Образование гласных

На рис. 5.8 слева изображен спектр голосового источника с ЧОТ 50 Гц. (его можно получить, если поместить микрофон в гортань). Амплитуда гармоник уменьшается на 12 дб. за октаву. На выходе из речевого тракта сигнал является, в первую очередь, результатом функций источника и фильтра. Получившиеся формантные пики, в первую очередь, как известно, являются результатом воздействия фильтра (резонаторов речевого тракта) на амплитудно-частотные характеристики источника.

Как происходит образование гласных с точки зрения акустики? Колеблющиеся частицы воздуха создают волны (сжатия и разрежения среды), которые распространяются со скоростью около 350 м/с. Частота их колебаний зависит от длины волны (f=c/l). Если частота - 350 Гц., то пики сжатия находятся на расстоянии одного метра друг от друга. Речевой тракт при произнесении некоторых звуков (например, [ъ]) можно представить в виде трубки закрытой с одной стороны и открытой с другой длиной около 17,5 см. и диаметром около 1 см. (на самом деле диаметр почти не имеет значения, если он значительно меньше длины) - рис. 8.2. Как будет воздух вибрировать в этой трубке в ответ на колебания источника (голосовых связок)? Можно ли попытаться предсказать, какие именно частоты источника будут усиливаться? Вибрация резонатора похожа на вибрацию динамика или пружины в трубке - рис. 8.3. При этом частицы воздуха у закрытого конца трубки имеют гораздо худшие условия для колебаний, так как находятся в ограниченном пространстве, поэтому амплитуда их колебаний будет меньше (а давление больше), чем у открытого конца трубки, где может происходить обмен с окружающим пространством. Если сопоставить эти вариации давления со звуковой волной (представить их как часть звуковой волны), то можно увидеть, частоты с какой длиной волны будут резонировать (совпадать с кривой скорости частиц или звукового давления в данной трубке). На рис.8.4 кривая скорости частиц продолжена до полного цикла, длина этой волны в 4 раза больше длины трубки (l= 4l = 4 x 17,5 = 70 см.), собственная частота колебаний, следовательно, f=с/l=35000 см/сек.: 70 см. = 500 Гц. Это будет первый резонанс в данной трубке и, соответственно, первая форманта - F1). Но это только один из возможных резонансов и далеко не единственный. Кривые, представляющие другие частоты, тоже могут вызывать резонанс - при одном условии: движение частиц должно быть минальным (равным нулю) у закрытого конца и максимальным у открытого, пусть и с более сложными вариациями в середине. Из рис. 8.5-8.6 видно, что этому условию удовлетворяют волны с длиной волны 4/3l (f=с/l=35000х3:70=1500 Гц.), с l=4/5l (f=2500 Гц.) и т.д., но другие резонансы будут гораздо слабее, т.к. амплитуда сильно уменьшается (3500 Гц. - это 7 раз по 500 Гц., то есть 7 октав, следовательно амплитуда меньше на 7х6=42 дб.). Трех формант (чаще всего - даже двух) вполне достаточно для характериски гласного. Таким образом, f=с(2n-1)/4l.

Так же можно вычислить и резонансы для других гласных, например, [а]. Здесь уже речевой тракт можно представить в виде двух трубок, одна из которых шире другой. Поскольку эти трубки в 2 раза короче одной, то резонансы будут в области 1000 Гц., 3000 Гц. и т.д. Но поскольку в этом случае вторая трубка не совсем закрыта с одного конца, то первый резонанс первой трубки будет чуть меньше (900 Гц.), а первый резонанс второй - чуть больше (1100 Гц.). Для лабиализованных гласных нужно будет еще учитывать увеличение длины резонатора за счет вытягивания губ, что будет понижать частоты резонатора.