Динамические спектры речевых сигналов - Деркач М.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
Формирование целого ряда звуков речи обусловлено одновременным действием двух источников сразу, например, голосового и шумового, голосового и импульсного и т. п.
1.2. ЭЛЕМЕНТЫ АКУСТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ РЕЧЕОБРАЗОВАНИЯ
С точки зрения акустики речевой сигнал Р(/) представляет собой произведение передаточной функции речевого тракта Т($) на спектр источника 5 (/) [28, 29]:
Передаточная функция речевого тракта представляет собой систему резонансов и антирезонансов, обусловленную артикуля-торной конфигурацией речевого тракта в каждый данный момент времени. В силу этого образование в процессе речевой деятельности тех или иных звуков речи сводится, в сущности, к процессу частичной фильтрации сигнала, генерируемого источником.
Рассмотрим рис. 1.2.1, на котором изображено образование гласного звука, близкого по спектру к звуку а. На верхней левой части рисунка видно, как гортань генерирует акустические импульсы с интервалами между соседними импульсами, равными Т0.
(1.2.1)
10
59
Импулош голосовых связок
Излучаемым сиг на/г
^* О
Спектр источника
Ж)
І І і
Ларок терис тика пере&оющего тракта
Спектр излучаемого звука
2 0 1
Частота в кгц
Рис. 1.2.1. Схема образования вокализованных звуков речи как результата передачи спектра источника через фильтровую систему [29]. Периодическая зависимость от времени изменений воздушного потока через голосовую щель с периодом Го преобразуется в спектр гармоник 5(7,), который после умножения на характеристику передаточной функции Т(ї) дает спектр Р(ї) произносимого гласного. Этот же звук может быть представлен и как функция времени (осциллограмма), которая показана вверху справа.
Будем считать, что имеем дело со стационарным звуком, произнесенным протяжно, и с установившимися во времени акустическими характеристиками. Такой стационарный периодический сигнал в частотном представлении имеет гармонический спектр (левая нижняя часть рисунка). Он характеризуется частотой основного тона /""о, причем исходный спектр импульсов гортани имеет наклонную форму, где амплитуда каждой следующей гармоники уменьшается примерно на 6 дБ на октаву.
Передаточная функция речевого тракта 7"(/) показана посредине нижней части рисунка, которая воспроизводит характеристику фильтрующей системы, соответствующую произнесению гласного звука а. Процесс частотной фильтрации состоит в том, что амплитуда каждой из гармоник источника 5(/) на соответствующей частоте / умножается на значение передаточной функции тракта 7"(/) на этой частоте, как это показано в правой нижней части рисунка.
Как известно, интенсивность / и амплитуду А акустического сигнала принято выражать в логарифмическом масштабе, пользуясь шкалой децибел. В таких случаях можно говорить об уровне звука Ь. Связь между уровнем Ь звукового сигнала, его интенсивностью / и амплитудой А устанавливается соотношением:
1=101д///о=201дЛ/А,. (1.2.2)
В качестве опорной амплитуды А0 обычно берется акустический стандарт амплитуды порога слышимости, имеющий значение
11
0,0002 дин/см2 хотя А0 может устанавливаться исходя из конкретных требований *.
Путем логарифмирования выражения (1.2.1) приходим к аддитивной записи спектрального уровня звука ?(/) на частоте / в децибелах:
!(/) =20 1ёЯ(/) =20 1ш 5(/) +20 1ё Г(/). (1.2.3)
Таким образом, спектральный уровень звука на каждой данной частоте представляет собой сумму уровня сигнала источника на этой частоте и передаточной функции в децибелах.
Определение значений передаточной функции тракта 7"(/) на нужной частоте в каждый момент времени является весьма сложной задачей. Одним из первых, кто решил ее в классическом виде, был Г. Фант [28]. Как отметил он, передаточная функция тракта практически полностью определяется формой полостей, которую можно представить как некоторую площадь А для каждого поперечного сечения вдоль оси речевого тракта X от голосовых связок до губ. Указанная функция площади А(Х), которая меняется вдоль координатной оси речевого тракта, естественно, зависит от положения артикуляционных органов в момент произнесения того или иного звука. Чтобы получить информацию, необходимую для определения передаточной функции речевого тракта, важно иметь методы описания площади поперечного сечения А (X) в любой точке или же в точках повышенной информативности на протяжении всей длины речевого тракта. Эти данные можно получить путем рентгенографического изучения речевого тракта в процессе артикуляции разных звуков, звукосочетаний и слов, после чего производятся соответствующие вычисления на моделях разной степени сложности.
Процесс получения по рентгенограмме функции площади А(Х), необходимой для вычислений, отображен на рис. 1.2.2 для этого же гласного. Первым шагом в исследовании является тщательная оценка формы и площади поперечных сечений речевого тракта для ряда точек вдоль осевой линии. Эти точки показаны слева сверху на профиле артикуляции звука ы. Как указывает Г. Фант, определение площади производится на основе всех данных, которые могут быть для этого использованы, включая зубные слепки и фронтальные рентгенограммы глотки. Эти определения дают отправные точки для построения функции площадей, которые показаны на рисунке справа для соответствующих точек. После этого находятся промежуточные значения по медиальной рентгенограмме с учетом условий непрерывности. Полученная функция (центральная часть рисунка), наконец, преобразуется в ступенчатую (нижняя часть рисунка), необходимую для проведения количественных расчетов [28].
