1.1 Pobudni signal vokalnog trakta

U prethodnom poglavlju je bilo objašnjeno kako se pojave širenja zvučnog vala i pojave radijacije ili zračenja na usnicama mogu opisati osnovnim fizikalnim zakonitostima. Radi potpunog opisa akustičkog procesa nastajanja govora potrebno je razmotriti i mehanizme stvaranja zvučnog vala u vokalnom traktu.

Postoje tri glavna mehanizma nastajanja zvučnog vala:

1. Tok zraka iz pluća je moduliran titranjem glasnica, što rezultira kvazi-periodičkom pobudom u obliku niza pulseva.

Slika

5.5‑1

Kvalitativni prikaz brzine protoka volumena zraka na glasnicama u(0,t)

2. Zračna struja koja izlazi iz pluća, prolazeći kroz uske prolaze u vokalnom traktu postaje turbulentna što uzrokuje formiranje šumovitog zvuka (glasa).

Slika

5.5‑2

Pojava turbulencija na mjestu suženja u vokalnom traktu

3. Dolazi do formiranja povišenog tlaka iza potpuno zatvorene prepreke u vokalnom traktu. Naglo otvaranje ove prepreke uzrokuje otpuštanje tlaka i nastaje pobudni signal u obliku naglog tranzijenta (eksplozije).

Detaljni pobudni model govornog signala u govornom sustavu uključuje pred-glasnički sustav (pluća, bronhije i trachea), glasnice i vokalni trakt. Doista, model koji je cjelovit u svim potrebnim detaljima je također potpuno sposoban modelirati čak i proces disanja, a ne samo proces nastajanja govora. Model koji je baziran na klasičnoj mehanici i mehanici fluida zbog svoje složenosti nije pogodan za primjenu. Međutim, kvalitativna diskusija osnovnih principa generiranja glasa bit će korisna za formiranje jednostavnijih modela koji se često koriste kao osnova za obradu govora.

Slika

5.5‑3

Shematski prikaz vokalnog sustava

Titranje glasnica je moguće objasniti uz pomoć blok sheme vokalnog trakta na slici 5.5‑3. Glasnice predstavljaju prepreku toku zraka iz pluća prema vokalnom traktu. Zbog pritiska u plućima, zrak iz pluća prolazi kroz otvor glasnica (engl. glottis). Prema Bernoulli-jevom zakonu, tlak na mjestu prepreke je niži nego lijevo i desno od nje (zato jer je protok veći). Uz pravilnu napetost glasnica ovaj sniženi tlak će privući i spojiti glasnice i potpuno zatvoriti tok zraka, kao što je označeno crtkanim linijama na slici 5.5‑3. Kada tlak iza zatvorenih glasnica ponovo dovoljno naraste, glasnice se ponovo razmiču i propuštaju zrak prema vokalnom traktu. Ovaj se proces ciklički ponavlja, tj. glasnice prelaze u stanje trajnog titranja.

Frekvencija titranja glasnica (otvaranja i zatvaranja) određena je:

Ø tlakom u plućima,

Ø napetosti i krutosti glasnica i

Ø površinom otvora glasnica u opuštenom položaju.

Ovo su kontrolni parametri modela ponašanja glasnica. Ovakav model mora uključivati i utjecaje vokalnog trakta, budući da varijacije tlaka u vokalnom traktu utječu na varijacije tlaka na mjestu glasnica.

U ekvivalentnom modelu vokalnog trakta korištenjem električke mreže, utjecaj vokalnog trakta na titranje glasnica može se nadomjestiti korištenjem ekvivalentnog tereta koji je spojen na električki izvor koji modelira titranje glasnica. Blok shema tog ekvivalentnog električkog modela glasnica prikazana je na slici 5.5‑4.

Slika

5.5‑4

Model glasnica

Slika

5.5‑5

Pojednostavljeni model glasnica

Matematički model glasnica opisan je skupom složenih nelinearnih diferencijalnih jednadžbi. Veza ovih diferencijalnih jednadžbi sa parcijalnim diferencijalnim jednadžbama koje opisuju vokalni trakt može biti predstavljena pomoću vremenski promjenjivog akustičkog otpora i induktiviteta. Ovi impedancijski elementi su funkcije od 1/A_G(t). Npr. kada je A_G(t)=0 (glasnice zatvorene), impedancija je beskonačna i brzina protoka zraka je jednaka nuli, tj. u(0,t)=0. Prema tome zrak iz pluća je automatski sasječen u pulseve. Primjer signala generiranih pomoću ovakvog modela prikazan je na slici 5.5‑6. Slika 5.5‑6 a) prikazuje brzinu protoka volumena zraka na glasnicama, a 5.5‑6 b) tlak na usnama za konfiguraciju vokalnog trakta kod izgovora glasa "a".

Iako su jednadžbe koje opisuju širenje akustičkog vala u vokalnom traktu i zračenje na usnicama linearne, zbog ovisnosti površine otvora glasnica o protoku zraka na ulazu vokalnog trakta, cjelokupni sustav je ipak nelinearan. Na sreću, to međudjelovanje vokalnog trakta i glasnica nije jako izraženo, pa se kod većine postupaka analize govora to međudjelovanje zanemaruje. Ovakvim zanemarenjem cjelokupni sustav se razdvaja na dva neovisna linearna podsustava: pobudni podsustav i prijenosni podsustav kao što je prikazano na slici 5.5‑5. U ovom slučaju u_G(t) je izvor brzine protoka čiji je valni oblik prikazan na slici 5.5‑6 a). Akustička impedancija na glasnicama Z_G dobivena je linearizacijom odnosa između tlaka i brzine protoka na glasnicama. Ova impedancija je slijedećeg oblika:

Slika

5.5‑6

Brzina protoka volumena zraka na glasnicama a), i tlak na usnicama b)

ZG(W)=RG+jWLG

(5.5‑1)

gdje su R_G i L_g konstante. Uz ovakvu konfiguraciju rubni uvjet na glasnicama u frekvencijskoj domeni postaje:

U(0,W)=UG(W)-P(0,W)/ZG(W)

(5.5‑2)

Akustička impedancija glasnica Z_G(W) utječe na širenje rezonantnih karakteristika vokalnog trakta, a njezin utjecaj je najznačajniji na niskim frekvencijama kod kojih Z_G(W) ima malu vrijednost (WL_G<<R_G). Pri višim frekvencijama impedancija je dominantno određena induktivnim članom, tako da modul |Z_G(W)| raste i sve veći dio u_G(t) ulazi u vokalni trakt, a sve manji u Z_G. Može se zaključiti da gubitak uslijed elastičnosti stjenki vokalnog trakta i gubitak uslijed akustičke impedancije glasnica utječu na širine nisko-frekvencijskih formanata, dok zračenje na usnicama, gubici zbog trenja i gubici zbog toplinske vodljivosti utječu na širine visoko-frekvencijskih formanata.

Bezvučni glasovi u govoru nastaju uslijed turbulencija zraka, do kojih dolazi kada brzina protoka volumena zraka na mjestu suženja prijeđe kritični iznos. Ovakav pobudni signal se uspješno modelira sa izvorom slučajnog šuma koji se postavlja na mjesto suženja, pri čemu je amplituda ovog šumovitog signala nelinearno vezana s brzinom protoka na mjestu suženja. Kod bezvučnih frikativa glasnice su opuštene i ne titraju, dok kod zvučnih frikativa pobudni signal ima i periodični i šumovit karakter, jer glasnice titraju. Do pojave turbulencija kod zvučnih frikativa dolazi u trenucima kada brzina protoka na mjestu suženja poprima maksimalni iznos, tj. u vrhovima glotalnih pulseva.

Zadnji tip glasova u govoru su eksplozivni glasovi koji se formiraju u dvije faze. U prvoj fazi vokalni trakt je na određenom mjestu potpuno zatvoren i tlak iza prepreke postepeno raste. U drugoj fazi dolazi do naglog otvaranja prepreke i zrak velikom brzinom izlazi i uzrokuje turbulencije koje se manifestiraju kao eksplozivni glas.