Звуковой строй современного русского языка - Л. В. Бондарко 1977

Объективные характеристики звуковых единиц и методы их анализа
Осциллографическая запись

Осциллографы предназначены для наблюдения, измерения и записи быстро изменяющихся во времени электрических процессов. Осциллографы можно разде­лить по их устройству на два типа — шлейфные (или электромеханические) и катодные (элек­тронные). Для анализа звуков речи используются и те и другие. Звуковые колебания предварительно пре­образуются в электрические, и эти-то электрические ко­лебания поступают на вход осциллографа.

В шлейфном осциллографе электрические колебания преобразуются в колебания светового луча, а эти по­следние фиксируются на светочувствительной бумаге или ленте. Преобразователем электрических колебаний в колебания светового луча является вибратор. Он пред­ставляет из себя сосуд, наполненный маслом, в масле проходит металлическая петля, концы которой соедине­ны с входом осциллографа; на эту металлическую пет­лю поступает электрический сигнал. Вокруг петли суще­ствует постоянное магнитное поле, а в самой петле закреплено зеркальце. Когда на вход вибратора не по­ступает сигнала, и петля и зеркальце находятся в покое. Когда же на вход поступает электрический сигнал, металлическая петля вместе с укрепленным в ней зер­кальцем начинает колебаться; при этом частота и интенсивность колебаний зависят от частоты и интенсив­ности поступающего электрического сигнала, т. е. в ко­нечном счете от акустических характеристик записывае­мого звукового сигнала.

Зеркальце, укрепленное в петле, освещается источни­ком света и отбрасывает луч на пленку, а также на экран осциллографа. Таким образом, можно визуально наблюдать на экране осциллограмму, которая фиксируется в это время на пленке.

При работе со шлейфным осциллографом звуковой сигнал может быть подан одновременно на несколько вибраторов, т. е. можно получить на кинопленке изо­бражение сразу нескольких записей звука. Обычно на ленте пишутся 1—2-е кривые и кривая отметчика вре­мени. В качестве отметчика времени используют запись чистого тона с- заданной частотой — обычно с часто­той 100 или 1000 Гц. В первом случае мы получаем возможность измерять длительность звуков с точностью до 10 мс, во втором — с точностью до 1 мс.

Успех анализа записанных звуков во многом зависит 1 от качества осциллограммы. Качество осциллограммы, а также и количество сведений об исследуемом звуко­вом сигнале обусловлено целым рядом факторов. Чисто .1 внешние характеристики (четкость изображения, чисто- ! та полученного негатива) зависят от ширины луча, которая может регулироваться по желанию эксперимен­татора, и от чувствительности кинопленки, на которую записывается осциллограмма. Обычно используется ки­нопленка чувствительностью до 90 единиц и выше. Ка­чество же осциллограммы с точки зрения содержащей­ся в ней информации определяется двумя обстоятельст­вами: выбором вибратора и выбором скорости движения кинопленки. При каждом шлейфном осциллографе име­ется несколько различных вибраторов, характеризую­щихся разной собственной частотой и обеспечивающих запись широкой полосы частот '. Речевые частоты (т. е. частоты от 50 до 10 000 Гц) входят полностью в эту полосу. Для того чтобы записываемый звуковой сигнал не искажался ни по частоте, ни по амплитуде, собствен­ная частота вибратора должна быть в 3—4 раза выше записываемой.

Несоблюдение этого условия приводит к тому, что при повышении частоты звукового сигнала амплитуда его на осциллограмме уменьшается. Когда же исследуе­мая частота превышает собственную частоту вибратора, сигнал вообще не регистрируется.

Из сказанного ясно, что в тех случаях, когда харак­теристики сигнала по амплитуде представляют интерес для исследователя, требования к собственной частоте вибратора должны быть жесткими. Если же амплитудой сигнала можно пренебречь (т. е. когда нас интересует только наличие или отсутствие звука, а не его интен­сивность), нужно, чтобы собственная частота вибратора была несколько выше частоты записываемого сигнала.

¹ Число вибраторов и их собственные частотные характеристики зависят от марки осциллографа,

При анализе фонетического материала имеют зна­чение три области частот:

1) низкие частоты (от 50 до 400 Гц), охватываю­щие область частоты основного тона; естественно, что запись этих частот имеет особенное значение при изучении мелодики и вопросов, связанных с характеристиками звуков по признакам глухости-звонкости;

Рис. 3. Осциллограмма фразы Саша спит, снятой с двумя вибрато­рами (тип VIII —собственная частота 1200 Гц и тип II —собственная частота 10 000 Гц), скорость движения кинопленки — 250 мм/с.

Наверху регистрируются колебания с частотой 100 Гц, слу­жащие в качестве метки времени (так называемый отметчик вре­мени). Следующая кривая — это осциллограмма, снятая через виб­ратор с собственной частотой 10 000 Гц. Обратите внимание на то, что согласные с и ш, а также и взрывные п, г, характеризующиеся высокочастотным шумом, отчетливо фиксируются на этой кривой. Гласные а и и характеризуются сложным рисунком, так как высо­кочастотный вибратор дает возможность регистрировать большое ко­личество составляющих.

Нижняя кривая—осциллограмма, снятая через вибратор с собственной частотой 1200 Гц. Согласные, характеризующиеся высо­кочастотным шумом, «пропадают» — на этой осциллограмме шум во­обще не фиксируется. Рисунок гласных становится более простым, так как низкочастотный вибратор является своеобразным фильтром и «не пропускает» все частотные составляющие. Не удивляйтесь тому, что нижняя кривая как бы срезана — это зависит от располо­жения светового луча относительно пленки, на которой регистри­руется осциллограмма: в данном случае такое Положение выбрано специально, нижнюю кривую «потеснили», чтобы иметь возмож­ность полностью зарегистрировать сигнал, поступающий с высоко­частотного вибратора.

2) средние частоты (200—4000 Гц), характерные] для акустического состава гласных;

3) высокие частоты (1000—10000 Гц), характери­зующие согласные.

Выбор вибратора обусловлен конкретными задачами исследования: для анализа мелодики очень удобны за писи с низкочастотного вибратора (до 1200 Гц), при анализе отдельных фонетических явлений внутри звуков, речи необходима точная регистрация всех составляю­щих частот, поэтому нужно вести регистрацию сигнала с вибратора, имеющего максимальную собственную частоту.

Естественно, что получение сигнала одновременно с того и другого вибратора делает осциллограмму более удобной для любого анализа.

На рис. 3 видно, что вибратор с собственной часто­той 1200 Гц может быть легко использован при измерениях основного тона, так как он дает более простую по форме периодов кривую, однако разделить такую осцил­лограмму на отдельные участки, соответствующие вхо­дящим в состав фразы звукам," в частности провести границу между с и п, невозможно. Зато кривая с вибратора, собственная частота которого 10 000 Гц, боле' сложная и подробная, дает достаточно сведений дл членения фразы.

Шлейфный осциллограф может работать с различными скоростями движения кинопленки — от 1 д 5000 мм/с. Чем больше скорость движения пленки, тем более развернутым получается рисунок. Выбор скорости связан с конкретной задачей исследования: для полу­чения данных об общей длительности фраз, слов, пауз! и других крупных отрезков звучания лучше брать ма­ленькие скорости (50 и 100 мм/с); для работы по ис следованию мелодики и вообще интонации удобнее ско­рости 250 и 500 мм/с; наконец, для анализа фонетиче­ских особенностей тех или иных звуков необходимы большие скорости (1000 и 2000 мм/с).

Особенности осциллограмм, полученных с разными скоростями движения пленки, видны хорошо на рис. 4. При скорости 100 и 50 мм/с получается сжатая картина всей фразы. По этим осциллограммам можно подсчитать и длительность ее целиком, и длительности отдельных звуков, а также судить об интенсивности разных глас­ных, входящих в ее состав. При больших скоростях съемки—1000 и 2000 мм/с (см. рис. 5)—достаточно отчетливо регистрируются особенности отдельных зву­ков, например изменения формы периодов гласного, вы­званные неоднородностью его звучания.

Рис. 4. Осциллограмма фразы Саша спит, снятой со скоростью движения кинопленки 100 мм/с.

Отметчик времени (100 Гц) расположен в верхней части осцил­лограммы. Сравнение осциллограммы, приведенной на этом рисун­ке, с осциллограммой на рис. 3 показывает, что общий-вид этих ос­циллограмм очень сходен, хорошо различимы отдельные ее участки, соответствующие разным звукам. Однако при скорости 100 мм/с рисунок гласных получается настолько сжатым, что определить чис­ло периодов основного тона, а тем более измерить их длительность практически невозможно. Достоинство такой осциллограммы в том, что получается компактное изображение записанной фразы, позволяющее получить представление и о длительности отдельных звуков, и об амплитуде колебаний.

Для измерения длительности звука и последователь­ности звуков на осциллограмме регистрируется метка времени. Как правило, на один из вибраторов подается сигнал с определенной частотой. Так, например, можно в качестве отметчика времени использовать сигнал с частотой 100 Гц: это значит, что он будет появляться на осциллограмме 100 раз в секунду, т. е. через каж­дые 10 мс.

При различных скоростях съемки необходимо поль­зоваться разными отметчиками времени. На больших скоростях (500 мм/с и выше) обычно записывают с отметчиком 1000 Гц, т. е. расстояние между двумя соседними вершинами колебаний отметчика соответствует времени 0,001 с; при малых скоростях съемки—100 Гц, т. е. расстояние между двумя соседними колебаниями соответствует времени 0,01 с. Можно записывать осциллограмму одновременно с двумя отметчиками. В таком случае счет сотых долей секунды ведется по отметчику времени 100 Гц, а определение длительности, меньшей, чем сотая доля секунды, — по отметчику 1000 Гц.

Рис. 5. Фрагменты осциллограмм гласного а из фразы Саша спит, снятые при скорости движения кинопленки 1000 и 2000 мм/с.

Отметчик времени—1000 Гц, что позволяет очень точно изме­рить не только длительность звука, но и длительность каждого пе­риода, входящего в звук. Видно, что при скорости 2000 мм/с рису­нок периода получается более растянутым, что позволяет более точно его измерить.

Обратите внимание на то, что при съемке со скоростью 1000 мм/с 5, 6 и 7 периоды гласного как будто бы более «узкие», что должно свидетельствовать об изменении частоты на этом от­резке звучания. Однако при анализе осциллограммы того же глас­ного, снятого со скоростью 2000 мм/с мы этого не замечаем — 5, 6 и 7 периоды не изменяются столь значительно. Перед нами пример, говорящий о необходимости обязательной записи отметчика време­ни: и в том и в другом случае длительность этих периодов — около 9 мс (проверьте по осциллограмме!), тогда \ак скорость протяжки кинопленки в первом случае несколько замедлилась на участке, со­ответствующем 5, 6 и 7 периодам.