научная статья по теме АППРОКСИМАЦИЯ РЕЧЕВОГО ТРАКТА КОНИЧЕСКИМИ РУПОРАМИ Физика

Текст научной статьи на тему «АППРОКСИМАЦИЯ РЕЧЕВОГО ТРАКТА КОНИЧЕСКИМИ РУПОРАМИ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2009, том 55, № 2, с. 256-265

АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА

УДК 612.85

АППРОКСИМАЦИЯ РЕЧЕВОГО ТРАКТА КОНИЧЕСКИМИ РУПОРАМИ

© 2009 г. И. С. Макаров

Институт проблем передачи информации РАН 101447Москва, Б. Каретный пер. 19 E-mail: speechprod_mak@mail.ru Поступила в редакцию 18.02.08 г.

Статья посвящена систематическому исследованию метода длинной линии применительно к речевому тракту, аппроксимированному последовательностью конических рупоров. Построенная схема описывает распространение плоских волн в конических рупорах с учетом всех факторов, представляющих интерес для акустической теории речеобразования, — потерь, податливости стенок речевого тракта, а также возможного наличия разветвляющих каналов. Выведенные уравнения протестированы на площадях поперечных сечений речевого тракта, измеренных с помощью магнитно-резонансной томографии на реальном дикторе.

PACS: 43.72.PF, 43.72.FX

ВВЕДЕНИЕ

Для решения многих задач теории речеобразования и речевых технологий необходимо вычислять передаточную функцию речевого тракта и его переносной акустический импеданс по заданной функции его площади поперечного сечения [1, 2]. При этом под передаточной функцией обычно понимается отношение Фурье-образов объемных скоростей на обоих концах тракта (например, на губах и на голосовой щели), а под переносным акустическим импедансом — отношение Фурье-образов давления в некотором сечении речевого тракта и объемной скорости в том же сечении.

Математически задача определения передаточной функции речевого тракта (или его акустического импеданса) сводится к решению спектральной задачи с заданными граничными условиями для уравнения Вебстера:

В качестве граничного условия на голосовой щели (х = 0) обычно принимается граничное условие второго рода (абсолютно жесткая стенка):

дР

дх

= 0.

(2)

: = 0

В качестве граничного условия на губах (х = Ь, Ь — длина речевого тракта от голосовой щели до губ) принимается граничное условие импеданс-ного типа:

Р( L, ую) = ZL(j ю) U( L, j ю).

(3)

Здесь и(х, ую) — Фурье-образ объемной скорости в речевом тракте, ZL(jю) — акустический импеданс излучения на губах, обычно определяемый как [3]

ZlO-ю) = ^

Рос(ю2а_ + j8 ю о\ 2 3 я

(4)

L 4 2 с

дХ Ых) dp = -S( х )ю Р.

дх v дх; с2

(1)

Здесь Б(х) — площадь поперечного сечения речевого тракта, х — координата вдоль средней линии тракта, Р(х, ую) — Фурье-образ звукового давления в тракте, с — скорость звука в речевом

тракте, ю — круговая частота (рад/с), у = 4—1 . Это уравнение справедливо в диапазоне частот ниже 4.5 кГц для неизменной во времени площади Б(х) [1].

Здесь р0 — плотность воздуха, — площадь излучающего отверстия, а — радиус излучающего отверстия.

В акустической теории речеобразования известно множество алгоритмов решения уравнения (1) [2]. Одним из наиболее популярных методов решения (1) является метод длинной линии. В этом методе речевой тракт аппроксимируется последовательностью N цилиндрических однородных труб. Предполагая, что в тракте отсутствуют разветвления, потери, и принимая стенки тракта абсолютно жесткими, можно получить

следующее матричное уравнение схемы длиннои линии [3]:

( „ \

V и,

(

А В

V СБ )

(

V и)

(5)

где

/ Л А В

V СБ

N

п

I = 1

сИ(у/;.) -^(у/,)

-А (у/,) сИ (у /,)

V р0с )

(6)

Здесь Ц — длина /-той цилиндрической секции, Б1 — ее постоянная площадь поперечного сечения, у = ую/с.

Модификации схемы (5), учитывающие разветвления в речевом тракте, различные виды потерь и податливость стенок речевого тракта, построены в [4—7]. Известны также обобщения схемы длинной линии на случай трехмерного речевого тракта [8].

Описанная схема длинной линии имеет, по крайней мере, два недостатка. Во-первых, для достижения надлежащей точности определения передаточной функции и переносного акустического импеданса речевого тракта требуется аппроксимировать его весьма большим количеством цилиндрических секций — от 20 [5] до 44 [9]. Это приводит к большому количеству вычислительных операций.

Во-вторых, аппроксимация речевого тракта цилиндрическими секциями наиболее эффективна для звуков, не имеющих коротких узких щелей в тракте. К таким звукам относятся, прежде всего, гласные звуки. С другой стороны, для фрикативных звуков, акустические характеристики которых сильно зависят от местоположения и размеров сужения [1], аппроксимация тракта цилиндрическими трубами может оказаться неадекватной [10].

Известно, что ступенчатая интерполяция произвольной функции снижает ошибку аппроксимации очень медленно, но повышает сложность вычислений. Поэтому в ряде работ [1, 10] высказано предположение, что использование конических секций вместо цилиндрических для аппроксимации формы речевого тракта может существенно повысить точность либо при заданной точности уменьшить число требуемых секций. В работе [10] использовались два конических рупора для аппроксимации участка максимального сужения в тракте при артикуляции некоторых типов фрикативных согласных. В работе [11] приведены без вывода соотношения длинной линии для волновода, аппроксимированного последовательностью конических рупоров. При этом

предполагалось, что разветвления в волноводе отсутствуют, а площади поперечных сечений любой пары рупоров в месте их сочленения одинаковы. Впоследствии эти соотношения были использованы авторами работ [12, 13] для определения передаточных функций речевого тракта без разветвлений.

Настоящая работа посвящена систематическому исследованию метода длинной линии применительно к речевому тракту, аппроксимированному последовательностью конических рупоров. Для этого случая будут выведены матричные уравнения, обобщающие соотношения (5)—(6). На основе этих уравнений будут построены схемы, учитывающие наличие разветвлений в речевом тракте, потерь и податливости стенок тракта.

ТЕОРИЯ

Рассмотрим сначала один конический рупор кругового поперечного сечения, пренебрегая наличием потерь, податливостью его стенок и возможным присутствием разветвляющих рупоров. Пусть х — координата, отложенная вдоль средней линии рупора от одного конца (х = 0) до другого (х = I), I — длина рупора. Если г — радиус поперечного сечения рупора при х = 0, а Я — радиус поперечного сечения рупора при х = I, то площадь поперечного сечения рупора как функция координаты х определяется как:

S(x) = п г2( 1 + —--^х)2 = (1 + рх )2. (7)

Здесь = пг2, р = ——г — коэффициент рас-г/

твора рупора.

Подставляя (7) в (1), получаем:

у

И + _2-в_йР + к2р = 0. йх2 1 + Рхйх

(8)

Здесь к = ю/с.

Будем искать решение уравнения (8) в виде [14]:

Р(х,ую) = М(х,ую) ехр(-2 X=

= М( х, у ю) -

1

(9)

1 + р х

Подставляя (9) в (8), получаем:

2

й2М + к2 М = 0.

йх

Решение уравнения (10) записывается как

М(х, ую) = р ос( С г1* + Сг г'*), у = ук.

(10)

Здесь С1 и С2 — некоторые произвольные константы. Из (9) и (11) получаем решение уравнения (8) в виде

Р (х, у ю) =

Р о с 1 + в х

( С1г ^ + С2 г'*).

(12)

Б( х )дР = -уюрои. д х

(13)

Дифференцируя (12) по х и подставляя в (13), получаем:

X I С1 г

и(х, у ю)

У +

= с Б( х) ую( 1 + р х)

1 + р х.

- С2г'

__в_"

1 + р х.

(14)

Для определения констант С1 и С2 введем следующие граничные условия на обоих концах рупора:

Ро = (о, ую), ио = и(0, у ю) Р/ = Р( /, ую), и, = и(/, ую).

(15)

Исключая константы С1 и С2 из (12) и (14) и используя соотношения (15) при х = 0, I, получаем:

(

р, 1

V и)

1

1 + р/

рБ0

1 УРоС

Б (1 + р /)

(16)

Г !Г

сИ(у/) -роС(у/)

(у /) Рос

сИ (у/)

р

УРос Б(

V ио)

о )

ны соотношением (16). В месте сочленения рупоров выполняются следующие граничные условия:

Р1 (/,, ую) = Р +1( 0, ую)

и (/ , ую) = и, +1( 0, у ю).

(17)

Можно показать [15], что Фурье-образы давления Р(х, ую) и объемной скорости Щх, ую) связаны следующим соотношением:

Из этих граничных условий сразу получаем необходимую систему уравнений в векторно-мат-ричной форме:

р,4 и,)

N

п

1 = 1

Ф,г,н

Г р! 1 &

V и,)

Г

А В

V СБ )

Р

V и,)

(18)

Здесь Р^, Щ — Фурье-образы давления и объемной скорости на голосовой щели, а Рь, — Фурье-образы давления и объемной скорости на губах. Матрицы Ф;, Г;, Н(- определяются следующим образом:

(

Ф =

1

1+р /

рЛ,

V УРос

о

Б>,,( 1 + р,/,)

(19а)

Г ^

сИ (У /,) —РоС (У /,)

Г =

(у/,-)

РоС

сИ (у /,)

(19Ь)

Н =

о

УРо с Бо,,

р

(19с)

Уравнение (16) связывает давление и объемную скорость на одном конце рупора с давлением и объемной скоростью на другом его конце.

Пусть теперь речевой тракт аппроксимируется последовательностью конических рупоров, где ¡1 — длина /-того рупора, р; — коэффициент раствора /-того рупора, N — общее количество рупоров. Введем для каждого рупора независимую координату х, 0 < х I < ¡¡, ¿0,1 — площадь / — го рупора при х = 0.

Пусть Р,, Щ/ — Фурье-образы давления и объемной скорости в /-том рупоре, а Р/ +1, Щ +1 — Фурье-образы давления и объемной скорости в ( / + 1)-ом рупоре. Тогда для каждого рупора образы давления и объемной скорости на обоих концах связа-

Уравнение (18) является искомым. Оно обобщает схему длинной линии на случай волновода, аппроксимированного коническими рупорами кругового поперечного сечения. Если положить р = 0, то уравнение (18) перейдет в уравнение (6).

Определим передаточную функцию речевого тракта как Т(ую) = Щ^/Щ^ а входной акустический импеданс в речевой тракт со стороны голосовой щели — как Zin(jю) = Ря/и . Из (18) получаем:

ГЦ ю) =

1

А - С/,

/,Р - В

Лп (у ю) = —-,

' А - С/,

(20)

Предположим теперь, что речевой тракт в некоторой точке вдоль средней линии разветвляется одним боковым проходом. Тогда тракт, аппроксимированный последовательностью конических рупоров, может быть разбит на три части — от голосовой щели до точки разветвления (номера рупоров от первого до /-го), от точки разветвле-

X

X

ния до губ (номера рупоров от (/ + 1)-го до ^го) и разветвляющий канал, аппроксимированный К рупорами. Тогда связь между Фурье-образами давления и объемной скорости на голосовой щели и в точке х1 = ^ определяется из (18) следующим образом:

В точке разветвления имеем следующие граничные условия:

РП = Ри = ршЫ1

и» = и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком