Процесс фонации. Механизмы колебания голосовых связок.

Процесс образования звуков речи определяется движением (колебаниями) связок, что приводит к модуляции потока воздуха выдыхаемого из легких. Такой процесс называется фонацией (существуют и другие механизмы звукообразования, они будут рассмотрены дальше). Начнем с рассмотрения процесса фонации: перед началом речи голосовые складки должны быть сведены черпаловидными хрящами, что приводит к запиранию потока воздуха и возникновению избыточного подглоточного давления (происходит " предфонационная настройка"). Воздух, который выталкивается легкими из трахеи, накапливается в подскладочном пространстве, и начинает давить на них. Когда избыточное давление повышается до определенной величины, складки размыкаются и

воздух устремляется в голосовую щель. В момент максимального открытия щели скорость потока воздуха становится максимальной, давление внутри щели падает (по закону Бернулли), причем скорость протекания воздуха неодинакова – в самой узкой части голосовой щели она максимальна. Внутри голосовой щели образуется зона пониженного давления. Окружающее более высокое давление, а также собственная упругость связок заставляют складки сомкнуться. Этот процесс аналогичен возбуждению колебания тростей в деревянных духовых инструментах. Таким образом, чередование избыточного давления в подскладочном пространстве и отрицательного давления из-за эффекта Бернулли заставляет складки смыкаться-размыкаться, т.е. обеспечивает нормальный режим их колебаний (рис. 3). При этом происходит модуляция потока воздуха, который порциями (как в духовых инструментах) вталкивается в резонансные полости. Последовательность воздушных толчков, возникающих в результате колебаний голосовых связок, называется глоттальной волной, обычно она представляется в виде зависимости объемной скорости воздуха от времени. Как видно из графиков, такой сигнал представляет собой последовательность импульсов, форма которых зависит от соотношения времени открытия складок (скорость потока постепенно нарастает) и времени их закрытия (скорость быстро уменьшается). Период такой волны определяется длительностью общего цикла колебаний связок, т.е. основной частотой колебания. Амплитуда определяется максимальной скоростью потока воздуха, которая, в свою очередь, зависит от величины подскладочного избыточного давления.

Акустический речевой сигнал возникает в результате сложных координированных движений, происходящих в ряде органов, вся совокупность которых и называется речевым аппаратом (рис. 2., А).

Легкие со всей дыхательной мускулатурой обеспечивают развитие давлений и возникновение воздушных потоков в речевом тракте. Последний (рис. 2, Б, В) представляется гортанью и рядом воздушных полостей, конфигурация которых существенно изменяется в процессе речеобразования. Ведущую роль играют движения небной занавески, языка, губ и нижней челюсти. Механизмы возбуждения акустических колебаний связаны либо с работой гортани, либо с возникновением шумных или импульсных звуков при прохождении воздушного потока через сужения, образующиеся в определенных местах речевого тракта. Возбужденные акустические колебания подвергаются частотной фильтрации в воздушных полостях речевого тракта, действующих как акустические частотные фильтры. Конфигурация и объемы этих полостей в процессе речеобразования определенным образом изменяются. Соответственно этому изменяется и спектр исходных звуковых колебаний, создаваемых акустическими источниками. Образование воздушных потоков, работа механизма гортани, все движения органов, образующих речевой тракт («артикуляторов»), происходят закономерно и координировано. Благодаря этой динамически слаженной деятельности и возникают сигналы связной речи. При акустическом моделировании каждый участок РА (полость, сужение) представляется в виде секции, параметры в которой можно считать распределенными равномерно. Акустические параметры полостей РА неравномерно распределены вдоль его оси. Общая длина речевого тракта у взрослого человека (от голосовых складок до губ) около 17 см, длина носовой полости (от нёбной занавески до ноздрей) 12, 5 см, площадь переменного сечения тракта в среднем составляет примерно 5…6 см2. Простейшей моделью вокального тракта можно считать цилиндрическую трубу длиной 17 см, закрытую на одном конце (аналогично трубе кларнета). Собственные моды (формы) колебаний такой трубы показаны на рис. 4, частоты определяются из соотношений: L = λ /4; L = 3λ /4; L = 5λ /4 и т.д., таким образом частоты равны fn = (2n-1)c/4L, где n-целое число; L-длина трубы; c-скорость звука.

В спектре такой трубы присутствуют только нечетные гармоники 1: 3: 5… Для длины L = 17 см, собственные частоты оказываются равными 500, 1500, 2500 Гц. Если у трубы менять в разных точках площадь поперечного сечения, то положение ее собственных частот будет смещаться. Совершенно аналогичные процессы происходят в вокальном тракте: в нем также имеется свой набор собственных частот с соответствующими модами колебаний, т.е. определенным распределением узлов и

пучностей вдоль его длины. Меняя площадь поперечного сечения в вокальном тракте, можно также все время менять положение собственных частот. Если на вход такой трубы (системы труб) подать сигнал, сформированный при колебаниях голосовых связок (рис. 4), то на выходе можно записать сигнал, спектр которого будет иметь форму, показанную на рис. 5, т.е. гармоники, совпадающие с собственными частотами тракта, будут усилены за счет резонансов.

3.3 Частота основного тона голоса. Пределы изменений.

Особую роль выполняет фундаментальная частота: в речевом потоке она определяет высоту голоса. ее изменение используется также для изменения интонации. логических ударений, а иногда и смысла слов (например. в тональных языках. таких как китайский). В обычной речи частота основного тона меняется в пределах менее одной октавы. при пении эта частота монет изменяться в широких пределах (более двух октав - хотя известны уникальные певцы c возможностью изменения высоты основного тона до четырех октав).

Фундаментальная частота (частота основного тона), т. е. число колебаний голосовых связок в секунду, зависит от их длины, массы и натяжения. Приближенно эту связь можно представить как для струны (хотя связки больше похожи на резиновые шнуры) в виде:

Таким образом, чем длиннее и тяжелее связки (это их врожденное свойство), тем ниже основной тон голоса; чем они короче и тоньше, тем основная частота голоса выше. В соответствии с парингопогическими критериями тип полоса соотносится с длиной связок следующим образом: у басов - 25 мм. у теноров 19-22 мм, у сопрано - 15-18 мм [90]. Масса зависит от длины, толщины и плотности связок; в процессе речи и пения их толщина и плотность могут значительно меняться за счет натяжения.

Натяжение используется для повышения высоты голоса и может осуществляться за счет напряжения внутренних вокальных мускулов (в основном при речи) и поворота основных хрящей (щитовидного и перстневидного) относительно друг друга (в основном при пении). Поскольку при увеличении громкости голоса растет подсвязочное давление (а оно также оказывает некоторое влияние на натяжение связок - мускулы рефлекторно напрягаются),

то обычно при повышении громкости речи растет и высота тона (например, при крике). Только тренированные ораторы и певцы могут удерживать высоту тона при увеличении громкости в известных пределах (что требует специального обучения).

Таким образом, при образовании звуков речи с помощью процесса фонации (т. е. колебаний голосовых связок) формируется звуковой сигнал за), который затем трансформируется в голосовом тракте, где он превращается из «исходного» материала в последовательность речевых акустических сигналов (другие способы создания источников звука будут рас-

смотрены ниже).

3.6 Резонаторы голосового тракта. Форманты. Артикуляция

Функцию резонатора выполняет вокальный тракт: он усиливает и фильтрует входной сигнал (аналогично трубам духовых инструментов). Форма труб вокального

тракта показана на рис. 4.6.2. Тракт состоит из трех основных резонансных полостей: глотки (7), ротовой полости (1). носовой полости (6). Схематически его вид показан на рис. 4.6.8.

Отличия такой системы резонаторов от любых труб в музыкальных инструментах заключаются в следующем:

- сложная геометрическая форма: вокальный тракт можно рассматривать как трубу переменного сечения с подключением параллельной трубы (носовой полости. которая может подключаться при опускании заднего мягкого язычка);

- возможность быстрой перестройки формы труб площади их поперечного сечения. плотности и жесткости стенок за счет изменения положения языка, мягкого язычка, губ, зубов, расширения глотки, опускания гортани и др.

Возможности перестройки параметров вокального тракта огромны и присущи только человеку, что и позволяет ему произносить все многообразие звуков речи. Этот процесс перестройки называется артикуляцией. Каждому звуку речи соответствует либо определенное статическое положение. либо определенная динамика изменения положения языка. челюстей. губ. нёбной занавески, т. е. определенная артикуляция [109].

Общая длина речевого тракта у взрослого человека (от голосовых связок до губ) находится в пределах от 160 до 250 мм, длина носовой полости - 125 мм (от небной занавески до ноздрей), площадь переменного сечения тракта в среднем составляет примерно 500-600 мм2 [90. 100].

Простейшей моделью вокального тракта можно считать цилиндрическую трубу, например длиной 170 мм, закрытую на одном конце (аналогично трубе кларнета). Собственные моды (формы) колебаний такой трубы показаны на рис. 4.6.9. Частоты

В спектре такой трубы присутствуют только нечетные гармоники 1: 3: 5... Для длины L = 170 мм собственные частоты оказываются равными 500 Гц, 1500 Гц, 2500 Гц. Если у трубы менять в разных точках площадь поперечного сечения, то положение ее собственных частот будет смещаться.

Совершенно аналогичные процессы происходят в вокальном тракте (рис. 4.6.9): в нем также имеется свой набор собственных частот с соответствующими модами колебаний, т. е. определенным распределением узлов и пучностей вдоль его длины. Меняя площадь поперечного сечения в вокальном тракте, можно также менять положение собственных частот.

Если на вход такой трубы (системы труб) подать сигнал, сформированный при колебаниях голосовых связок 5(1) (рис. 4.6.7), то на выходе можно записать сигнал, который будет иметь форму, показанную на рис. 4.6.10, т. е. гармоники, совпадающие с собственными частотами вокального тракта, будут усилены за счет его резонансов.

Области спектральных максимумов. соответствующие резонансным частотам вокального тракта. называются формантами (иногда их просто называют резонансами вокального тракта). Каждому звуку речи (простейший звук речи называется фонемой) соответствует своя форма вокального тракта. которая варьируется за счет изменения положения языка, губ, зубов и т. д. и свое положение формант на частотной шкале (F=картина). Примеры показаны на

рис. 4.6.10.

Существуют некоторые общие закономерности в управлении расположением собственных частот труб-резонаторов. Если поперечное сечение трубы уменьшается в области, где форма колебаний (мода), соответствующая данной резонансной частоте (форманте), имеет максимум давления, то частота увеличивается; если в точке, где минимум давления, то частота уменьшается. Изучение движения артикуляционных органов во время речи с помощью рентгенографических съемок показало, что аналогичные закономерности имеют место и в вокальном тракте: при подъеме языка вперед и вверх сужается передняя часть ротовой полости, при этом понижается первая форманта (F₁) и повышается вторая (F₂). При сдвиге языка назад сужается поперечное сечение тракта в области глотки; при этом повышается F₁ и понижается F_{2 и} т. д. [100. 105]. При сдвиге формант происходят по определенным закономерностям изменения в соотношении их амплитуд, что приводит к изменению формы огибающей. Все эти признаки - расположение формант на частотной шкале и соотношение их амплитуд - и являются отличительными акустическими признаками гласных звуков речи.

При беглой речи происходит настолько быстрая перестройка позиции артикуляционных органов (языка, губ и др.), что часто имеет место наложение позиции. соответствующей одному звуку, на позицию другого, обычно гласного на соседний согласный, такое явление называется коартикуляцией и очень осложняет восприятие и распознавание речи.

Таким образом, вольные тракт действует на звуковой сигнал источника как параметрический эквалайзер, при этом существенное значение имеют частоты резонансов, соотношения их амплитуд и ширина резонансных пиков (их добротность). Примерные частотные области расположения первых трех формант для гласных русского языка даны в табл.

Распознавание каждой фонемы происходит в основном по положению первых двух формант

(F1 и F2), более высокие форманты определяют тембральные различия (для пения чрезвычайно существенное значение имеет третья формантная область - «певческая форманта»). Частотное расположение формант для гласных английского языка показано на рис. 4.6.11.

Если подходить к процессу образования звуков речи с помощью фонации в терминах передаточных функций (передаточная функция есть отношение выходного сигнала к входному сигналу), то этот процесс может быть описан следующим образом:

3.8 Механизмы образования согласных звуков.

3.7 Классификация звуков речи

В основе классификации всех звуков речи. участвующих в различении слов, лежит классификация Международной фонетической ассоциации (МФА), основанная на артикуляционных признаках. Однако, поскольку все звуки, с одной стороны, представляют

собой сложные артикуляционные жесты органов речи, а с другой являются акустическими сигналами. восприятие которых создает сложные слуховые образы, существуют классификации. основанные на акустических признаках. Признаки. используемые в классификации МФА, делятся на группы в зависимости от того, какой из

перечисленных ниже процессов они описывают [109]: - способы формирования воздушного потока - тип генерации (инициации); - способы участия голосовых связок в образовании звука

тип фонации; - способы формирования структуры вокального тракта - тип

артикуляции.

Все звуки речи можно разделить на две большие группы: гласные и согласные, существенно отличающихся друг от друга по всем вышеперечисленным признакам.

Как уже было отмечено выше, несмотря на разницу в произношении, существует некоторый типизированный простейший звук речи, называемый фонемой. Фонема - это лингвистическая

единица речи. Непрерывная картина речи сводится к последовательности произношения во времени отдельных фонем и их акустического окружения. В русском языке используется 42 фонемы, из них 6 гласных, 36 согласных; в то же время, например, в английском языке 44 фонемы. из них 20 гласных (12 чистых гласных и 8 дифтонгов). 24 согласных [109. 110. 120]. B русском языке соотношение гласных и согласных звуков примерно 1: 6; в то же время в английском это соотношение 5: 6. в немецком и французском 3: 4 и т. д., то есть в русском языке имеется существенное преобладание согласных звуков (хотя в ряде дагестанских языков это соотношение еще больше - например, в армянском языке 1: 12). Поскольку согласные звуки несут в основном смысловую нагрузку в тексте речи, а гласные прежде всего эмоциональную нагрузку, то разное количественное сочетание этих звуков в разных языках определяет различие в избыточности речи и разные требования к их обработке в каналах звукопередачи и звукозаписи.

Классификация гласных: при образовании гласных звуков всегда используется один способ формирования воздушного потока (генерации или инициации) - модуляция потока воздуха за счет колебаний голосовых связок (фонация), поэтому этот признак не может использоваться для их классификации.

В основе классификации гласных лежит такой признак как тип артикуляции, который в свою очередь включает в себя два основных параметра: - подъем тела языка относительно твердого неба – верхний, средний и нижний. Этот признак тесно связан с положением первой форманты F1 - чем выше подъем языка (больше закрытость гласного), тем ниже частота первой форманты; - ряд - положение тела языка относительно границ ротовой полости, в качестве точки отсчета выбираются губы (передний; средний или центральный; задний). Этот признак связан, прежде всего, с частотой второй форманты F2 - чем более передней, является артикуляция гласного, тем выше частота второй форманты. Существует система стандартных (кардинальных) гласных, которые по этим признакам могут быть представлены в виде таблицы 4.6.2 [109].

По ряду гласные русскою языка делятся на три группы: передние (и. в); средние (ы. е) и задние (у. 0). По степени подъема языка - также на три группы: верхние (и, ы. y). средние (е. о) и нижние (а).

В разговорной и вокальной речи используется дополнительная тембровая окраска гласных, которая требует сложной вокальной артикуляции с дополнительными движениями, модифицирующими свойства вокального тракта, - для их учета вводятся следующие

классификационные признаки: - огубление - такое движение удлиняет речевой тракт и снижает первую и вторую форманту, такие гласные называются лабиализованными». Например, в русском языке тесные (о. у); - ширина глотки - расширение глотки достигается сдвигом корня языка вперед. это усиливает третью и четвертую форманту и делает гласные более яркими, что используется в вокальной речи (пении). Обратное движение языка делает глотку более узкой и создает приглушенный тембр; - назализация - свободный проход воздуха как через ротовую, так и через носовую полость. при этом появляются носовые форманты, ослабляются ротовые. изменяется тембр гласного звука. В русском языке назализация гласных используется редко (в отличие от французского); - ретрофлексность - загнутостъ кончика языка вверх у альвеол, например в американском произношении слов sir. bird. При этом третья форманта снижается в область 1.5-2 кГц – туда, где обычно располагается вторая форманта.

Наконец, при создании гласных могут использоваться такие признаки как:

- долгота - в русском языке она не несет смыслового различия, a в других языках, например английском, это существенный различительный признак (bit lil - кусочек. beat lizl - бить);

- напряженность - этот различительный признак также используется в ряде языков (например, в англ. pot - горшок, part часть), ненапряженные гласные отличаются меньшей длительностью и интенсивностью, некоторым изменением в артикуляции.

Кроме чистых гласных во многих языках используются сложные гласные. в которых происходит плавный переход от одного типа артикуляции к другому. Если в этом участвуют два гласных, то такой звук называется дифтонгом. Например. в русском языке: я [иа], ю [иу]. в английском языке: date [ei]. те [ai]. now [au] и др.Существуют сочетания, где используются три звука - трифтонги: hour [aue]. Поскольку в английском языке гласные различаются. Кроме подъема и ряда. по долготе и степени напряженности, то их классификация значительно сложнее. Примеры расположения органов артикуляции и соответствующие им форманты для некоторых гласных показаны на рис. 4.6.17.

Классификация согласных: артикуляция согласных звуков связана с созданием препятствия на пути воздушного потока в различных частях голосового тракта; кроме того при их образовании используются все три типа генерации (инициации) звука фонация, турбулентный шум и звуковой импульс (взрыв) и их все возможные сочетания, поэтому классификация согласных осуществляется по всем вышеперечисленным критериям.

По типам генерации и фонации: основной способ создания воздушного потока у большинства согласных – легочный выдыхательный механизм (как и у гласных).

Модуляция воздушного потока может происходить с участием или без участия голосовых связок (т.е.) фонации. Для учета различий по способам фонации вводятся следующие признаки [109. 110]:

- отсутствие/наличие голоса (глухие/звонкие согласные). например 6- п, 6 - т и т. д.;

- тип фонации (придыхательный/нейтральный/скрипучий): аспирация (аспирированный/неаспирированный отступ), под отступом понимается разница во времени между размыканием шумообразующей преграды и началом колебаний связок для последующего гласного, - если имеется между этими действиями разница во времени, то возникает аспиративный шум (как легкий выдох), например h.

По типам артикуляции: при классификации по этим способам используются такие признаки как способ образования преграды и место ее образования. Способ образования преграды - Здесь учитывается степень препятствия и способ прохождения воздуха через нее в речевом

тракте. По этому признаку согласные делятся на следующие группы: шумовые (фрикативные и аспираторные), смычные (взрывные и носовые), аппроксиманты (плавные согласные и попугласныв), аффрикаты.

Шумовые согласные образуются при создании в тракте значительного сужения. приводящего к возникновению турбулентного шума. Они могут быть глухими и звонкими (з - о. ж - ш и др.).

В зависимости от того. образуется ли эта преграда в голосовом тракте или в гортани, шумовые согласные делятся на фрикативные и аспираторные.

Смычные согласные характеризуются полным замыканием воздушного прохода в гортанно-речевой части тракта. Они образуются c участием или без участия голосовых связок и также разделяются на звонкие/глухие, например 6 - п. О - т. Кроме того, они могут подразделяться по признаку назальности (наличие/отсутствие прохода в носовую полость). По этому признаку различаются носовые смычные согласные. например м, н; ротовые смычные (взрывные) - п, 6. т. д. к. г.

Аппроксиманты (плавные согласные и полугласные) образуются. когда сужение для прохода воздушной струи меньше. чем у гласного звука, но больше. чем требуется для образования турбулентного шума. В эту группу входят русские звуки - п. р. й. английские - w, r. j.

Аффрикаты образуются при сочетании двух способов организации прохождения воздушной струи, т. е. когда происходит постепенный переход от полной смычки к постепенному образованию узкой щели: например ц. ч. английское ltIl(church).

Классификация русских согласных по способу образования

преграды дана в таблице 4.6.3.