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

Объективные характеристики звуковых единиц и методы их анализа
Общие акустические свойства звуков речи

Звуки речи являются разновидностью звуков, суще­ствующих в природе и воспринимаемых человеческим ухом. Свойства звуков являются предметом изучения специального раздела физики — акустики (от греч. ахоисо — слушаю, слышу).

Звук речи, как и всякий другой звук, является'ре­зультатом воздействия на слуховой аппарат человека колебательных движений воздушной среды. Источником, возбуждающим эти колебания, может быть и коле­блющееся тело (струна музыкального инструмента), и сильный поток воздуха, проходящего через узкое отвер­стие (шум пара, выходящего из парового котла), и удар твердого тела о какую-либо поверхность (удар молота по твердому предмету).

В акустике исследуют характеристики самих коле­бательных движений, зависящих от свойств источника звука, и те ощущения, которые возникают у человека, слышащего те или иные звуки. Как показывают резуль­таты исследований, слуховая оценка свойств звука не всегда совпадает с его объективными характеристиками. Это обстоятельство нужно учитывать при изучении аку­стических свойств звуков речи.

Рассмотрим некоторые основные свойства ис­точников звука и то, каким образом эти свойства влияют на слуховую оценку звуков чело­веком.

Частота колебаний и высота звука

Представим себе колеблющуюся струну в качестве источника звука. Натянутая струна, приводимая в состояние колебания, совершает полное колебательное движение, отклоняясь от положения покоя в одну сто­рону,, возвращаясь опять в положение покоя, откло­няясь от него в другую сторону и снова возвращаясь в положение покоя. В зависимости от скорости колеба­тельных движений струны возникают звуки с разной частотой: медленные колебания струны производят звуки с низкой частотой, быстрые — звуки с высокой частотой. Чтобы измерить частоту звука, обычно опре­деляют, сколько колебательных движений производит источник звука в одну секунду. Единица, служащая для измерения частоты, называется герц. Когда о звуке говорят, что его частота 100 Гц, это значит, что источ­ник данного звука совершает колебательные движения со скоростью 100 полных колебаний в секунду.

Звуки с малой частотой мы воспринимаем как низ­кие (басовые звуки музыкальных инструментов, гул двигателя корабля или самолета); звуки с большой частотой — как звуки высокие (пение птиц, свист пара, выпускаемого из парового котла). Однако увели­чение частоты колебаний, например, вдвое вовсе не обязательно приведет к тому, что получаемый таким образом звук мы будем оценивать как вдвое более вы­сокий. Если взять за единицу отсчета звук с частотой 1000 Гц, то звук с частотой 100 Гц оценивается чело­веческим ухом как более низкий по сравнению с первым, но не в десять раз (соответственно их частотным харак­теристикам), а всего в пять; звук же с частотой в 10000 Гц по сравнению со звуком 1000 Гц оценивается как более высокий, но не в десять раз, а всего в 3 раза.

Таким образом, три звука, обладающие частотой 100, 1000 и 10000 Гц, по объективным характеристикам различаются гораздо больше, чем при их оценке слухом. Об этом, нужно помнить, рассматривая данные об объек­тивных характеристиках звуков, получаемые при помо­щи измерительной аппаратуры.

Сила и громкость звука

Сила звука определяется размахом (амплитудой) колебательных движений, которые вызывают последова­тельные сгущения и разрежения воздуха, т. е. измене­ния воздушного давления по сравнению с атмосфер­ным — увеличение или уменьшение его. Звуковое давление, как и всякое давление, измеряется силой, действующей на единицу площади. Сила звука оцени­вается слухом как громкость: увеличение звукового давления приводит к увеличению громкости, уменьше­ние—к ослаблению ее. При средней громкости разго­вора звуковое давление равно примерно 1 дин¹, на 1 см².

При изучении воздействия звуков разной силы на слуховую систему определены так называемые пороги: порогом слышимости называют такое значе­ние звукового давления, при котором звук еле слышится и при уменьшении которого звук вообще перестает слы­шаться. При постепенном увеличении звукового давле­ния громкость звука возрастает до тех пор, пока не перейдет в ощущение боли: это значение звукового давления принято называть порогом болевого ощу­щения. Если изменять силу звука, обладающего ча­стотой в 1000 Гц, от порога слышимости до порога бо­левого ощущения, то окажется, что звуковое давление в этом случае изменяется приблизительно в 3 000 000 раз! Естественно, что измерение силы звука в абсолют­ных единицах затруднительно, поскольку значения зву­кового давления могут изменяться так сильно: это все равно, что определять размеры бактерий и млекопитаю­щих в одних и тех же единицах! В акустике используют относительные единицы, сравнивая звуковое давление, характеризующее данный звук, с некоторыми услов­ными значениями (например, со звуковым давлением, возникающим при образовании звука с частотой 1000 Гц, когда он находится на пороге слышимости). Единицей измерения интенсивности является децибел. Так, для звука 1000 Гц уровень силы звука, соответствующего порогу слышимости, равен 0 дБ, а уровень, соответствующий порогу болевого ощущения, — 130 дБ.

Заметим, что человеческое ухо по-разному оценивает громкость звуков, обладающих разной частотой: при одном и том же звуковом давлении звуки с частотой 1000—3000 Гц слышны лучше, оцениваются как более громкие, чем звуки с частотой 100—200 Гц.

¹ Единица силы, которая массе тела в 1 г сообщает ускорение в 1 см/с², называется диной (дин), а давление измеряется в ди­нах на квадратный сантиметр (дин'/см²).

Время звучания и длительность звука

Звуки речи, как и другие звуки, различаются друг от друга и по времени звучания: одни из них могут продолжаться большее время, другие, — меньшее. Дли­тельность звуков речи измеряют в тысячных долях се­кунды— миллисекундах (мс). Так, длительность ударного гласного а в слове сад, произнесенном в нор­мальном (т. е. не очень быстром и не очень медленном) темпе, будет составлять приблизительно 250—300 мс, длительность второго предударного а в слове садовод — около 60 мс. Специальные опыты показывают, что че­ловеческое ухо может замечать очень тонкие различия в длительности звуков, и эта особенность используется в звуковой системе языка. Опытным путем установлена так называемая постоянная времени челове­ческого слуха, т. е. такая минимальная длитель­ность звука, при которой ухо может успеть проанализи­ровать, «узнать» этот звук. Эта величина равняется при­близительно 30—50 мс.

Спектр звука и тембр

Звуки возникают в результате простых или слож­ных колебательных движений. Примером сложного звука может быть пример с той же колеблющейся струной. Если мы приведем струну в состояние коле­бания, то получим самую низкую частоту, которую струна может издавать. Эта частота называется основ­ной частотой или частотой источника. •Прикоснувшись к средней части струны, приведем ее в состояние колебаний. В результате услышим звук, который в два раза выше основного тона. Он образу­ется вследствие того, что каждая из двух половинок струны колеблется отдельно, и при этом частота коле­баний в два раза больше, чем частота колебаний всей струны. Практически струна совершает не только ко­лебания с основной частотой, но и с частотой в два, три, четыре, пять и т. д. раз более высокой, чем основ­ная частота. Образующиеся в результате этих колеба­ний тоны называются обертонами или гармо­никами основного тона; их основное свойство заключается в том, что частота их всегда в кратное число раз выше частоты основного тона, а интенсивность тем слабее, чем выше частота.

Голосовые связки человека, которые можно сравнить с колеблющимися струнами, совершают именно такие сложные колебания.

Таким образом, одна из причин возникновения слож­ных звуков — наличие сложных колебательных движе­ний, образующих как основной тон, так и обертоны.

Для того чтобы понять другую причину возникнове­ния сложных звуков, нужно обратиться к явлению резонанса. Ранее уже говорилось о том, что источ­ником звуков могут быть колебания самых разных тел. В частности, многие из музыкальных инструментов основаны на движении воздушных столбов, содержа­щихся в трубах, или на движении масс воздуха, со­держащихся в сосудах определенной формы (флейта, дудка, орган и т. д.). Объем воздуха, заключенный в полое тело, имеет всегда собственные частотные харак­теристики, т. е. имеет собственную частоту колебаний. Если к этому полому телу поднести какое-либо звуча­щее тело, частота колебаний которого совпадает с его собственной частотой, то звук станет намного громче, так как воздух, заключенный в этот объем, начинает колебаться с собственной частотой и усиливает гром­кость исходного звука. Такое полое тело называют обычно резонатором. Собственная частота резона­тора может совпадать или с частотой источника звука или же с каким-нибудь из обертонов. В первом случае усиливается основной тон, во втором — один из оберто­нов. Так, сложный звук, содержащий основной тон и обертоны, может значительно измениться по качеству, если один из обертонов будет усилен несоответственно своей частоте (уже говорилось о том, что чем выше частота обертона, тем меньше его интенсивность).

Чтобы охарактеризовать какой-либо сложный звук акустически, необходимо получить представление о часто­те его источника, о частоте гармоник основного тона и об относительной интенсивности всех его частотных состав­ляющих (т. е. о том, как основной тон и гармоники отно­сятся друг к другу по интенсивности). Когда получаем эти характеристики звука, то имеем дело со спектром звука.

Такой спектр, представляющий совокупность значе­ний амплитуд гармоник, называется амплитудно-частотным спектром данного колебания. Спектр зву­ка в определенной степени влияет на субъективное вос­приятие тембра звука.

Когда говорим о колебательных движениях, совер­шаемых струной, то замечаем, что эти движения могут повторяться одно за другим несколько раз подряд. Такое движение называется периодическим, а звук, получаемый в результате такого движения, — перио­дическим звуком. Интервал между двумя одинако­выми движениями называют периодом звука. Представим себе, что на середину струны мы укрепили источник света (например, маленькую электрическую лампочку), а затем привели эту струну в состояние ко­лебания. Струна колеблется в темноте, а мимо нее с равномерной скоростью протягиваем светочувствитель­ную бумажную ленту. При этом получаем на ленте графическое изображение простого колебания. Такую кривую принято называть синусоидой. Периоди­ческие звуки, получаемые в результате синусоидальных колебаний, называются гармоническими. Приме­рами гармонических звуков являются уже знакомые нам колебания струн и колебания голосовых связок чело­века, периодическим-и колебаниями могут быть и незву­ковые колебания, например движения маятника.

Как видно, далеко не каждое периодическое коле­бание является гармоническим. Например, щелканье трещотки через равные и относительно небольшие про­межутки времени является периодическим негар­моническим сигналом.