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.