Лекция IV. Фонетический ярус языка

1. Ведение

На прошлых лекциях мы выявили три основных яруса языковых единиц: сообщения, несущие смысл речи, на верхнем ярусе; слова, именующие понятия (предмет речи), на среднем ярусе; фонемы, различающие элементы речи, на нижнем ярусе. Назовём эти ярусы – дискурс, лексика и фонетика.

Рис. 4.1.

Ярусы	Языковые единицы (знаки)
I Дискурс	Сообщение
II Лексика	Слова
III Фонетика	Фонемы, звуки речи

Языковые единицы (языковые знаки) каждого яруса представляются в психическом языковом механизме триедиными сущностями, состоящими из акустического (слухового) образа, двигательной программы произнесения и мыслительного значения (смысла, понятия).

Рис. 4.2.

Значение

/                       \

Слуховой образ  ----------  Двигательная программа

Знаки уровня дискуса – сообщения – появляются и исчезают в языковом механизме в процессе речи. Знаки же лексического и фонетического уровней постоянно хранятся в памяти языкового механизма и служат материалом для построения сообщений. Сообщения формируются из слов, а слова – из фонем. Так что будем рассматривать строение языка с его фундамента – с фонетического яруса.

2. Фонемы в речевом процессе.

Как мы уже говорили, мыслительное содержание фонемы вырождено и сводится к потенциальной способности различать значение знаков верхних ярусов. А вот слуховые образы и двигательные программы фонем являются существенными компонентами языкового механизма, с которыми нам придётся сейчас разбираться.

В процессе речевого общения говорящий, используя свою двигательную программу фонемы, производит некоторую артикуляцию органами речи, что вызывает образование акустического процесса – звуковой волны. Этот звук воспринимается слуховым аппаратом слушающего в качестве определённого сочетания ощущений физических параметров звука, которые сравниваются с хранящимися в языковом механизме эталонами слуховых образов фонем и опознаются как та или иная фонема. Таким образом связь между слуховым образом и двигательной программой фонемы не прямая, а опосредована цепью физиологических процессов: артикуляцией речевых органов, физической звуковой волной и слуховым впечатлением звука.

 

 

 

Рис. 4.3.

В этой цепи ипостасей (состояний) звука речи (фонемы) наиболее доступны для наблюдения артикуляция речевых органов и физическая акустическая волна. Эти компоненты речевого процесса мы и будем рассматривать. В меньшей степени исследован механизм слухового звуковосприятия. Что же касается программ озвучивания фонем (мы их ещё называли фонемами речеобразования) и эталонов опознавания фонем (мыих ещё называли фонемами речевосприятия), то об их составе, свойствах и функционировании мы можем пока делать только гипотетические построения на основе наблюдений в артикуляторной и акустической сфере. Построение таких гипотез и есть задача фонологии.

3. Что есть звук?

Приступая к изучению звуковой речи, необходимо сначала уточнить наши представления о звуке вообще.

Звук есть колебательный процесс последовательных сжатий и разрежений воздуха, проявляющийся в микродвижениях частиц воздуха, повышениях и понижениях местного давления воздуха относительно постоянного уровня атмосферного давления. Звук, возникнув в одном месте, распространяется в виде волн, моделью которых могут служить волны на воде от брошенного в воду камня. Но если в волнах на воде частицы воды движутся вверх-вниз поперёк направления распространения волны, то в звуковой волне частицы воздуха движутся вперёд-назад вдоль направления расширения волны. Скорость звуковой волны довольно большая, около 300 м/сек., но вполне конечная (не бесконечно большая). Так что вполне заметно отставание звука от события, наблюдаемого издалека (человек рубит дрова, гром и молния).

Наиболее простой механизм возбуждения звука – это заставить колебаться некоторый диск, перегородку,  мембрану, как это делается в говорящих устройствах электронных приборов (телефон, радио…).

 

 

 

 

 

                        Рис. 4.4.

Чтобы создалась заметная волна сгущений воздуха, движение мембраны должно происходить достаточно быстро, пока сгущение не рассосалось, пока давление не выровнялось из-за перетекания воздуха через края пластины. Так что, если пластина имеет размер, допустим 1 метр, то она должна совершать колебания, пока сгущение не прошло этот метр. То есть, цикл колебания должен завершиться за 1/300 долю секунды. При меньшей частоте колебаний звуковая волна будет недостаточно сильной. Таким образом, характерная частота звука определяется геометрическими размерами источника. Если пластина будет окружена стенками, то они препятствуют перетеканию сгущений воздуха, удлиняют путь такого перетекания, и собственно движущаяся пластина может иметь меньший размер. Особенно эффективно располагать источник звука в трубе, тогда длина трубы будет определять характерную частоту создаваемого звука.

                                                                                                            Рис. 4.5.

 

 

 

 

Наглядный пример такой зависимости дают духовые музыкальные инструменты, например – тромбон. Выдвигая кулису тромбона, музыкант удлиняет его трубу и звук, издаваемый инструментом, понижается. Во многих отношениях работу органов речи можно понять на сравнении с музыкальными инструментами.

4. Органы речи.

Органы речи можно представить именно как духовой музыкальный инструмент типа трубы, тромбона, гобоя, саксофона. Источником звуковых колебаний воздуха в них служит не колеблющаяся пластина, а створки, перегораживающие трубу и периодически прерывающие продуваемый через трубу воздух. В некоторых инструментах (труба, тромбон) такими створками являются губы музыканта, в других инструментах (гобой, кларнет, саксофон) имеется специальное устройство «трость», в котором подвижный упругий язычок под действием продуваемого воздуха приходит в движение и периодически прерывает воздушный поток. Действие этого способа возбуждения звука можно поизучать на собственных губах. Для органов речи человека таким устройством являются голосовые связки.

Схематически органы речи можно изобразить так:

Рис 4.6.

Лёгкие прокачивают воздух через трубу, образованную гортанью (4), полостью рта (2) и губами. К этой трубе в области глотки (2) сверху присоединяется параллельная труба носовой полости (1). Этакая двухтрубная волынка. На пути у воздуха в основании трубы встречаются две напряженные связки, между которыми под напором воздуха открывается щель и воздух толчками поступает в эту систему труб. Толчки воздуха и образуют собственно звук, тембр которого определяется резонированием (условием прохождения) отдельных частей ротовой и носовой полости.

Может быть, следует объяснить, почему через напряженные связки воздух проходит толчками, а не постоянной струёй? Сомкнутые с определённой силой связки задерживают воздух до тех пор, пока его давление не преодолеет силу смыкания связок. После этого связки размыкаются, и поток воздуха приводит к падению давления, что позволяет связкам сомкнуться вновь.

Рис. 4.7.

 

 

 

            Связки сомкнуты                               Связки разомкнуты

Постоянное поступление воздуха из лёгких приводит к росту давления и цикл повторяется снова. Мгновенно смыкаться и размыкаться связки не могут, поэтому толчки струи воздуха следуют с определённой частотой, обусловленной инертностью связок. Эта частота определяет высоту возникающего голоса.

Так возникает музыкальный тон в речи. Музыкальный звук характеризуется именно периодичностью примерно одинаковых импульсов давления и движения воздуха. Каждый импульс воздуха от источника распространяется в пространстве со скоростью звука. И когда пройдёт время, необходимое для появления в источнике нового импульса, первый уже уйдёт на некоторое расстояние  L = Tc, равное произведению скорости звука на время между последовательными толчками воздуха (период звукового процесса).

            Рис. 4.8.

Так что музыкальный тон характеризуется частотой толчков υ = 1сек/T (сколько периодов укладывается в одной секунде) и/или длиной волны. Так, например, длину волны 1 метр имеет тон частотой 300 герц (импульсов в секунду) – средняя высота человеческого голоса.

Также каждый звук ещё характеризуется его силой (энергией), которая определяется степенью сжатия в звуковой волне, называемой амплитудой звука

Рис. 4.9.

6. Фрикативный шум.

В тех случаях, когда голосовые связки не напряжены, когда мускулатура не стремится их свести вместе, струя воздуха раскрывает щель и проходит через неё сравнительно свободно. Однако неоднородность пути для прохождения воздуха, которую представляют связки с разомкнутой щелью, нарушает равномерность протекания воздуха. Огибая сужение голосового тракта, воздух

Рис.4.10.

затормаживается краями щели, и выходит из неё отдельными нерегулярными вихрями. Они представляют собой мелкие хаотичные толчки воздуха. В этом процессе невозможно выделить какую-либо периодичность. А другими словами, этот процесс можно представить как наложение большого числа различных периодических толчков с разной частотой и различной силой. Так что в результате мы имеем звук шума как бы от одновременного звучания аккорда из множества несогласованных, диссонирующих музыкальных звуков.

7. Взрывной шум.

Единичное мгновенное размыкание связок приводит к одному толчку воздуха, который воспринимается ухом как мгновенный звук, взрыв. Сила этого взрыва конечно не велика и громкость достаточно мала, так как энергия такого взрыва не может быть много больше (по физиологическим причинам), чем энергия одного толчка звука в музыкальном тоне. Но музыкальный тон длится достаточно долго, чтобы ухо могло суммировать приходящую звуковую энергию для уверенного формирования слухового впечатления. А взрывной звук несёт только одну порцию энергии и мгновенно прекращается, не давая слуху времени на выработку определённого слухового образа.

Правда, мгновенность взрывного звука речи довольно относительна. Рассмотрим, что происходит с единичным звуковым импульсом в речевом тракте. Звуковой толчок воздуха возникает в голосовых связках и затем распространяется по ротовой полости как по трубе. Достигая конца трубы,

 Рис. 4.11.

сгусток воздуха вылетает наружу, и по инерции за сгустком вылетает наружу часть постоянного состава воздуха трубы. После вылета сгустка на конце трубы образуется разряжение, которое заполняется воздухом, поступающим из глубины трубы. Этот воздух, разогнавшись в результате разности давлений, опять достигает отверстия трубы и вылетает из него новым сгустком, а ко дну трубы распространяется разрежение. Это разрежение засасывает воздух из отверстия трубы, который разогнавшись снова приводит к образованию у донышка нового сгустка и процесс повторяется снова. Правда при этом каждый раз теряется часть энергии сгустков, так как каждый раз толчок воздуха из трубы становится всё слабее и слабее. Если на диаграмме показать величину звукового давления у отверстия трубы для разных последовательных моментов времени, то получим такое изображение затухающей волны:

звуковое

давление

                                                                                    Рис.4.12.

 

 

                                                                                                            время

 

 

 

 

Такая же затухающая волна изображает распространение звукового давления в пространстве от трубы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        давление

 

 

 

расстояние

                                                                                                           расстояние

 

Рис. 4.13.

Таким образом, после взрывного толчка воздуха звук ещё длится несколько периодов колебания столба воздуха в трубе. Этот процесс имеет периодический характер, поэтому соединяет при звуковом восприятии и характер мгновенного шума и впечатление тональной высоты, подобной музыкальному звуку. Высота тона определяется частотой колебаний столба воздуха в трубе, которая в свою очередь определяется временем, которое затрачивает звуковая волна на прохождение расстояния, равного длине трубы. Так, если оценить длину голосового тракта в 10 см. то звук это расстояние преодолевает за время T = l/c = 0.1м / 300 м/сек = 1/3000сек, что соответствует частоте 3000герц и находится за пределами высоты основного тона голоса, создаваемого голосовыми связками. Но ухо эти тона слышит.

8. Формантная структура голоса.

Рассмотренные только что три способа возбуждения звука голосовыми связками исчерпывают всё богатство механизмов звукообразования в речи. Однако, фрикативный и взрывной шум может создаваться не только голосовыми связками, но и в других местах голосового тракта, где можно создать препятствие воздушной струе, перегораживая проход воздуха языком или смыканием губ. При этих артикуляционных движениях органов речи меняется эффективная длина и форма голосового тракта. Так, если взрывной толчок воздуха возникнет не в связках, а на преграде, образованной смыканием языка с нёбом на половине длины тракта. то длина столба воздуха, который будет совершать колебания после толчка, будет вдвое меньше, а следовательно частота этих колебаний будет вдвое выше, и соответственно другим будет слуховое впечатление звука. Вот эта характерная частота, с которой колеблется воздух в речевом тракте и который определяет слуховое впечатление от мгновенного звука называется формантой. Так что звук, образованный в речевом тракте, с артикуляционной точки зрения характеризуется местом его образования, а с физической и слуховой стороны характеризуется частотой форманты.

Понятие форманты мы пока определяли для мгновенных взрывных звуков. Но ведь и музыкальный тон возникает в результате последовательности отдельных толчков воздуха, отдельных мгновенных взрывных импульсов. Характер движений воздушных сгустков в речевом тракте будет точно такой, как при одиночном импульсе. Из сравнения характерных частот форманты и тона голосовых связок (3000 и 300 герц) видно, что за время до появления следующего толчка воздуха из связок воздушный столб в голосовом тракте успеет сделать около 10 собственных колебаний, которые наложатся на основную звуковую волну в виде поверхностной ряби, как и на волнах на воде.

Рис 4.14.

 

 

 

 

Итак, мы видим, что и музыкальный звук должен видоизменяться в зависимости от собственных колебаний столба воздуха в голосовом тракте. И музыкальный звук, следовательно, характеризуется не только основной частотой, но и частотой форманты, которая, однако, должна быть равна кратной частоте основного тона: двойной, тройной, десятикратной и т. д. Частота форманты музыкального звука не может быть в дробном отношении с основной частотой потому, что ведь весь процесс происходит строго периодически, с каждым толчком воздуха всё повторяется; повторяются с тем же периодом и все собственные колебания голосового тракта. Другими словами, музыкальный звук голоса складывается не только из основного тона на одну, две, три или несколько октав выше основного тона. Характер формант музыкального звука определяет качество воспринимаемого тембра.

Теперь обратим внимание на то, что голосовой тракт не имеет характер прямой трубы. Он в одних местах сужается, а в других расширяется. Если в трубе имеется неоднородность сечения, то звуковой импульс, продвигаясь по трубе, частично отразится от такой неоднородности как от препятствия аналогично тому, как он отражается от конечного отверстия трубы:

Рис. 4.15.

 

 

 

При этом столб воздуха в каждой части трубы придет в колебательное движение независимо от другого со своей частотой. В ритме этих частот из трубы будут распространяться отдельные звуковые импульсы, и таким образом звук будет иметь не одну, а две или три форманты. Частоты дополнительных формант всегда выше частоты первой форманты, поскольку высшие форманты образованы собственными колебаниями воздуха в коротких отрезках голосового тракта.

9. Спектр звука.

Строго говоря, любой реальный музыкальный звук имеет в своём составе кроме основного тона, определяющего частоту звука F, все тоны с частотами 2F, 3F…, которые менее ярко выражены, но в сумме определяют тембр звука. Эти тона, называемые обертонами, не следует путать с формантами. Обертоны образуются особенностями движения воздуха при создании звукового импульса (соотношениями скорости нарастания и снижения давления). А форманты образуются за счёт собственных колебаний воздуха в резонаторах голосового тракта. В музыкальном звуке голоса эти колебания приводят к усилению громкости (размаха колебаний) обертонов на частоте формант.

Громкость

 

                                                                        Рис. 4.16.

 

 

 

 

                                                                                                            Частота

 

         F   2F   3F   4F   5F   6F   7F   8F   9F   10F   11F   12F   13F   14F

Состав музыкального звука можно показать на диаграмме (графике), где мы для каждой частоты обертона изобразим его громкость (энергию, амплитуду, размах) с помощью столбика соответствующей длины. В типичном музыкальном звуке интенсивности обертонов равномерно падают с возрастанием номера обертона. В тех случаях. когда звук создаётся в условиях взаимодействия с короткой резонирующей трубой, колебания столба воздуха в трубе приводят к усилению обертонов в области частоты собственных колебаний воздуха в трубе, которые всегда выше частоты основного тона F.

                                                                                    Рис. 4.17.

 

 

 

 

Линия, огибающая вершины столбиков, изображающих обертоны на графике, имеет горбы на частоте формант – собственных колебаний резонирующих полостей голосового тракта. В случае реальных звуков речи таких формант бывает одна, две, три, редко четыре, которые можно измерить акустическими приборами.

К стати. Этот график, на котором показывается интенсивность колебаний в звуковом процессе в зависимости от частоты этих колебаний, называется частотным спектром (или просто спектром) звука. Спектр музыкального звука голоса, таким образом, состоит из отдельных линий, соответствующих обертонам (то есть линейчатый спектр), высота которых соответствует формантной структуре голоса и зависит от формы голосового тракта, которым мы можем управлять нашими органами речи.

Шумные звуки также могут быть охарактеризованы с помощью спектра. Однако, как мы уже говорили, что шум является как бы суммой большого множества достаточно слабых и несогласованных (диссонирующих) музыкальных тонов. Поэтому в шуме нет определённой основной частоты, есть всякие частоты и очень низкие, и высокие, и все промежуточные. То есть в спектре разные линии разных частот сливаются в равномерно заполненное поле. А высота этого поля определяется всё теми же формантами голосового тракта. График спектра шумового звука, следовательно, изображается сплошным заполнением столбиками горбов формантной структуры:

                                                                                                Рис. 4. 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Такой спектр называется сплошным спектром (в отличие от линейчатого).

Сплошным спектром можно охарактеризовать и взрывные звуки, однако, для их восприятия большее значение имеет не спектральный состав самого звука, а развитие звукового процесса во времени.

10. Три источника и три составные части голоса.

Рассмотренные три вида звуковых процессов и являются теми компонентами, из которых образуется речевой сигнал. В нём, таким образом, может присутствовать музыкальный тон, фрикативный шум и временами возникать взрывные звуки. Спектральная характеристика такого сигнала является наложением сплошного спектра шума и линейчатого спектра голоса, интенсивность которых показывает формантную структуру голосового тракта:

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.19.

Как эти источники звука используются для создания речи в голосовом тракте, это мы рассмотрим на следующей лекции.