Temat - Wróbel s. 49-73.docx

Gramatyka współczesnego języka polskiego. Fonetyka i fonologia cz. III s. 49-73

4.      Istota i struktura fal głosowych

Akustyczna teoria mowy traktuje o tym, iż struktura fal głosowych wytwarzanych
w procesie mówienia, powstaje w rezultacie oddziaływania jednego bądź kilku źródeł głosu na filtracyjny system kanału głosowego. Źródło głosu stanowi zatem akustyczne zakłócenie nałożone na strumień wydychanego powietrza. W niektórych językach źródłem głosu jest zakłócenie nakładające się na powietrze wdychane. Powietrze stanowi typowe środowisko dla mowy, jednak mowa oraz inne zjawiska akustyczne mogą powstawać i rozchodzić się we wszystkich ciałach gazowych, ciekłych, stałych, które charakteryzują się bezwładnością
i  sprężystością.

Ruch drgań akustycznych- ruch drgający poszczególnych cząstek materii wokół położenia równowagi, powstający na skutek bezpośredniego działania siły zakłócającej na wychylenie cząstek środowiska z położenia równowagi oraz siły zawracającej zmuszającej je do ruchu powrotnego.

Ciśnienie akustyczne- ciśnienie wywołane drganiami akustycznymi wyższe lub niższe od ciśnienia statycznego, tzn. takiego, które istnieje w środowisku sprężystym, niezakłóconym; ciśnienie to powstaje w sytuacji, gdy odchylenie się warstw cząsteczek od położenia równowagi w kierunku warstw sąsiadujących powoduje lokalny wzrost gęstości środowiska,
a ruch powrotny zmniejszenie gęstości w tym samym elemencie przestrzeni, co z kolei powoduje zmianę ciśnienia.

Fala ciśnienia akustycznego- to zjawisko rozchodzenia się zmian ciśnienia
w środowisku; wyróżnia się fale podłużne, których ruch jest zgodny z kierunkiem, w jakim cząstki wychylają się z położenia równowagi, z kolei w przypadku fal poprzecznych (np., fale elektromagnetyczne) ruch cząsteczek odbywa się w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu fali. Fale kuliste to takie, które w powietrzu i wielu innych środowiskach rozchodzą się jednakowo we wszystkich kierunkach, a ich czoła leżą na powierzchni kul współśrodkowych.   

W dużych odległościach od źródeł odcinek powierzchni kulistej traktuje się jako płaszczyznę, z kolei falę, jako płaską rozchodzącą się tylko w jednym kierunku. Drgające ruchy cząstek mogą mieć przebieg:

- okresowy (periodyczny)- wychylenie i pochodne wychylenia względem czasu- prędkości i przyspieszenia powtarzają się w regularnych odstępach czasu, gdzie najmniejszy przedział czasu nazywa się okresem ruchu, a zawarty w przedziale jednego okresu pełny przebieg ruchu cząstki określa się cyklem, z kolei częstotliwość oznacza cykl ruchu w danej jednostce czasu i stanowi odwrotność okresu; jednostkę częstotliwości stanowi „cykl na sekundę” (c/s) inaczej „herc” (Hz);

- nieokresowy ( nieperiodyczny).

Drganie proste- szczególny rodzaj drgania okresowego, którego wychylenie, prędkość,  przyspieszenie są sinusoidalnymi funkcjami czasu.

Amplituda- maksymalne wychylenie prędkości i przyspieszenia.

Drgania złożone- drgania akustyczne będące wynikiem nakładania się na siebie dowolnej liczby drgań prostych, wychylenie drgania złożonego stanowi algebraiczną sumę wychyleń drgań składowych.

Widmowa analiza drgania- postępowanie, w którym drgania złożone można rozłożyć za pomocą różnych metod analizy na drgania składowe, a jego efektem jest widmo drgania. Do najstarszych metod akustycznych (słuchowych) należy analiza za pomocą rezonatorów Helmholtza, gdzie funkcję rezonatorów pełnił szereg pustych, szklanych bądź metalowych kul różnej wielkości o ściśle ustalonej częstotliwości drgań własnych. Kule te miały dwa otwory, przez większy fala dostawała się do wnętrza, z kolei w mniejszym była osadzona krótka rurka, która przykładało się do ucha.

Tony- efekty słuchowe wywołane przez częstotliwości drgań prostych, a im wyższa częstotliwość drgań - tym wyższy ton.

Obecnie do analizy drgań akustycznych używa się różnego rodzaju spektrografy, czyli analizatory fali z wbudowanymi filtrami elektronicznymi, a efektem ich pracy zapisanym na papierze elektro czułym bądź wyświetlanym na ekranie monitora jest spektrogram, stanowiący obraz widma badanych sygnałów akustycznych. 

Szereg harmoniczny- stanowi częstotliwości ułożone w kolejności od najniższej do najwyższej. Jeżeli drganie okresowe ma składowe o częstotliwościach 50, 100, 150, 200, 250, 300 Hz, to częstotliwości te pozostają ze sobą w stosunku 1:2:3:4:5:6. Częstotliwość każdego drgania składowego począwszy od drugiego drgania stanowi w przebiegu okresowym wielokrotność częstotliwości pierwszego drgania ( 100 Hz= 2x50 Hz, 150 Hz = 3x50 Hz).

Wspólny podzielnik częstotliwości składowych harmonicznych odpowiada wartości częstotliwości podstawowej, czyli częstotliwości drgania złożonego. Zwykle podzielnikiem jest liczba określająca częstotliwość pierwszego drgania składowego. W przypadku częstotliwości różnicowej dochodzi do powstania tonu trzeciego w efekcie współbrzmienia dwóch tonów. Wysokość tego tonu zależy od częstotliwości wynikającej z różnicy między częstotliwościami tonów pierwotnych. Związane z tym wrażenie słuchowe nosi nazwę kombinacyjnego tonu różnicowego. W przypadku emitowania częstotliwości 200 i 300 Hz częstotliwość różnicowa wynosi 100 Hz. Częstotliwość różnicowa w szeregu harmonicznym silnego pierwszego drgania składowego warunkuje wysokość tonu podstawowego.

Widmo prążkowe- układ współrzędnych x= częstotliwość, y= amplituda, przedstawiony w prostokątnym układzie współrzędnych w postaci pionowych prążków, rozmieszczonych wzdłuż skali częstotliwości w równych odstępach, gdzie miejsce przecięcia prążków z osią x wskazuje częstotliwość poszczególnych składowych, a ich wysokość wartości amplitud odczytywanych z osi y. Odstępy pomiędzy dwoma kolejnymi prążkami odpowiadają częstotliwości podstawowej danego okresowego drgania złożonego.

Widmo drgań nieokresowych-suma nieskończenie wielu drgań sinusoidalnych
o dowolnych, nietworzących szeregu harmonicznego wartościach częstotliwości. Składowe takiego widma rozmieszczone są wzdłuż skali częstotliwości w sposób ciągły (widmo ciągłe).

Widmo mieszane- widmo częściowo dyskretne, częściowo ciągłe, powstające w wyniku nakładania się na siebie drgań okresowych i nieokresowych.

Bezwzględne wartości amplitud wychyleń drgań akustycznych można zastąpić ciśnieniem akustycznym (p) bądź natężeniem akustycznym, gdzie ciśnienie akustyczne stanowi wyższe lub niższe od ciśnienia statycznego, którego jednostkę stanowi baria (b) lub mikrobar. Z kolei natężenie akustyczne (I) stanowi ilość energii dopływającą w ciągu jednostki czasu do jednostki powierzchni odbiornika głosu, ustawionego prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali głosowej. Mierzy się je w jednostkach układu elektrycznego- mikrowatach na centymetr kwadratowy bądź w decybelach (dB). Poziomem natężenia akustycznego bądź intensywnością akustyczną nazywa się stosunek natężenia I w danym punkcie pola akustycznego do przyjętego umownie natężenia porównawczego.

Poziom natężenia akustycznego:

Poziom ciśnienia akustycznego:

Zależność pomiędzy wartością skuteczną, wartością chwilową, wartością maksymalną:

Drgania quasi-periodyczne, okresowe w przybliżeniu, prawie okresowe- powstające
w sposób naturalny w wyniku drgań wiązadeł głosowych, których cykle nie są identyczne
i nie powtarzają się w dokładnie takich samych odstępach czasu.

Dźwięki- wrażenia słuchowe wywołane przez okresowe drgania akustyczne.

Szumy- drgania nieokresowe i słuchowe efekty, rodzaj akustycznego zakłócenia.

Głos jest pojęciem nadrzędnym w stosunku do dźwięku i szumu, z kolei fale głosowe są równoznaczne z falami akustycznymi i odnosi się do okresowych i nieokresowych zmian ciśnienia rozchodzących się w przestrzeni, natomiast kanał głosowy stanowi miejsce powstawania obydwu źródeł głosu-dźwiękowego i szumowego.

Szumy (zakłócenia nieokresowe) dzielimy na:

- turbulencyjne (powstają w kanale głosowym podczas przeciskania się powietrza wypływającego z płuc przez szczelinę, która jest za mała w stosunku do jego masy
i prędkości-łagodne narastanie i zmniejszanie się amplitudy ciśnienia; wyróżnia się szum tarcia (frykatywny, afrykatywny) powstający podczas artykułowania spółgłosek szczelinowych lub ostatniego segmentu zwarto-szczelinowych oraz szum przydechu (aspiracyjny) znacznie słabszy od frykatywnego, towarzyszący wymawianiu samogłosek albo oddychaniu z otwartymi ustami;

- impulsowe (gwałtowne przerwanie blokady w kanale głosowym i nagłe uwolnienie nagromadzonego za zapora powietrza- impulsywny wzrost i spadek ciśnienia).

Granice między segmentami wyznacza zmiana rodzaju źródła. Krótkie przerwy w zapisie spektograficznym bądź oscylograficznym oznaczają nieobecność źródła. W pozycji przed segmentami impulsowymi przerwy te stanowią zerowe segmenty mowy.

Formanty- wynikające z rezonansowych właściwości jam ponadkrtaniowych skupienia energii w pewnych zakresach częstotliwości widma harmonicznego, nieharmonicznego lub mieszanego.

Częstotliwość formantu- częstotliwość, przy której występuje maksimum energii
w danym skupisku.

Kolejność formantów względem skali częstotliwości- od wartości niższych ku wyższym- oznacza się symbolami F1, F2, F3. Im dłuższy kanał głosowy - tym niższe częstotliwości formantów. Trzy pierwsze formanty, szczególnie F1 i F2 są „ruchliwe”, co oznacza artykulacyjne przesunięcia w kanale głosowym. Zmiana częstotliwości towarzysząca
w mowie ciągłej przejściom od jednego układu artykulacyjnego do następnego noszą nazwę ugięć.  

5.      Akustyczna charakterystyka i klasyfikacja głosek

W normalnej mowie polskiej, nieszeptanej - głoski monosegmentalne oraz części składowe głosek polisegmentalnych ze względu na rodzaj źródła stanowią dźwięki
(okresowy przebieg drgań), szumy (nieokresowy przebieg drgań) lub zjawiska głosowe dźwiękowo-szumowe (przebieg nieokresowy nałożony na przebieg okresowy).                                           Do dźwięków należą:

- samogłoski;

- dźwięczne spółgłoski boczne;

- dźwięczne spółgłoski nosowe;

- segment zwarcia dźwięcznych spółgłosek zwarto-wybuchowych;

- segment zwarcia dźwięcznych spółgłosek zwarto-szczelinowych;

- segmenty zwarcia i segmenty wokaliczne dźwięcznych spółgłosek drżących                 (wibrantów).

Do szumów należą:

- bezdźwięczne spółgłoski szczelinowe;

- bezdźwięczne spółgłoski boczne;

- bezdźwięczne spółgłoski nosowe;

- segmenty następujące po momencie zwarcia, tzn. po segmencie zerowym bezdźwięcznych spółgłosek zwarto-wybuchowych (szum impulsowy i jeden lub dwa szumy turbulencyjne);

- segmenty następujące po segmencie zerowym bezdźwięcznych spółgłosek zwarto-szczelinowych (szum impulsowy i trąca odmiana szumu turbulencyjnego);

- segmenty występujące po segmencie zerowym bezdźwięcznych spółgłosek drżących (szum impulsowy, szumy turbulencyjne).

              Struktura dźwiękowo-szumowa charakteryzuje:

- dźwięczne spółgłoski szczelinowe;

- segmenty następujące po momencie zwarcia dźwięcznych spółgłosek zwarto-wybuchowych;

- segmenty następujące po momencie zwarcia dźwięcznych spółgłosek zwarto-szczelinowych;

- segmenty następujące po momencie zwarcia ( a przed segmentem wokalicznym) dźwięcznych spółgłosek drżących.

              O rodzaju źródła informują określone cechy obrazu drgania i widma.

Badania mające na celu ustalenie cech widmowych charakteryzujących poszczególne typy głosek rozpoczyna się od analizy głosek izolowanych lub specjalnie dobranych
w „neutralnych” kontekstach. Uzyskane wyniki stanowią punkty odniesienia i ułatwiają rozpoznanie typów głosek na spektrogramach. Widma głosek uznawanych za takie same nie są identyczne, nawet jeśli głoski te wymawia ta sama osoba w tym samym kontekście. Nie ma dwóch identycznych widm, co związane jest z zakresem zmienności częstotliwości środkowej formantów lub jej wartości średniej.                                                                                     Cechą artykulacyjną spółgłosek nosowych jest obniżone położenie podniebienia miękkiego otwierające strumieniowi powietrza z nałożonym zakłóceniem okresowym dostęp do wylotu nosowego. Obecność rezonatora nosowego znajduje w widmach spółgłosek, podobne odbicie - jak w widmach samogłosek. W kształtowaniu akustycznej struktury spółgłosek nosowych uczestniczą sprzężone jamy gardłowa, ustna, nosowa, ale o cechach różnicujących te głoski decyduje udział jamy ustnej, ograniczony miejscem blokady przepływu powietrza.                                                                                                                              

              Antyformanty- szczególnie ostre minima energii, występujące w charakterystycznych dla poszczególnych spółgłosek częstotliwościach. Stanowią wynik bocznikującego oddziaływania na drganie pierwotne zamknięte w miejscu artykulacji rezonatora ustnego.

              Antyformanty spółgłosek nosowych, oznaczone symbolem F0, tworzą
z sąsiadującymi formantami następujące ugrupowania:

                                          [m]: F2-F0-F3

                                          [n]: F3-F0-F4

              Antyformanty, tak jak formanty, pojawiają się w tym wyższych częstotliwościach, im krótszy odcinek jamy ustnej sprzężony jest z pozostałymi jamami kanału głosowego, miejsce antyformantu nie zawsze jest wyraźnie widoczne na spektrogramie.

              Widma spółgłosek bocznych, wymówionych w obustronnym sąsiedztwie pauzy akustycznej i z takim samym układem narządów artykulacyjnych charakteryzują następujące cechy:

- występowanie F1 w częstotliwościach ok 400 Hz;

- energia F3 lub F4 wyższa niż energia F2;

- mniejsze niż w widmach samogłosek odległości między F3, F4, F5;

- występowanie antyformantu w częstotliwości między 3500 Hz a 4500 Hz.

Podczas artykulacji spółgłosek bocznych przepływ powietrza przez jamę ustną zablokowany jest u wylotu przez zwarcie przedniej części języka dziąsłami, zębami lub za dziąsłową częścią podniebienia. Z jednego lub dwóch boków tej zapory droga pozostaje otwarta. Taka konfiguracja jamy ustnej tworzy układ dwóch lub trzech sprzężonych równolegle rezonatorów, z których jeden z zamkniętym wylotem, powoduje stłumienie energii drgania akustycznego w określonych jego kształtem i rozmiarem częstotliwościach, czyli powstanie antyformantu.

Spółgłoski drżące (wibranty) składają się z występujących na przemian przebiegów typu spółgłoskowego i samogłoskowego o bardzo krótkim, wynoszącym od kilkunastu do kilkudziesięciu milisekund czasie trwania. Przebieg samogłoskowy jest zwykle dłuższy od spółgłoskowego. W wymowie przedłużonej obydwa elementy wibrantu powtarzają się periodycznie. Przebieg spółgłoskowy złożony jest z co najmniej dwóch segmentów.                             Wymawiane w języku polskim dźwięczne wibranty przedniojęzykowo-dziąsłowe składają się zwykle z dwóch przebiegów typu spółgłoskowego rozdzielonych segmentem samogłoskowym.                                                                                                                                                           Źródłem spółgłosek szczelinowych (frykatywnych, trących) jest jedna z odmian szumu turbulencyjnego- szum frykatywny (tarcia). Niektóre spółgłoski szczelinowe mają oprócz szumu drugie źródło- dźwięk wytwarzany w krtani. Miejsce powstawania szumu (miejsce artykulacji) decyduje o zakresie występowania składowych nieharmonicznych, częstotliwości i względnych poziomów formantów, częstotliwość antyformantów...