Конспект лекций

Производственный менеджмент на предприятиях почтовой связи

Конспект лекций | назад | содержание | вперед

Лекция 4. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА В СЛУХОВОЙ СИСТЕМЕ

Передача речи – это наиболее распространенная коммуникационная услуга.

Речь представляет собой колебания сложной формы, зависящей от произносимых слов, тембра голоса, интонации, пола и возраста говорящего. Спектр речи весьма широк (примерно от 50 до 10 000 Гц).

Один из распространенных способов описания речи заключается в представлении ее в виде сигнала, т.е. акустического колебания, или некоторой параметрической модели.

Речевой сигнал – электрическое колебание, наблюдаемое на выходе формирующего устройства (акустоэлектрического преобразователя) при воздействии на его вход акустического речевого колебания.

Сообщение, передаваемое с помощью РС, является дискретным, т.е. может быть представлено в виде последовательности символов из конечного их числа.

Символы, из которых состоит РС, называются фонемами.

Фонемой также называют наименьшую звуковую единицу данного языка, существующую в целом ряде конкретных звуков речи. Между буквами и фонемами одного и того же языка нет однозначной связи (буквы - это то, что мы читаем, фонемы - то, что произносим), поэтому число фонем и число букв неодинаково во всех языках. В каждом языке имеется присущее ему множество фонем, обычно от 30 до 50 (в русском языке насчитывается 42 звука речи - 6 гласных и 36 согласных).

4.1. МЕХАНИЗМ РЕЧЕОБРАЗОВАНИЯ

Речь предназначена для общения. Речевое общение начинается с того, что:

} в мозгу человека возникает в абстрактной форме некоторое сообщение.

} Сообщение сначала преобразуется в последовательности нервных импульсов, управляющих артикуляционным аппаратом человека.

} Под воздействием нервных импульсов артикуляционный аппарат приходит в движение, результатом которого является акустическое речевое колебание, несущее информацию об исходном сообщении.

Знание механизма речеобразования играет важную роль для понимания методов обработки речи.

# Рисунок 4.1 - Артикуляционный аппарат человека

# Одну из главных ролей в образовании звуков речи играют голосовые связки, расположенные в гортани. Гортань и ротовую полость называют голосовым трактом.

} В процессе разговора легкие через бронхи и трахею создают поток воздуха, поступающий через вибрирующие голосовые связки. Голосовые связки то, сжимая, то открывая голосовую щель, пропускают импульсы воздуха, частота следования которых постоянна для данного человека и равна частоте свободных колебаний голосовых связок.

} Воздушная струя проходит через систему резонаторов, которые образуются воздушными объемами полостей рта и носоглотки, видоизменяющихся в процессе произнесения различных звуков положением языка, зубов и губ.

Голосовой тракт начинается с прохода между голосовыми связками (голосовая щель) и заканчивается у губ. Общая длина голосового тракта у взрослого человека примерно 17 см. Площадь поперечного сечения голосового тракта определяется положением языка, губ, челюстей, небной занавески и может изменяться от 0 до 20 см2.

Схема речеобразования у человека представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Схема речеобразования

Наличие этой системы резонаторов обуславливает изменение гармонических составляющих: амплитуды одних усиливаются, других ослабляются. Характерные для разных звуков речи усиленные области частот называются формантами. Речь состоит из последовательности звуков с паузами между их группами.

Речь состоит из последовательности звуков с паузами между их группами. (Паузой считается отсутствие речи в течение времени, большего 350 мс. В целом средняя длительность пауз составляет приблизительно 16 % длительности речи, а средняя скорость речи 10... 15 звуков/с.) При нормальном темпе речи паузы появляются между отрывками фраз. Как правило, слова произносятся слитно, хотя слушающий воспринимает их по отдельности.

Звуки речи делятся на звонкие и глухие. При формировании звонких звуков (их называют вокализованными) голосовые связки осуществляют квазипериодические колебательные движения, в результате чего создается прерывистый поток воздуха. Период повторения этого импульсного периодического процесса называют периодом основного тона (ОТ) голоса, а обратную величину -частотой основного тона.

У мужчин среднее значение частоты ОТ составляет 120 Гц, а у женщин 220 Гц.

Периодически повторяющиеся импульсы ОТ имеют дискретный спектр с большим числом (до 40) гармоник, частоты которых кратны частоте основного тона. Медленное изменение частоты ОТ при произнесении речи создает эмоциональную окраску и называется интонацией. У каждого человека свой диапазон изменения основного тона (как правило, немного более октавы) и своя интонация. Последняя имеет большое значение для узнаваемости говорящего.

При произнесении глухих звуков (их называют невокализованными) голосовые связки находятся в расслабленном состоянии и поток воздуха из легких свободно проходит в полость рта. Встречая на своем пути различные преграды в виде языка, губ, он образует завихрения (турбулентный шумовой поток), создающие широкополосный шум со сплошным спектром.

Таким образом, при произнесении звуков речи через голосовой тракт проходит или тональный импульсный сигнал, или шумовой, или тот и другой вместе. Поскольку голосовой тракт представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансов, создаваемых полостями рта, носа и носоглотки, равномерный тональный или шумовой спектр превращается в спектр с рядом максимумов (формант) и минимумов.

4.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЧИ

Речь представляет собой колебания сложной формы, зависящей от произносимых слов, тембра голоса, интонации, пола и возраста говорящего. Основными параметрами, используемыми при описании речевого сигнала, являются:

• статистическое распределение звуков, слогов и слов при произношении речи;

• временные характеристики звуков;

• основной тон речи;

• спектр речи;

• распределение формантных частот.

Эти параметры играют важную роль при построении систем кодирования речи.

Звуки речи разделяют на гласные и согласные. В русском языке принято выделять шесть гласных звуков: а, и, о, у, ы, э. Их классифицируют по произношению (ударные, безударные) и местоположению в словах. Согласные звуки также разделяют на несколько подгрупп — твердые, мягкие и др. Гласные звуки составляют примерно 43,5 %, а согласные — 56,5 % общего числа звуков, при этом невокализованные звуки составляют 32 %.

Согласные звуки в целом делят на две группы:

} сонорные (м, н, л, р в твердой и мягкой форме);

} шумные (все остальные).

По способу образования выделяют следующие согласные звуки:

} щелевые или фрикативные (ф, с, ш, х, в, з, ж);

} аффрикаты (ц, ч);

} взрывные или смычные (п, т, к, б, г, д);

} носовые (м, н);

} ротовые или текущие (р, л).

} Важной характеристикой вокализованных звуков является частота основного тона (ОТ).

Длительность отдельных звуков речи составляет 20...350 мс. При этом гласные звуки имеют большую длительность (в среднем около 200 мс), чем согласные (около 80 мс, а звук "п" - около 30 мс). Звонкие звуки речи, особенно гласные, имеют высокий уровень интенсивности, глухие - низкий - в среднем на 20 дБ ниже уровня гласных. Динамический диапазон уровней речи находится в пределах 35...45 дБ.

У вокализованных звуков спектр является дискретным с большим числом (до 40) гармоник, которые имеют частоту, кратную частоте основного тона. Частота ОТ изменяется в пределах от 60...70 Гц для низких мужских голосов до 450...500 Гц для высоких женских голосов. Средняя частота ОТ для мужских голосов 130... 150 Гц, для женских — 250 Гц.

Пример плотности распределения вероятности частоты ОТ, представлен на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Плотность распределения вероятности частоты основного тона

Спектр речи — зависимость среднего в течение длительного времени наблюдения спектрального уровня речи от частоты Вр(f) - весьма широк (примерно от 50 до 10000 Гц). Спектр русской речи, усредненный для мужских и женских голосов, представлен на рис. Как отсюда следует, основная энергия в спектре речи сосредоточена в области низких частот. Максимальный уровень спектральной плотности речи лежит вблизи частоты 300 Гц, а наиболее «мощные» спектральные составляющие человеческого голоса сосредоточены в узкой полосе 200...600 Гц. Каждому звуку речи соответствует свое распределение энергии по частотному диапазону, называемое формантным рисунком. Формантные частоты, на которых происходит максимальное увеличение амплитуды спектральных составляющих, образуют формантные области частотного диапазона.

Спектр речи — зависимость среднего в течение длительного времени наблюдения спектрального уровня речи от частоты Вр(f) - весьма широк (примерно от 50 до 10000 Гц).

Спектральный состав звуков речи различен. Например, для гласных и звонких согласных (вокализованных звуков речи) энергетический спектр (формантный рисунок) имеет вид, представленный на рис. Звонкие звуки имеют ярко выраженный дискретный спектр. Это объясняется природой образования гласных звуков, а дискретность определяется частотой основного тона: чем меньше частота ОТ, тем чаще будет заполнение спектра звука.

Рис. 4.4. Формантный рисунок вокализованных звуков: А1-А3 - амплитуды формант; F1-F3 - частоты формант; DF1 - ширина первой форманты

Форманта характеризуется амплитудой Аi, частотой Fi, и шириной полосы DFi. Различные звуки имеют разное число формант: гласные - до четырех формант, глухие согласные до 5-6 формант. Наиболее информативны первые три форманты: F1, F2 и F3. Наиболее вероятные частоты расположения: первой форманты F1 –150 – 900 Гц; второй форманты F2 – 550 – 2800 Гц; третьей форманты F3 – 1500 – 3400 Гц. Изменение положения формант происходит с частотой 10 – 20 Гц, а их интенсивности - с частотой 20 – 40 Гц.

} Звуки речи различаются друг от друга по числу формант и их расположению в частотном спектре. Разборчивость передаваемой речи зависит от того, какая часть формант дошла до уха слушающего без искажений, а какая исказилась.

} При разговоре средней громкости суммарная действующая величина звукового давления на расстоянии 1 м от рта говорящего равна приблизительно 0,1 Н/м².

} Мощность звуковых колебаний речи весьма мала. Средняя мощность при шепоте 0,01 Вт, нормальном разговоре 10 мкВт, при крике отдельные пиковые значения составляют 5000 мкВт. Диапазон изменения мощности звуков речи выражают в логарифмическом масштабе, измеряют в децибелах и называют динамическим диапазоном речи:

} Энергетическими характеристиками звукового поля являются звуковое давление и интенсивность звука J.

} Для звукового поля с плоскими волнами акустическое сопротивление измеряется в килограммах, деленных на метр квадратный в секунду (кг/м²с), и определяется по формуле:

} Где – действующее значение акустической скорости; r – плотность воздуха; с – скорость звука.

} Поскольку по определению интенсивность звука является удельной мощностью, можно записать:

} Подставив эту формулу предыдущее выражение, получим:

} При нормальном атмосферном давлении и температуре 20° С плотность воздуха r=1,205 кг/м³ и скорость звука c=344 м/с. Для этих условий получены выражения для J и P, имеющие практическое значение:

Для расчетов и количественного анализа акустических явлений удобнее пользоваться не абсолютными характеристиками звукового поля, а их уровнями, выраженными в относительных логарифмических единицах, децибелах (дБ):

Величины и приблизительно соответствуют минимальной интенсивности j0 и минимальному звуковому давлению P0, воспринимаемыми человеческим ухом в области частоты 1000 Гц.

Вопросы для самоконтроля

1. Основные характеристикиречи.
2. Механизм речеобразования.
3. Спектральный состав звуков речи.
4. Что такое фонемы.

наверх

назад | содержание | вперед