Строение уха, слуховое восприятие, формирование звуков речи и их свойства

При передаче речи на передающем конце тракта звуковые колебания ото рта говорящего воздействуют на микрофон, а на приемном конце тракта звуковые колебания, создаваемые телефоном, воздействуют на ухо слушающего. В воздушных пространствах между преобразователями и органами речи и слуха человека образуются звуковые поля, которые также являются звеньями тракта.

Энергетическими характеристиками звукового поля являются звуковое давление P(t) и интенсивность звука J.

Для звукового поля с плоскими волнами акустическое сопротивление измеряется в килограммах, деленных на метр квадратный в секунду (кг/м²с), и определяется по формуле откуда где - действующее значение акустической скорости; ρ - плотность воздуха; с - скорость звука. Поскольку по определению интенсивность звука является удельной мощностью, можно записать

При нормальном атмосферном давлении 760 мм рт.ст и температуре 20°С, плотность воздуха ρ=1,205 кг/м³, скорость звука с=344 м/с.

Звуковое ощущение у человека возникает вследствие воздействия на барабанную перепонку уха упругих колебаний среды. Ухо человека может улавливать только те звуковые колебания, интенсивность звука которых больше некоторой минимальной величины, называемой порогом слышимости (ПС). Кривая, соединяющая точки, соответствующие порогу слышимости каждой из частот, называется кривой порога слышимости. Для каждой частоты звукового диапазона с увеличением интенсивности звука возрастает громкость звука данной частоты до тех пор, пока в ухе не возникает ощущение боли. Эта величина интенсивности звука называется порогом болевого ощущения (ПВО). Кривая, соединяющая точки, соответствующие порогу болевого ощущения каждой из частот, называется кривой порога болевого ощущения. Указанными кривыми как по частоте, так и по интенсивности ограничена область слухового ощущения (рис. 2.1.1). Пороги слышимости звуков при моноуральном (одним ухом) ПСМ и биноуральном (двумя ушами) ПС слушании различны.

При воздействии на ухо человека сложных звуков (звуков речи, шума) со сплошным спектром частот каждое волокно основной мембраны внутреннего уха возбуждается не только звуковым колебанием с резонансной частотой, которой соответствует частота его собственных колебаний, но и составляющими спектра, лежащими ниже и выше резонансной частоты в определенных пределах. Полоса частот, ограниченная этими пределами, называется критической полосой слуха . Она характеризует интегральную и избирательную способности слуха по частоте. За счет интегральной способности слуха происходит усиление слухового ощущения на каждой частоте спектра. Приращение уровня ощущения в этом случае оценивается логарифмической шириной критической полосы слуха .

Мерой громкости звука является уровень громкости. Звуковые колебания с разными частотами и одинаковыми интенсивностями воспринимаются органом слуха с разной громкостью. Колебания с разными частотами и интенсивностями могут восприниматься с одинаковой громкостью, если точки, соответствующие этим интенсивностям, лежат на одной кривой равной громкости. Например, громкость звука f=0,2 кГц и J=10^-8 Вт/м² будет равна громкости звука f=1 кГц и J=2*10^-10 Вт/м². Такие звуки называются равногромкими.

Уровень громкости звука любой частоты определяют уровнем интенсивности звука с частотой 1000 Гц равногромкого с этим звуком. Уровень громкости измеряется в фонах (фон). Уровень громкости звука определенной частоты определяется по кривым равной громкости или рассчитывается по формуле где - интенсивность звука f=1000 Гц, равногромкого с заданным звуком.

Человеческое ухо обладает свойством изменять свою чувствительность, приспосабливаясь к громкости воспринимаемого звука вследствие изменения порога слышимости. Это свойство называется адаптацией слуха. Процесс адаптации происходит не мгновенно, а с некоторым запаздыванием во времени (3...5 с). С этим явлением приходится считаться при разработке схем телефонных аппаратов.

Если орган слуха находится под воздействием двух звуков с давлениями Р_м и Р₁ то более громкий звук, даже при значительной разнице в частотах, заглушает слабый звук и ухо воспринимает не два, а один звук. Это явление называется маскировкой звука.

Звуки речи образуются в результате работы голосового аппарата человека. В процессе разговора легкие через бронхи и трахею создают поток воздуха, поступающий через вибрирующие голосовые связки. Голосовые связки, то сжимая, то открывая голосовую щель, пропускают воздух импульсами, частота следования которых постоянна для данного человека и равна частоте свободных колебаний голосовых связок. Частотный спектр получающегося при этом звукового давления) содержит большое число гармонических составляющих, амплитуда которых уменьшается с частоты. Частота характеризует тон голоса говорящего: бас - 80...320 Гц; сопрано - 250.. 1200 Гц. Основной тон в большинстве случаев почти не играет роли для распознавания звуков речи. При этом 65% мощности приходится на звуковые колебания с частотами до 500 Гц. Воздушная струя проходит через систему резонаторов, которые образуются воздушными объемами полостей рта и носоглотки, видоизменяющихся в процессе произнесения различных звуков положением языка, зубов и губ.

Наличие этой системы резонаторов обусловливает изменение гармонических составляющих: амплитуды одних усиливаются, других ослабляются. Характерные для разных звуков речи усиленные области частот называются формантными областями или просто формантами. Форманта характеризуется либо занимаемой ею частотной полосой, либо средней частотой, соответствующей максимуму амплитуды звукового давления в формантной полосе, и средним уровнем энергии в этой полосе.

Звуки речи различаются друг от друга по числу формант и их расположению в частотном спектре. Разборчивость передаваемой речи зависит от того, какая часть формант дошла до уха, слушающего без искажений, а какая исказилась. Менее мощные составляющие, лежащие между формантами, определяют индивидуальные особенности голосового аппарата человека, тембр речи и вместе с основным тоном позволяют узнавать говорящего по голосу.

Рисунок 2.1.6 - Амплитудно-частотный спектр сформированного звука

На основании исследования звуков русской речи, можно указать основные их спектральные и временные характеристики.

К спектральным характеристикам относятся:

· диапазон частот звуков русской речи, занимающий полосу частот 80...12000 Гц;

· диапазон основных тонов, занимающий полосу 80...300 Гц, причем частота основного тона при разговоре составляет для мужчины 150 Гц, для женщин 250 Гц;

· диапазон формант, занимающий полосу частот 200…8600 Гц;

· число формант в звуках, достигающее в отдельных звуках шести. Однако определяющими для каждого звука являются одна или две из них. Большая часть формант находится в диапазоне частот 300…3400 Гц, поэтому этот диапазон частот рекомендован МККТТ для передачи речи по телефонному тракту;

· спектр речи, характеризующий зависимость среднего в течение длительного времени спектрального уровня интенсивности речи В_р от частоты.

К временным характеристикам относятся:

· длительность звуков речи, лежащая в пределах 20...260 мс, причем гласные звуки длительнее согласных;

· длительность пауз в непрерывном разговоре, составляющая 16% суммарного времени разговора.

Мощность звуковых колебаний речи весьма мала. Средняя мощность при шепоте 0,01 мкВт, нормальном разговоре 10 мкВт, при крике отдельные пиковые значения составляют 5000 мкВт. Диапазон изменения мощности звуков речи выражают в логарифмическом масштабе, измеряют в децибелах и называют динамическим диапазоном речи:

По телефонным трактам обеспечивается передача более узкого динамического диапазона речи, составляющего 30...40 дБ.

Дата добавления: 2015-12-08