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

Объективные характеристики звуковых единиц и методы их анализа
Cпектрографы

Получить спектр какого-либо звука — это значит получить совокупность значений амплитуд всех частотных составляющих, образую­щих данный звук¹. Для получения спектров звуков речи используются приборы, называемые анализатора­ми спектров (спектрографами).

Основным принципом работы спектрографов является использование электрических фильтров, что требует предварительного преобразования звукового колебания в электрическое. Сами электрические фильтры можно сравнить с ячейками-сита, имеющими различные раз­меры: через каждую ячейку может пройти предмет, диа­метр которого не превышает диаметра ячейки. Так и электрические фильтры пропускают только ток с той ча­стотой, которая совпадает с их собственной.

Электрические фильтры, используемые в спектрогра­фах, играют роль резонаторов, о которых рассказано в первом разделе. Представим себе, что звук речи, пре­образованный в электрические колебания, попадает на систему электрических фильтров, каждый из которых имеет собственные частотные характеристики. Тогда из всего набора электрических фильтров на подаваемый звук будут «откликаться» только те, собственная часто­та которых близка или совпадает с частотами, содержа­щимися в исследуемом звуке. При этом «отклик» в каж­дом фильтре будет тем сильнее, чем более интенсивна данная частота в спектре звука.

Такой спектр называется амплитудно-частотным.

Рис. 13. а — График изменения частоты основного тона во фразе ВОТ ЭТО зимний пейзаж; б — Интонограмма фразы Вот это зимний пейзаж.

а. Сравним графики, полученные при измерении частоты основ­ного тона по трем периодам и в среднем для каждого гласного, и обнаружим, что общие характеристики основного тона совпадают: и на том и на другом графике видно, что частота основного тона довольно низкая на первом гласном, повышается на гласном е в сло­ве это, сохраняет высокое значение на втором гласном этого слова. Затем частота довольно сильно понижается, но на предударном гласном слова пейзаж опять наблюдается некоторое повышение. Самая низкая частота — на ударном гласном слова пейзаж. Обра­тите внимание на то, что совпадение наблюдается лишь в общих характеристиках, тогда как некоторые подробности изменения час­тоты основного тона вовсе ускользают при определении средних значений: так, в слове это на ударном гласном — повышение час­тоты от начала к концу гласного, а на заударном гласном — пони­жение. Более грубая и простая картина получается и в других случаях.

б. На интонограмме той же фразы записано следующее: в са­мой нижней части — счетчик периодов основного тона, затем — оги­бающая частоты основного тона, далее следует осциллограмма Фразы и, наконец, огибающая интенсивности. Рассмотрим вниматель­но этот рисунок и увидим, что общий характер изменения частоты основного тона здесь представлен хорошо: как и на графиках, здесь видно, что максимальное значение частоты — на гласных в слове это, минимальное — на ударном гласном слова пейзаж. На этом рисунке видно также и изменение частоты на протяжении звука; заметим, однако, что различия между гласными здесь за­метны хуже, чем на графике, а сама кривая «отстает» от осцилло­граммы фразы на некоторое время.

Весь диапазон частот, существенных для звука речи, может быть разбит на определенное число шагов, каж­дый из которых будет представлен одним фильтром. Ширина фильтра может меняться в зависимости от кон­струкции прибора. Если ширина фильтра велика, на­пример 300 или 500 Гц, то это значит, что данный фильтр будет откликаться на большое количество час­тот, разница между которыми может достигать 300 и 500 Гц.

В современных спектрографах весь диапазон от 50 до 10000 Гц разбивается на 30—40 полос. Фильтры име­ют разную ширину в зависимости от того, какую часть диапазона они охватывают: на низких частотах ширина фильтров уже, на высоких — шире.

Однако в ряде приборов фильтры выбираются так, чтобы имелось некоторое перекрытие их частот: так, на­пример, на низких частотах могут быть представлены следующие фильтры: 50—200 Гц, 50—300 Гц, так что одна и та же частота исследуемого звука попадает на не­сколько фильтров и вызывает их возбуждение. Это объ­ясняется стремлением более тщательно исследовать, в какой именно области спектра находится та или иная частотная составляющая.

Ниже приводятся характеристики набора фильтров одного из спектрометров, который используется в фоне­тических исследованиях (см. табл. на стр. 57).

Как видим, на низких частотах ширина фильтров до­вольно большая (около 300 Гц), но имеется значительное перекрытие частот фильтров: так, третий фильтр про­пускает частоты от 75 до 375 Гц, четвертый — от 150 до 450 Гц, а пятый — от 225 до 525 Гц. Предположим, что в исследуемом звуке имеется усиление около 300 Гц. Это усиление вызовет возбуждение во всех трех фильт­рах, но максимальное будет в том фильтре, средняя час­тота которого ближе всего к исследуемой частоте. По средним частотам расстояние между фильтрами состав­ляет меньше 100 Гц в низкой части спектра и постепен­но увеличивается в высокой части спектра.

Кроме анализа с помощью набора фильтров (кото­рый называется параллельным анализом), ис­пользуют и так называемый последовательный анализ. Сущность его заключается в следующем: звук речи или последовательность звуков записываются или на специальный магнитный диск, или же на магнит­ную ленту, из которой затем склеивается кольцо. Этим достигается возможность многократного повторения од­ного и того же звука. При анализе используется один фильтр, имеющий постоянную ширину, но перестраиваю­щийся по частоте. Обычно употребляют два типа фильт­ров при последовательном анализе — один с узкой полосой (45 Гц), второй с широкой полосой (300 Гц). При узкополосном фильтре весь спектр звука разбива­ется на шаги по 45 Гц, при широкополосном — на шаги по 300 Гц. Достигается это следующим образом: записанный на магнитный диск или кольцо звук подается на анализирующее устройство. При первом воспроизведе­нии этого звука частота фильтра самая низкая (обычно 85—130 Гц); при повторном воспроизведении частота фильтра уже изменяется, и он реагирует на более высо­кие составляющие (175—220 Гц), при третьем повторе­нии частота фильтра—265—310 Гц и т. д.

Таким образом, звук должен повториться столько раз, сколько нужно изменений частоты фильтра в поло­се, характеризующей звуки речи (т. е. в полосе 50— 10 000 Гц). При последовательном анализе время, затра­чиваемое на анализ, гораздо больше времени самого звучания, тогда как параллельный анализ совершается за время, в течение которого происходит звучание. Пре­имуществом последовательного анализа является воз­можность более точного исследования спектральных со­ставляющих.