Общие акустические сведения

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

«Акустика речи и звука»

РЕФЕРАТ

Выполнил студент гр. 11-ИБ

Тикунов С.С.

Проверил доцент:

Некрасова М.Ю.

«Брянск 2012»

Акустика звуков речи

Звуки речи - это колебания воздушной среды, вызванные органами речи. Звуки делятся на тоны (музыкальные звуки) и шумы (немузыкальные звуки).

Тон - это периодические (ритмичные) колебания голосовых связок.

Шум - это непериодические (неритмичные) колебания звучащего тела, например, губ.

Гласные состоят из тона, т.е. голоса при отсутствии преграды, а согласные из шума (или шума и тона), т.е. с участием преграды.

Звуки речи различаются по высоте, силе и длительности.

Высота звука - это число колебаний в секунду (герц). Она зависит от длины и натянутости голосовых связок. Более высокие звуки имеют более короткую волну. Человек может воспринимать частоту колебаний, т.е. высоту звука в диапазоне от 16 до 20 000 герц. Один герц - одно колебание в секунду. Звуки ниже этого диапазона (инфразвуки) и выше этого диапазона (ультразвуки) человек не воспринимает в отличие от многих животных (кошки и собаки воспринимают до 40 000 Гц и выше, а летучие мыши даже до 90 000 Гц).

Основные частоты общения людей находятся в пределах обычно 500 - 4000 Гц. Голосовые связки производят звуки от 40 до 1700 Гц. Например, бас начинается обычно с 80 Гц, а сопрано определяется в 1300 Гц. Собственная частота колебаний барабанной перепонки - 1000 Гц. Поэтому самые приятные для человека звуки - шум моря, леса - имеют частоту около 1000 Гц.

Диапазон колебаний звуков речи мужчины составляет 100 - 200 Гц в отличие от женщин, говорящих с частотой в 150 - 300 Гц (поскольку у мужчин голосовые связки в среднем 23 мм, а у женщин - 18 мм, а чем длиннее связки, тем ниже тон).

Сила звука (громкость) зависит от длины волны, т.е. от амплитуды колебаний (величины отклонения от первоначального положения). Амплитуду колебаний создают напор воздушной струи и поверхность звучащего тела.

Сила звука измеряется в децибелах. Шепот определяется в 20 - 30 дБ, обычная речь от 40 до 60 дБ, громкость крика доходит до 80 - 90 дБ. Певцы могут петь с силой до 110 - 130 дБ. В книге рекордов Гиннеса зафиксирован рекорд четырнадцатилетней девочки, перекрывшей криком взлетающий авиалайнер с громкостью двигателей в 125 дБ. При силе звука свыше 130 дБ начинается боль в ушах.

Разным звукам речи свойственна разная сила. Мощность звука зависит от резонатора (резонаторной полости). Чем меньше ее объем, тем больше мощность. Но, напр., в слове «пила» гласная [и], будучи безударной и имея вообще меньшую мощность, звучит сильнее на несколько децибел, чем ударная [а]. Дело в том, что более высокие звуки кажутся более громкими, а звук [и] выше, чем [а]. Таким образом, звуки одинаковой силы, но различной высоты воспринимаются как звуки различной громкости. Следует отметить, что сила звука и громкость не равнозначны, поскольку громкость - это восприятие интенсивности звука слуховым аппаратом человека. Ее единица измерения - фон, равный децибелу.

Длительность звука, т.е. время колебания измеряется в миллисекундах.

Звук имеет сложный состав. Он состоит из основного тона и обертонов (резонаторных тонов).

Основной тон - это тон, порожденный колебаниями всего физического тела.

Обертон - частичный тон, порожденный колебаниями частей (половины, четверти, восьмой и т.д.) этого тела. Обертон («верхний тон») всегда выше основного тона в кратное число раз, отсюда и его название. Напр., если основной тон - 30 Гц, то первый обертон будет составлять 60, второй 90, третий - 120 Гц и т.д. Он вызывается резонансом, т.е. звучанием тела при восприятии звуковой волны, имеющей частоту одинаковую с частотой колебаний этого тела. Обертоны обычно слабы, но усиливаются резонаторами. Интонация речи создается изменением частоты основного тона, а тембр - изменением частоты обертонов.

Тембр - это своеобразная окраска звука, создаваемая обертонами. Он зависит от соотношения основного тона и обертонов. Тембр позволяет отличать один звук от другого, различать звуки различных лиц, мужскую или женскую речь. Тембр у каждого человека строго индивидуален и уникален как отпечаток пальцев. Иногда этот факт используется в криминалистике.

Форманта - это обертоны, усиленные резонаторами, которые характеризуют данный звук. В отличие от голосового тона форманта образуется не в гортани, а в резонирующей полости. Поэтому она сохраняется и при шепоте. Другими словами, это полоса концентрации частот звука, получающая наибольшее усиление благодаря влиянию резонаторов. При помощи формант мы можем количественно отличать один звук от другого. Эту роль выполняют речевые форманты - самые важные в спектре гласного звука первые две форманты, наиболее близкие по частоте к основному тону. Причем для голоса каждого человека характерны свои голосовые форманты. Они всегда выше первых двух формант.

Формантная характеристика согласных очень сложна и трудноопределима, но гласные с достаточно надежностью могут характеризоваться при помощи двух первых формант, которые соответствуют приблизительно артикуляционным признакам (первая форманта - степени подъема языка, а вторая - степени продвинутости языка). Ниже приводятся таблицы, иллюстрирующие вышесказанное. Следует только иметь в виду, что приводимые количественные данные приблизительны, даже условны, так как исследователи дают различные данные, но соотношения гласных при расхождении в цифрах остаются у всех примерно одинаковыми, т.е. первая форманта, например, у гласной [и] всегда будет меньше, чем у [а], а вторая больше.

Частотные характеристики звуков подвижны, так как форманты соотносятся с основным самым низким тоном, а он тоже изменчив. Кроме того, в живой речи у каждого звука может быть несколько формантных характеристик, так как начало звука может отличаться от середины и окончания по формантам. Слушателю очень трудно определять звуки, выделенные из потока речи.

Артикуляция звуков речи

Общаясь при помощи языка, человек произносит звуки и воспринимает их. Для этих целей он пользуется речевым аппаратом, который состоит из следующих компонентов:

1. органы речи;
2. органы слуха;
3. органы зрения.

Артикуляция звуков речи - это работа органов речи, необходимая для произнесения звука. Сами органы речи включают в себя:

• головной мозг, который через моторный центр речи (зона Брока) посылает определенные импульсы через нервную систему к органам произнесения (артикуляции) речи;
• дыхательный аппарат (легкие, бронхи, трахея, диафрагма и грудная клетка), который создает воздушную струю, обеспечивающую образование звуковых колебаний, необходимых для артикуляции;
• органы произнесения (артикуляции) речи, которые обычно называют также органами речи (в узком смысле).

Органы артикуляции делятся на активные и пассивные. Активные органы выполняют движения, необходимые для произнесения звука, а пассивные органы - точки опоры для активного органа.

Активные органы - это голосовые связки, язык, губы, мягкое небо, язычок, задняя спинка зева и нижняя челюсть.

Пассивные органы - это зубы, альвеолы, твердое небо, верхняя челюсть.

Голосовые связки находятся в гортани. Гортань представляет собой верхнюю часть трахеи, и состоит из следующих хрящей трех видов, соединенных друг с другом:

• перстневидный хрящ, расположенный ниже других хрящей. Спереди он уже, а сзади шире;
• щитовидный хрящ, расположенный наверху спереди (у мужчин он выступает как кадык, или адамово яблоко, потому что две образующие его пластины составляют угол 90 градусов, а у женщин - 110), закрывает спереди и по бокам перстневидный хрящ;
• парный черпаловидный хрящ в виде двух треугольников, расположенных сзади сверху. Они могут раздвигаться и сдвигаться.

Органы речи (произносительный аппарат)

Русские и латинские названия органов речи и их производные

Гортань и голосовые связки (поперечный разрез)

Основные положения голосовых связок

Между черпаловидным и щитовидным хрящом находятся слизистые складки, которые и называются голосовыми связками. Они сходятся и расходятся при помощи черпаловидных хрящей, образуя голосовую щель различной формы. При неречевом дыхании и при произнесении глухих звуков они раздвинуты и расслаблены. Щель при этом имеет вид треугольника.

• При произнесении гласных, сонорных, звонких согласных они сначала напрягаются и сближаются, а затем раздвигаются и сдвигаются, пропуская толчок воздуха. При этом они вибрируют.
• При произнесении английского или немецкого [h] и некоторых гортанных звуков (например, в арабском языке), а также при шепоте они сближены, но расслаблены, и воздух проходит через них с трудом. Голосовые связки при этом не колеблются.

У мужчин, как говорилось выше, голосовые связки длиннее (23 мм в среднем) и толще, чем у женщин (18 мм).

Человек говорит на выдохе, на вдохе только кричат ослы: «иа». Вдох используется также при зевании.

Люди с ампутированной гортанью тоже способны говорить так называемым пищеводным голосом, используя в качестве гортани мышечные складки в пищеводе.

Для образования звука большое значение имеет ротовая (надгортанная) полость, в которой образуются шумы и резонаторные тоны, важные для создания тембра. При этом большую роль играют размер и форма рта и носа.

Язык представляет собой подвижный орган, выполняющий две речевые функции:

• в зависимости от своего положения он меняет форму и объем резонатора;
• создает преграды при произнесении согласных.

Губы и язычок также выполняют функцию создания преграды.

Мягкое небо в поднятом положении запирает вход в носовую полость, при этом звуки не будут иметь носовой призвук. Если же мягкое небо опущено, то воздушная струя свободно проходит через нос, и в результате возникает носовой резонанс, характерный для носовых гласных, сонантов и согласных.

Общие акустические сведения

Звуки речи, как и всякие другие звуки, являются результатом воздействия колебательных движений воздушной среды на слуховой аппарат человека. Эти колебания возбуждаются каким-либо источником — колеблющейся струной, сильным потоком воздуха, проходящего через узкое отверстие, ударом тела о поверхность. При образовании звуков речи в качестве источников звука выступают определенные участки речевого тракта при их работе во время речи. Принято рассматривать звуки вообще и звуки речи в частности с двух сторон: во-первых, исследуют объективные свойства колебательных движений — их частоту, силу, спектральные характеристики; во-вторых, изучают те ощущения, которые так или иначе вызываются этими колебаниями в слуховой системе человека, — высоту, громкость, тембр. Закономерности восприятия звуков исследует специальная область акустики — психоакустика.

Рассмотрим основные соотношения между акустическими и психоакустическими свойствами. Частота колебательных движений определяется их числом в единицу времени: так, если колеблющееся тело совершает за секунду 100 колебательных движений, то частота получающегося при этом звука — 100 герц (герц — единица измерения частоты, названная так в честь немецкого физика, а ее сокращенное обозначение — Гц). Диапазон речевых частот, т. е. тех колебаний, которые могут быть обнаружены при анализе акустических свойств звуков речи, — от 50 до 10 000 Гц, что составляет лишь часть диапазона звуков, слышимых человеческим ухом. При восприятии частота колебания определяет высоту слышимого звука — чем выше частота колебаний, тем более высоким кажется нам звук. Однако эта связь — не линейная, так как увеличение частоты, например, в 10 раз не приводит к ощущению повышения звука тоже в 10 раз. При описании акустических характеристик частоту обычно обозначают латинской буквой f — от англ. frequency.

Сила, или интенсивность, колебательного движения зависит от амплитуды колебания. В зависимости от амплитуды изменяется воздушное давление, воздействующее на барабанную перепонку. При изучении восприятия звуков пользуются двумя основными понятиями, связанными с величиной звукового давления: порогом слышимости (критическое значение звукового давления, при котором звук еле слышен) и порогом болевого ощущения (звуковое давление, при котором возникает ощущение боли). В акустике используют логарифмические единицы, выражающие уровень силы звука по отношению к некоторым стандартным значениям: для тона 1000 Гц уровень силы звука, соответствующего порогу слышимости, равен 0, а уровень, соответствующий порогу болевого ощущения, — 130 таких единиц, называемых децибелами (от имени американского ученого Белла, сокращенное обозначение — дБ). Чувствительность уха к разным частотам различна, поэтому два звука с разной частотой будут восприниматься как равногромкие при разных уровнях звуковых давлений (например, порог слышимости тона 50 Гц лежит примерно на 52 дБ выше порога слышимости тона 1000 Гц).

Простые колебательные движения, свойства которых можно было бы описать конкретными значениями частоты и уровня воздушного давления, встречаются крайне редко. В природе вообще и в речи особенно чаще всего мы встречаемся со сложными звуками, которые являются результатом сложения нескольких простых колебательных движений. Самый простой пример образования сложного звука — это колеблющаяся струна. При ее колебании самая низкая частота характеризует колебания целой струны, в результате которых возникает основной тон. Кроме целой струны в состояние колебательных движений приходят и ее отдельные части, при этом длина такой части в целое число раз меньше длины всей струны, а частота колебания этой части выше частоты основного тона и слабее по интенсивности. Такие колебания называют обертонами, или гармониками, частоты основного тона. Голосовые связки человека мы можем уподобить такой колеблющейся струне; отсюда следует, что колебания голосовых связок представляют собой сложные колебательные процессы, где самой низкой частотой и самой большой интенсивностью характеризуется именно основной тон или основная частота, а интенсивность гармоник тем меньше, чем выше их частота.

Вторая причина возникновения сложных звуков — явление резонанса. Каждое тело характеризуется определенной частотой колебательных движений, и если на него воздействует источник, частота колебаний которого соответствует его собственной частоте, то интенсивность колебаний резко усиливается в результате возбуждения этих собственных резонансных характеристик. Так, если к колеблющейся струне поднести какой-нибудь резонатор (например, металлический полый сосуд), резонансная частота которого совпадает с частотой одной из гармоник основного тона, интенсивность этой гармоники значительно усилится, и мы услышим совсем не тот звук, который возник первоначально. Для того чтобы охарактеризовать сложный звук акустически, необходимо получить сведения о частоте и интенсивности основного тона и об относительной интенсивности всех его частотных составляющих. Такие сведения мы получаем при спектральном анализе звука. Спектр, представляющий совокупность значений амплитуд и частот составляющих звук колебаний, обычно определяет восприятие тембра звука.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: