признаков согласных характерна множественность ключей, что схематично можно представить как «один признак — много ключей». Однако вопрос о доми­нантном ключе и взаимоотношениях между разными ключами при идентификации одного признака в ряде случае сложен.

Еще одним свойством восприятия является категориальность. Под категориальностью восприятия понимают неспо­собность испытуемых различать стимулы, которые они относят к одному фонемному классу. Способностью к категориальному восприятию обладают новорожденные младенцы и некоторые животные (например — шиншиллы). Большинство акустичес­ких признаков, физические характеристики которых влияют на восприятие согласных, имеют категориальную природу.

В целом проблема восприятия может быть сформулиро­вана в ряде нескольких общих вопросов (Бондарко, 1998). На основании каких акустических характеристик звука носитель языка относит его к той или иной фонемной категории? Каким образом из множества акустических признаков выделяются значимые для идентификации сообщения? Какой объем собст­венно акустической информации необходим для восприятия смысла передаваемого сообщения? Каким образом происходит восприятие звуков неродного языка? Многие другие вопросы имеют отношение к тому или иному из этих общих вопросов.

Представленные выше сведения о процессе речеобразования и восприятия звуков речи являются базовыми для рас­смотрения различных речевых функций и становления речи в раннем онтогенезе. Использование онтогенетического и фи­логенетического подхода позволит пролить свет на еще многие вопросы, касающиеся речеобразования и речеспецифичности.

Основная литература

БатуевЛ.С. Высшие интегративные системы мозга. Л., 1981.

Бондарко Л.В. Фонетика современного русского языка. Учебное посо­бие. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1998.

Вартанян И.А. Нейрофизиологические основы речевой деятельности. Механизмы деятельности мозга человека. 4.1. Нейрофизиология че­ловека. Л.. Наука. 1988.

Гельфанд С.А. Слух. Введение в психологическую и физиологическую акустику. М.: Мир, 1984.

Деркач М.Ф., Гумецкий Р.Я., Губа Б.М., Чабан М.Е. Динамические спек­тры речевых сигналов. Львов, 1983.

ЗиндерЛ.Р. Общая фонетика. М.: Высшая школа, 1979.

Кодзасов СВ., Кривнова О.Ф. Общая фонетика. М., 2001.

Куликов Г.А. Нейрофизиологические основы обработки акустических сигналов. Акустика речи и слуха. Сборник трудов. 1986.

Шупляков B.C. Физиология периферического отдела слуховой системы. Слуховая система. Л.: Наука, 1990.

Фант Г. Акустическая теория речеобразования. М., 1964.

Фланаган Дж. Анализ, синтез и восприятие речи. М., 1968.

Чпопович Л.А., Венцов А.В., Гранстрем М.П.идр. Физиология речи. Восприятие речи человеком. Серия «Руководство по физиологии». М.: Наука, 1976.

Щерба Л.В. Русские гласные в качественном и количественном освеще­нии /J Языковая система и речевая деятельность (1936) Л., 1974.

DaniloffR., Schuckers G., Feth L. The physiology of speech and hearing. 1980.

Kent R.D., Read Ch. The acoustic analysis of speech. 1992.

Lofqvist A., Gracco V. Tongue body kinematics in velar stop production: Influences of consonant voicing and vowel context. Phonetica. 51. 1994

Stevens K.N. Acoustical aspects of speech production. In Handbook of physiology. Washington. 1964.

Jakobson R., Halle M. Fundamentals of language. 1956.