Характеристики безперервних джерел та одержувачів повідомлень

Джерелом безперервних повідомлень є голосовий апарат людини, а мова вважається самим повідомленням. Одержувачем мовного повідомлення є слуховий апарат людини. Системи зв’язку, в яких використовуються мовні повідомлення, ще називають телефонними системами.

Характерною особливістю систем передачі мовних повідомлень вважають наявність у них акустичних елементів (голосовий та слуховий апарати людини, мікрофон та телефон).

Розглянемо основні характеристики джерела звуків та слуху. Складовими елементами мовних повідомлень є слова та фрази. Слова, в свою чергу, складаються з більш простих елементів мови – складів та звуків, характерних для тієї чи іншої мови. Точного визначення терміна „звук мови” не існує. Його можна порівняти з великою літерою. Залежно від мови, місця наголосу кожний звук може мати різні відтінки. Так, нараховується декілька тисяч звуків, які відрізняються за суб’єктивним сприйняттям один від одного. Проте, все ж вдається класифікувати всі звуки та їх варіанти. А якщо ще й виділити типові ознаки звуків, то їх кількість вдається скоротити до 40...42. Такі типізовані звуки мови носять назву фонем. Кожна фонема має свої характерні ознаки, які легко розрізнити на слух. Але під час навіть найточнішого наголосу її в послідовній мові внаслідок впливу сусідніх звуків вона може набувати тих чи інших відтінків. Це будуть варіанти фонеми за місцем у слові або так звані фоноїди. [1]

Структура звуку досить складна та характеризується цілою низкою складових звукових частот. При цьому розрізняють голосні та приголосні звуки.

Спектр голосних звуків має дискретний характер і складається з основного тону та його гармонік. Математичне очікування частоти основного тону для чоловічого голосу складає 120 Гц, а для жіночого – 240 Гц. Під час промови повідомлень різними особами відбувається зміна частоти основного тону навколо математичного очікування, що й визначає особу, яка веде розмову. Таким чином, кожна людина розмовляє з характерною для неї частотою основного тону та похідною .

Для глухих приголосних та мови пошепки характерний суцільний спектр звуків. Частотні спектри дзвінких приголосних звуків мають комбінований дискретний та суцільний вигляди.

Типова осцилограма голосного звуку показана на рис.1.2.

Рис.1.2. Осцилограма голосного звуку

В спектрі звуків утворюються області концентрації енергії, які носять назву формант. Іншими словами, формантою називають групу суміжних частотних складових спектра звуку, рівні яких більші, ніж у сусідніх складових. Для голосних звуків характерно до трьох яскраво виражених формант, які знаходяться в діапазонах: 300...1000 Гц (це перша форманта), 1000...2000 Гц (друга форманта) та 2000...3500 Гц (третя форманта) (рис. 1.3). Глухі приголосні мають лише одну форманту з досить розмитим екстремумом у діапазоні частот понад 1200 Гц. Слід зазначити, що кожній фонемі відповідає свій формантний рисунок. Це означає, що мозок людини аналізує розташування формант та їхню інтенсивність, отримує інформацію з мовного повідомлення.

Рис.1.3. Спектр голосного звуку

Так звані вибухові звуки (п, к, т) не мають особистого формантного рисунку, а являють собою ту чи іншу зміну попередніх та наступних звуків.

Таким чином, діапазон частот, в якому розташовані форманти, які несуть інформацію про звуки, що промовляються, досить вузький. Він складає від 300 до 3500 Гц і носить назву телефонного каналу. Хоч під час розмови утворюються звуки в смузі частот від 100 до 9000 Гц, з точки зору отримання інформації немає ніякого сенсу робити телефонний канал ширше від 300....3500 Гц.

Все це стосується професійних систем зв’язку. В системах же радіомовлення та телебачення намагаються передати всі частоти, які утворюються під час розмови, співу, музичного супроводження тощо.

У професійному зв’язку завжди визначають темп мови, він складає близько 10 . У разі такого темпу (швидкості проголошення фонем) інтервал існування звуків складає 20...300 мс, при цьому у голосних він більший, ніж у приголосних. Найкоротші звуки – це вибухові, вони звучать 20...30 мс.

Під час розмови утворюється звукова хвиля, яка зумовлює відповідний звуковий тиск. Його позначають літерою Р та вимірюють у паскалях (Па). Відчуття гучності пов’язано з силоюзвуку, яку позначають літерою І та вимірюють у . Сила звуку еквівалентна потужності, а звуковий тиск – напрузі електричних коливань, тому можна записати, що .

Рівень інтенсивності звуків мови (N) вимірюють у децибелах (дБ). При цьому за одиницю, з якою порівнюють звукові коливання, приймають мінімальну силу звукових коливань, що відчуває вухо людини з середнім слухом. Ця сила на середніх частотах (600...800) Гц дорівнює або Па [1].

Тоді рівень будь-якого звукового коливання силою І та звуковим тиском Р буде дорівнювати:

.

Діапазон зміни рівнів звуків мови називають динамічним діапазоном мови. Вухо людини не відчуває звуків нижче 0 дБ, а поріг відчуття болю лежить у межах 120...125 дБ.

Рівні чутності звуків виражають у фонах та позначають літерою L. Рівень чутності L визначає число децибел рівня тону з частотою 1000 Гц, який рівнозначний зі звуком, що досліджується. Він також залежить від частоти (рис. 1.4). Виміри рівня чутності виконують за допомогою шумоміра.

Рівень різних частотних складових мови неоднаковий. Залежність усереднених за великий термін часу рівнів мови від частоти називають спектром мови. На рис. 1.5 наведено спектр української мови, звідки видно, що найбільші рівні мають складові мови в діапазоні 200...600 Гц, і тут зосереджена основна частка енергії мови.

Цікавою особливістю спектра мови є те, що в цьому частотному діапазоні можна отримати тільки інформацію про частоту основного тону та про першу форманту. Тому, у разі аналізу слухового апарату людини слід звернути увагу на те, яким чином компенсується такий невдалий розподіл енергії в спектрі мови.

Рис.1.4. Залежність гучності від частоти

Рис.1.5. Спектр української мови

Досить часто в літературі доводиться зустрічатися з такими термінами, як пікфактор та рівень спектра звука. Під пікфактором мови (Пр) розуміють відношення пікового тиску до середнього ефективного: .

Рівень спектра звуку (В) є тим же рівнем інтенсивності звуку, приведеним до 1 Гц:

,

де – значення еквівалентної смуги частот, в якій вимірювали рівень інтенсивності.

Для пояснення процесу слухового сприйняття мови користуються так званою резонансною теорією слуху. Відповідно до цієї теорії модель вуха уявляють у вигляді набору резонаторів, які настроєні на різні частоти та мають смугу пропускання, що звуться критичними смугами слуху для тієї чи іншої частоти. Вухо здатне інтегрувати частотні складові звукового спектра, які знаходяться у межах критичної смуги. Критична смуга слуху залежить від частоти (рис. 1.6).

Рис 1.6. Залежність критичної смуги слуху від частоти

Існує деякий мінімальний рівень звуку, який сприймається вухом. Він зветься порогом чутливості, а також є функцією частоти. Так, звуки на різних частотах вухо людини починає чути з неоднаковим рівнем.

На рис.1.7 показано залежність порога чутливості від частоти. З рис. 1.7 видно, що звуки з частотою 200 Гц починають бути чутними при рівні інтенсивності 30 дБ. В той же час для звуків на частоті 3000 Гц досить навіть 0 дБ, щоб бути почутими вухом людини.

Рис. 1.7. Залежність порога чутливості від частоти

Таким чином, вухо людини, немовби, компенсує недоліки розподілу енергії в спектрі мови. Тобто звуки мови, які мають багато енергії, починають бути чутними при високому рівні інтенсивності (звуки в смузі 200...600 Гц), а звуки з малою енергією – відповідно чутні з низьким рівнем (звуки в смузі від 1000 до 4000 Гц).

Зрозуміло, що поріг чутності в тиші відрізняється від порога під час дії шуму на відповідний рівень інтенсивності шуму, який оцінюють як .

Слід відзначити, що шум стає відчутним, коли його рівень перевищує 80 дБ. Рівень шуму в 90 дБ потребує вести розмову з напругою, а при рівні в 115 дБ розмова взагалі не можлива.