Теоретические сведения

# Лабораторная работа №1

# Исследование речевого сигнала с помощью программы Sound Forge 7.0

#
Теоретические сведения

Основы речеобразования
Речевой сигнал и его основные характеристики
Обработка речевых сигналов для передачи по каналам связи
Классификация музыкальных звуков

Бурный прогресс технологии производства элементов полупроводниковой микросхемотехники, необходимых для изготовления надёжных и гибких устройств связи, открыл реальные возможности технической реализации накопленных идей, но, как и следовало ожидать, выдвинул новые задачи по созданию эффективных методов цифровой обработки сигналов.

В данном электронном учебнике с целью изучения современных методов цифровой обработки речевых сигналов изложены основы речеобразования, характеристики речевых сигналов, способы обработки речевых сигналов для передачи по каналам связи.

## ОСНОВЫ РЕЧЕОБРАЗОВАНИЯ

Источником акустической речевой волны является артикуляционный аппарат диктора. Он состоит из следующих физиологических органов: бронхов, лёгких, диафрагмы, трахеи, голосовых связок, гортани, нёбной занавески, языка, ротовой и носовой полостей. При произнесении звуков речи поток воздуха нагнетается из лёгких, проталкивается через трахею, гортань, полости рта и носа и затем излучается через губы и ноздри.

Одну из главных ролей в образовании звуков речи играют голосовые связки, расположенные в гортани. При обычном дыхании голосовые связки разомкнуты и голосовая щель - проход между связками широко раскрыта. При произнесении гласных и звонких согласных звуков связки находятся в сомкнутом исходном состоянии и размыкаются под воздействием давления нагнетаемого из лёгких воздуха, который прорываясь через голосовую щель, раздвигает связки в поперечном напралении. Под воздействием суживающих щель мышц, а также в силу своей упругости и гидродинамического эффекта Бернулли, связки вновь возвращаются в сомкнутое положение и далее цикл повторяется. В результате этих колебаний акустическая волна, проходящая через голосовую щель, приобретает импульсный характер и затем поступает в глотку, ротовую и носовую полости. Гортань и ротовую полость называют голосовым трактом. Конфигурация последнего в процессе произнесения звуков речи изменяется во времени. Эти изменения воздействуют на проходящую через тракт акустическую волну. При образовании носовых звуков к голосовому тракту через нёбную занавеску подключается носовая полость.

Изменения конфигурации голосового тракта и колебания голосовых связок взаимосвязаны так, что вся речеобразующая система функционирует как единый сложный объект. Одна группа органов - зубы, твёрдое нёбо, задняя стенка глотки и носовой полости - участвует в артикуляции пассивно, так как остаётся неподвижной, другая группа - нижняя челюсть, губы, язык, мягкое нёбо, нёбная занавеска, голосовые связки - является активной, так как осуществляет при артикуляции упорядоченные движения.

Изменение конфигурации тракта вдоль его продольной оси и во времени описывают функцией площади поперечного сечения. В акустике голосовой тракт рассматривают как систему резонаторов, характеристики которых медленно изменяются во времени. Частоты в области резонансов называют соответственноо формантными частотами и областями.Часто для краткости пользуются термином форманта.

При прохождении через речеобразующую систему в воздушном потоке могут возникать турбулентности. Так происходит, например при обтекании потоком различных препятствий, которые создаются активной группой органов. Турбулентности могут возникать и в свободно распространяющемся потоке, если скорость частиц потока превышает некоторую критическую скорость, и порождают случайные (шумовые) составляющие акустического колебания.

Звуки, при формировании которых голосовые связки осуществляют колебательные движения, называют вокализованными. Все остальные звуки можно отнести к невокализованным. Более точно: среди последних различают фрикативные звуки, возникающие при образовании турбулентного широкополосного шума, и взрывные звуки, формируемые путём создания в тракте смычки с последующим внезапным высвобождением сжатого в области за смычкой воздуха.

## РЕЧЕВОЙ СИГНАЛ И ЕГО ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Произносительный аппарат человека является весьма сложной и довольно совершенной акустической системой, возникшей в итоге длительной биологической эволюции. Источниками возникновения речевых звуков в артикуляторном тракте человека являются:

1. периодические модуляции посредством колеблющихся голосовых связок воздушного потока, подаваемого из лёгких (голосовой источник);
2. турбулентные завихрения воздушного потока в сужениях произноситтельного тракта (шумовой, или вихревой, источник);
3. скачкообразное изменение давления воздуха в артикуляторном тракте при резком раскрытии смычки (взрывной, или импульсный, источник).

Голосовой источник лежит в основе образования гласных и сонорных ([а], [у]; [л], [р]). Шумовому источнику обязаны своим происхождением глухие щелевые ([ф], [с], [икс]) и глухие аффрикаты ([тс]), импульсному источнику -- глухие взрывные ([п], [т], [к]). Звонкие щелевые и звонкие аффрикаты возникают благодаря взаимной работе голосового и шумового источников ([в], [з]; [дз]). Взаимодействие голосового и импульсного источников приводит к образованию звонких взрывных ([б], [д]).

На следующем этапе возбуждённый речевой звук модифицируется в отношении своего частотного состава в акустическом фильтре, который образуют активные и пассивные артикуляторные органы (голосовые связки, задняя стенка полости зёва, надгортанник, нёбная занавеска вместе с язычком, язык, губы, зубы, альвеолы, нёбо) и система резонаторов (полость гортани, полость зёва, носовая полость, полость рта, а также полость, образуемая в пространстве между губами и зубами).

Ртовый резонатор, роль которого в модификации речевых звуков наиболее важна, может быстро менять свой объём и свою конфигурацию; он может быть более и менее жёстким. В результате отдельные составляющие возбуждённого звука усиливаются или ослабляются. Каждый звук приобретает в итоге свои индивидуальные акустические особенности. Его отличают от других звуков, во-первых, спектральные амплитудно-частотные характеристики, наблюдаемые при аппаратном анализе как полосы частот, усиленные резонаторами (форманты), и, во-вторых, его временная структура.

Для характеристики звука достаточно наличие примерно четырёх формант, т.е. областей концентрации энергии в спектре, которые связаны с особенностями артикуляции и необходимы для правильного опознавания звука (форманты нумеруются в порядке возрастания частоты: FI, FII, FIII, FIV); из этих формант наиболее важны первая и вторая. Для гласных установлено, что частота FI связана со степенью закрытости гласного, а частота FII отражает степень его продвинутости вперёд.

Так, наиболее закрытые звуки [ы], [у] имеют самую низкую по частоте FI, наиболее открытый гласный [a] имеет максимально высокую частоту FI. Наиболее передние [ы], [y] характеризуются самой высокой по частоте FII, у наиболее заднего гласного [u}максимально низкая частота FII. Огублённость звука понижает значения всех формант. Формантная структура согласных сложнее.

## ОБРАБОТКА РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ПО КАНАЛАМ СВЯЗИ

## КЛАССИФИКАЦИЯ МУЗЫКАЛЬНЫХ ЗВУКОВ

Музыкальные звуки являются сложными звуковыми образованиями. В отличие от речевых они, как правило, имеют регулярное, организованное строение, подчиняются определенным, логическим закономерностям.

Выделяют метроритмическую (временную), мелодическую (частотную), ладовую (гармоническую) стороны звучания.

По структуре спектра различают полностью и неполностью интонированные, а также полностью неинтонированные звуки. Наиболее характерными звуками с музыкальным содержанием являются звуки с определенной высотой, т.е. полностью интонированные. Их спектр содержит основную частоту, определяющую высоту тона, и ряд гармоник, т.е. составляющих, частоты которых находятся в кратном соотношении с основной частотой.

Наряду со звуками определенной высоты, существуют звуки, неполностью интониованные. Составляющие их спектра не находятся в точном гармоническом соотношении, но отношения частот состовляющих к основной частоте, определяющей высоту тона, имеют постоянные, устойчивые значения, и они формируют окраску(тембр) звука.

Ощущение высоты тона тем точнее, чем ближе соотношения частот составляющих спектра к гармоническим. В частности, у фортепиано нижние составляющие спектра практически гармоничны, т.е. кратны основной частоте, а более высокочастотные составляющие все заметнее отклоняются от частот, соответствующих гармоническому ряду. Но в целом с позициий слушателя высота всех звуков фортепиано вполне определена. Соствляющие неполностью гармонических звуков не могут называться гармониками. Для них принят термин – обертоны.

Существуют полностью неинтонированные звуки. Они не создают точного ощущения высоты. Их называют шумами. Шумы имеют непрерывный спектр, в котором невозможно различить отдельные частотные составляющие. Шумы характеризуют огибающей интенсивностей сосставляющих спектра. Этого достаточно для объединения шумовых составляющих в четкий звуковой образ источника звука (большой и малый барабан различимы).