Речевой тракт как акустическая система

Легкие и функционально связанные с ними дыхательные мускулы являются источником голосовой энергии. При образовании вокализованных звуков выталкиваемый воздух приводит в колебание голосовые связки, которые функционируют как релаксационный генератор. При этом воздушный поток модулируется и преобразуется в дискретные толчки импульсы. Невокализованные звуки возбуждаются либо при прохождении воздушного потока через сужение в передней части тракта, либо при образовании полной смычки, создании избыточного давления воздуха за смычкой и резком его высвобождении. В первом случае возникают вихревые потоки воздуха и некогерентные звуки. Во втором случае возбуждение тракта сопровождается быстротечным переходным процессом. Физическая конфигурация речевого тракта весьма изменчива и определяется положением артикулярных органов, а именно языка, губ и небной занавески. Положением последней определяется величина связи с носовым трактом.

Рисунок 2 – Схематическое изображение функциональных узлов речевого тракта.

На рисунке обозначены:1 –небная занавеска; 2 –носовая полость; 3 –излучения носового тракта; 4 –излучения рта; 5 –ротовая полость; 6 –поднятая часть языка; 7 –гортанная трубка; 8 –трахея и бронхи; 9 –мускульная сила; 10 –объем легких;11 –голосовые связки.

В общем для процесса речеобразования преобладающее значение имеет несколько основных участков тракта. К ним относятся: а) относительно длинная полость, образуемая в задней нижней  части горла в области глотки; б) узкий проход в области поднятой части языка; в) переменной величины проход, образуемый небной занавеской при входе в носовой тракт; г) относительно широкая передняя часть ротовой полости; д) излучающие отверстия, образуемые губами и зубами, а также ноздрями.

Вокализованные звуки всегда возбуждаются в одном и том же месте, а именно у голосовых связок. Звонкие звуки излучаются через рот или через нос, или одновременно через рот и нос. Глухое (невокализованное) возбуждение прикладывается к акустической системе в точке, где возникает турбулентный поток воздуха либо высвобождается воздух с повышенным давлением. Глухие звуки, как правило, излучаются через ротовое отверстие. Все звуки, генерируемые артикуляторным аппаратом, могут быть описаны свойствами источника возбуждения и акустической системой передачи.

Длина голосового тракта (около 17 см у мужчин) вполне сравнима с длиной звуковой волны в воздушной среде на слышимых частотах. На частотах выше нескольких сотен герц следует учитывать волновой характер движений системы. Голосовой и носовой тракты образуют неоднородные по сечению трубы с потерями. Колебательные процессы в подобных трубах трудно поддаются описанию, даже для случая, когда отсутствуют потери. Строгие решения волнового уравнения получены только для двух законов изменения формы поперечного сечения, соответствующих коническому и гиперболическому рупорам. И только для конической формы получается однопараметрическая волна.

В силу того, что наибольший поперечный размер тракта значительно меньше длины волны (это обычно имеет место на частотах ниже примерно 4000 Гц), а также, поскольку поперечное сечение трубы не резко уменьшается (вызывая внутренние отражения волн), акустическая система приближенно может быть описана одномерным волновым уравнением. В этом уравнении, иногда называемым уравнение Вебстера, предполагается синфазное расположение фронтов волны по площади поперечного сечения. Оно имеет вид:

где A(x) –площадь поперечного сечения, р – звуковое давление (в функции t и x), с –скорость распространения звука.

В общем случае это уравнение может быть решено только численными методами и не учитывать потерь.

Так же труба может быть представлена в виде сочлененных прямых смежных секций круглой геометрии. Для такого приближения могут быть использованы, например, цилиндры, конусы, экспоненциальные или гиперболические рупоры. Хотя при квантовании функции площади поперечного сечения вносятся ошибки, их влияние может быть сделано достаточно малым, если длины секций, которыми достигается приближенное представление тракта, будут малы по сравнению с длиной волны на максимальной частоте, которую необходимо учитывать при анализе.