Физиология восприятия речевых сигналов 2. 3. 1. Акустика речи

Речевые сигналы — это совокупность элементов акустической энергии с быстро меняющимися амплитудами и частотами.

Особенности звуков речи определяются различием их акусти­ческих свойств: высоты, силы, тембра и длительности. Волновой сигнал гласных звуков более прост по сравнению с волновой фор­мой согласного звука, так как обладает значительной степенью периодичности. С точки зрения акустики гласные звуки отличают­ся от согласных подобно тому, как чистые тональные сигналы отличаются от сложных звуков.

Спектры гласных звуков неравномерны и, как правило, имеют подъемы, которые называются формантами. Так, звуки у и ы ха­рактеризуются низкими формантами — от 200 до 600 Гц. Звук а независимо от того, голосом какой высоты он произнесен, обла­дает своеобразной формантой в области от 1000 до 1400 Гц. Спек­тры согласных звуков имеют более сложные акустические харак-

теристики. Наряду с периодическими колебаниями звонким со­гласным свойственны непериодические колебания высокой час­тоты. Для других согласных (п, ш и др.) характерны только непе­риодические колебания различной частоты.

Основная частота голоса Р₀ определяет частоту следования импульсов, генерируемых голосовыми связками. В среднем для мужского голоса Р₀ = 120 Гц, для женского — 140 — 150 Гц. Пер­вая и вторая форманты речи соответственно обозначаются как Р_{ и Р₂. Они определяют область частот, на которых в спектре рече­вых звуков обнаруживаются максимумы.

Чтобы звуковые колебания могли стать средством общения меж­ду людьми, они должны как-то отличаться и состоять из каких-либо отдельных звуковых единиц. Согласно современной теории речеобразования и восприятия речи, такими звуковыми единица­ми являются фонемы (Л. А. Чистович, 1976). Последовательность фонем образует слово, а последовательность слов — сообщение. Изменение порядка следования фонем или их числа приводит к изменению слова.

4000, зооо 2500 ^2000

Для каждого языка характерно определенное число звуковых единиц. Так, в русском языке имеется 35 согласных и 6 гласных фонем, в немецком — 24 согласные и 15 гласных фонем, в англий­ском насчитывается 33 согласных дифтонга и 12 гласных фонем. Каждая фонема имеет свой спектр, в котором форманты рас­полагаются в определенном диапазоне частот. При этом, несмот­ря на наличие межиндивидуальных различий в спектральной кар­тине отдельных звуков речи, произнесенных женщиной, мужчи­ной или ребенком, частотные и амплитудные соотношения меж­ду отдельными формантами, их длительность и характер измене­ний практически остаются ста­бильными. Именно поэтому звуки речи относительно легко распо­знаются человеком. Максимальное число формант в спектре речи мо­жет достигать семи, однако для распознавания отдельных фонем наиболее важными являются толь­ко первая, вторая и третья фор­манты.

О 200 400 600 8001000 1100 1400 Частота, Гц

Рис. 20. Частотные области пер­вой и второй формант гласных звуков английского языка (по О. Е. Ре1ег8оп, Н.Вагпеу)

Рисунок 20 иллюстрирует соот­ношение частот первой и второй формант для гласных фонем анг­лийской речи. Первая форманта обычно находится в диапазоне ча-? стот от 300 до 1200 Гц, а вторая — в диапазоне частот 800 — 3000 Гц.

Спектр согласных фрикативных звуков напоминает всплески «белого шума». Взрывные согласные очень неустойчивы по приро­де и представляют собой прерывистые изменения акустической волны. При этом их спектр распространяется преимущественно на область высоких частот.

Спектр звуков не остается постоянным, а изменяется во вре­мени и зависит не только от самой фонемы, но и от того, какая фонема ей предшествует или следует за нею. В этой связи наиболь­шим изменениям подвержены спектры согласных. Указанное вли­яние одних фонем на другие, по-видимому, имеет важное ин­формационное значение при распознавании звуков речи (Л. П. Пав­лова). Отдельные фонемы отличаются по длительности, причем у гласных она большая, чем у согласных. Длительность фонем так же, как и их спектр, изменяется в зависимости от соседствующих звуков (О. Е. Ре1егзоп, I. Ье1ш1:е).