На правах рукописи
Бакаев Александр Васильевич
исследование ВОКАЛЬНОЙ РЕЧИ КАК
НЕСТАЦИНАРНОГО случайного процесса
и разработка критериев объективной оценки певческого голоса
Специальности: 01.04.06 – Акустика
05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог 2009
Работа выполнена на кафедре теоретических основ радиотехники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ).
Научный руководитель: доктор физико-математических
наук, профессор РЫЖОВ В.П.
(ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор ТИМОШЕНКО В.И.
(ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)
кандидат технических наук, доцент
ХАРУТО А.В.
(МГК им. П.И. Чайковского,
г. Москва)
Ведущая организация: ООО Конструкторское бюро
морской электроники «Вектор»
(г. Таганрог)
Защита состоится « 18 » июня 2009 г. в 1420 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 при Южном федеральном университете по адресу: Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд. Е-306
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного федерального университета.
Автореферат разослан « 8 » мая 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.т.н., доцент И.Б. Старченко
общая Характеристика работы
Актуальность работы. На современном этапе развития техники и технологий методы точных наук все более широко используются в гуманитарных областях. Электроакустические устройства и компьютерная техника применяются также в музыкознании. Не осталось ни одной области музыкальной теории и практики, где нельзя было бы использовать данные музыкальной акустики и ее средства, в частности, современные технологии цифровой обработки сигналов, для объективного изучения тех или иных музыкальных явлений. Традиционной областью применения акустических методов является музыка, в том числе вокальное искусство. Новые возможности компьютерной техники позволяют создавать модели акустических сигналов и разрабатывать алгоритмы их обработки.
Диссертационная работа направлена на исследование радиотехническими методами одного из важнейших коммуникативных сигналов – вокальной речи, которая оказывает на человека значительное эмоциональное воздействие. Научный интерес представляет природа образования высокой певческой форманты, нестационарность процесса звукоизвлечения, а также процессы исполнительской интонации, проявляющиеся в изменении мгновенной частоты акустических вокальных сигналов.
В рамках научного подхода в изучении процессов звукоизвлечения и звуковосприятия за последнее столетие было создано множество акустических, механических, а впоследствии, радиотехнических, в том числе цифровых моделей голосового и слухового трактов (Р. Юссон, Г. Фант, Дж.Ф. Фланаган, М.А. Сапожков, В.Н. Сорокин, В.П. Морозов, Е.А. Рудаков, Л. Рабинер, Б. Гоулд, И.А. Алдошина и др.). Данные модели позволяют установить связь физиологических процессов в речеобразовании и слуховом восприятии с соответствующими им электрическими и цифровыми аналогами.
Вокальная речь имеет ряд существенных отличий от разговорной, так как является результатом профессиональной постановки голоса, под которой понимаются специфические музыкальные, физические и дыхательные упражнения и занятия на протяжении нескольких лет под руководством опытных педагогов-вокалистов. Исследованиями особенностей разговорной и вокальной речи, а также процессами ее обработки занимаются многие современные ученые (В.П. Морозов, А.В. Харуто, И.А. Алдошина, И.Б. Старченко, и др.).
Часто вокальные акустические сигналы нуждаются в коррекции, под которой подразумевается изменение соотношений между спектральными составляющими, для улучшения звучания голоса певца.
Как правило, используемые модели и способы исследования вокальной речи являются детерминистскими, в них не учитываются ее стохастические и нестационарные свойства.
Таким образом, целью диссертационной работы является выявление информативных признаков профессиональной вокальной речи, в частности, экспериментальное исследование спектров вокальных акустических сигналов профессиональных и непрофессиональных исполнителей, анализ вокальной речи как нестационарного случайного процесса и разработка способа коррекции звучания певческого голоса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Исследовать особенности образования высокой певческой форманты на основе физической модели.
Экспериментально исследовать формантные характеристики спектров вокальных гласных профессиональных и непрофессиональных исполнителей во всем диапазоне исполнения, присущем группам мужских голосов.
Провести экспертную оценку полученных результатов.
Разработать метод анализа вокальной речи с учетом ее нестационарности. Исследовать вокальную речь как нестационарный случайный процесс.
Провести интонационный анализ исполнения произведений профессиональными вокалистами на основе анализа изменения мгновенной частоты основного тона.
Разработать и провести моделирование устройства, позволяющего педагогу-вокалисту производить коррекцию голоса обучающегося певца на основе коэффициента отношения интенсивностей формант.
Результаты, выносимые на защиту:
Уточненная модель образования высокой певческой форманты и исследования адекватности модели естественному процессу звукообразования.
Результаты экспериментального анализа спектров голосов профессиональных и непрофессиональных исполнителей на основе введенного коэффициента отношения интенсивностей формант (КОИФ). Экспериментально исследованные закономерности изменения КОИФ.
Результаты программного моделирования устройства коррекции голоса непрофессионального исполнителя.
Результаты экспертной оценки полученных после коррекции акустических сигналов.
Методика анализа вокальной речи как нестационарного случайного процесса.
Результаты корреляционного анализа вокальной речи как нестационарного случайного процесса.
Результаты интонационного анализа исполнения произведений профессиональными вокалистами и певческого вибрато на основе исследования изменения мгновенной частоты основного тона.
Научная новизна:
Обоснована уточненная модель механизма образования высокой певческой форманты (ВПФ) и представлена доказательная база к объединению теорий образования ВПФ В.П. Морозова и Е.А. Рудакова на основе расчета физической модели.
В качестве критерия оценки певческого голоса на основе экспериментальных исследований спектров вокальных гласных профессиональных и непрофессиональных исполнителей введен коэффициент отношения интенсивностей формант (КОИФ).
Выявлена зависимость изменения КОИФ от частоты основного тона для всех типов мужских голосов.
Разработан новый способ корреляционного анализа вокальных акустических сигналов как нестационарных случайных процессов. Получены «нестационарные портреты» голосов профессиональных и непрофессиональных исполнителей.
Практическая значимость:
Результаты исследования позволяют дополнить субъективные оценки голоса начинающего певца объективными характеристиками на основе КОИФ и тем самым уменьшить вероятность ошибочных решений при его обучении.
На основе данных, полученных при экспериментальном исследовании спектров вокальных гласных профессиональных исполнителей, разработан алгоритм и произведено моделирование устройства коррекции певческого голоса с использованием КОИФ. Полученные программные решения могут быть применены в практике обучения вокалистов с целью прогнозирования звучания их голосов в будущем, а также при обработке старых аудиозаписей с грампластинок и в других областях.
Разработанный и экспериментально апробированный метод корреляционного анализа вокальных акустических сигналов как нестационарных случайных процессов позволяет проводить визуальную трактовку результатов без специального технического образования.
Разработана методика анализа изменения мгновенной частоты акустических вокальных сигналов, позволяющая оценить форму и размах певческого вибрато, а также его нестационарный характер.
Методы исследования. Проведенные в работе исследования базируются на применении теории спектрального анализа, а также корреляционного анализа случайных процессов. Используются также методы экспериментальных исследований акустических сигналов и методы цифрового моделирования сигналов и устройств.
Внедрение результатов работы. Полученные при выполнении диссертационной работы результаты нашли применение в научных исследованиях и учебном процессе кафедры теоретических основ радиотехники ТТИ ЮФУ в курсах «Акустика» и «Зрительно-слуховое восприятие аудиовизуальных программ», а также в Ростовской государственной консерватории (академии) им. С.В. Рахманинова. Использование новых научных результатов позволило улучшить методическое обеспечение, повысить наглядность по указанным дисциплинам, а также повысить эффективность учебного процесса у студентов-вокалистов.
Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VII и VIII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» Таганрог, ТРТУ, 2004 г., 2006 г.; Международные научные конференции «Оптимальные методы решения научных и практических задач» (2005 г.), «Цифровые методы и технологии», (2005 г.), «Информационные технологии в современном мире» (2006 г.), «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем» (2007 г.), «Проектирование новой реальности» (2007 г.); «Информация, сигналы, системы: вопросы методологии, анализа и синтеза» (2008 г.), «Инновации в обществе, технике и культуре» (2008 г.), Таганрог, ТРТУ, ТТИ ЮФУ; Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и ученых «Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2006», Севастополь, СевНТУ, 17-21 апреля 2006 г.; Международная научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Музыкальное искусство и наука в современном мире», Астрахань, АГК, 18 мая 2006 г.; Международная научная конференция «Информационная культура общества и личности в XXI веке», Краснодар, КГУКиИ, 20-23 сентября 2006 г.; Всероссийская научная конференция «Психология и фониатрия: их роль в воспитании молодых вокалистов», Астрахань, АГК, 2007 г.; LIII научно-техническая конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ, Таганрог, ТТИ ЮФУ, 2008 г.; Всероссийская научная конференция с международным участием «Исполнительское искусство и музыковедение. Параллели и взаимодействия», Москва, ГКА им. Маймонида, 6-9 апреля 2009 г.; IV Международная научная конференция «Музыка народов мира: проблемы изучения», Москва, МГК им. П.И. Чайковского, 11-12 апреля 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них 5 статей (3 статьи в центральной печати) и 11 статей и тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Содержание диссертации изложено на 146 страницах и включает 105 рисунков, 32 таблицы и список литературы из 65 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначены цель и основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, показаны научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание диссертационной работы.
В первой главе рассмотрены основные характеристики и особенности разговорной и вокальной речи. В п. 1.1 описаны процессы образования речевых сигналов, рассмотрена резонаторная функция речевого аппарата, приведен обзор физических и электрических моделей формирования речевого и вокального звука, а также моделей голосового тракта. В п. 1.2 рассматриваются основные характеристики вокальной речи.
Следствием отличий вокальной речи от разговорной является более широкий частотный диапазон, большой динамический диапазон, особое спектральное распределение мощности и пр.
Субъективные оценки тембра певческого голоса связаны, прежде всего, с его спектральными характеристиками, которые зависят как от спектрального состава звука, создаваемого голосовым источником, так и от использования резонансных свойств артикуляционных органов. Поэтому особые требования к тембру певческого голоса приводят к особенностям в настройке резонансов голосового тракта, т.е. его формантных частот.
Одним из главных отличий вокальной речи от разговорной является высокая певческая форманта – это группа усиленных обертонов в области 2000-2700 Гц у мужчин и 2700-3500 Гц у женщин, придающих голосу «звонкость» и «полетность» (по терминологии педагогов-вокалистов). Также в спектре голоса певца присутствуют область низкой певческой (первой речевой) форманты (НПФ) (200 Гц – 1200 Гц) и область средней певческой (второй речевой) форманты (СПФ) (800 Гц – 1800 Гц).
Природа образования НПФ общепризнанна и не подвергается сомнению со стороны исследователей, однако механизм образования ВПФ вызывает споры.
В п. 1.3 рассматриваются две основных теории образования высокой певческой форманты: образование ВПФ посредством эффекта «краевых тонов» Е.А. Рудакова и резонансная теория происхождения ВПФ В.П. Морозова.
В диссертации предлагается взгляд на эту проблему с точки зрения теории сигналов.
Модель формирования ВПФ голосовыми связками была представлена в виде периодической последовательности импульсов с огибающей в форме усеченных косинусоид с высокочастотным заполнением. После небольших преобразований амплитудный спектр этой последовательности выражается формулой:
 (1)
где Аn – амплитуда n-й гармоники спектра;  – длительность импульса; w=2πf – частота основного тона; w0= 2πf0 – частота заполнения; Т – период следования импульсов основного тона.
После расчетов видно (см. рис. 1), что спектр такой последовательности имеет гармоники (номера гармоник 21 – 28) большой интенсивности (здесь и далее под интенсивностью понимается амплитуда спектральных составляющих) именно на частоте высокой певческой форманты. Для вычисления спектра данного сигнала частоту основного тона взяли равной 123 Гц (что соответствует si малой октавы), частоту высокочастотного заполнения усеченных косинусоид, равную 3000 Гц.
Анализ голосов профессиональных исполнителей показал, что добротность резонансных полостей, настроенных на область высокой певческой форманты, имеет значения в пределах от 3 до 7. Такие значения добротности резонаторов не могут обеспечить высокую интенсивность ВПФ, которая наблюдается в спектрах голосов профессиональных вокалистов.
Рис. 1. Спектр представленной периодической последовательности импульсов с огибающей в форме усеченных косинусоид с высокочастотным заполнением
Таким образом, при постановке голоса у профессиональных исполнителей возникает механизм образования ВПФ посредством эффекта «краевого тона» с последующим выделением в резонаторной области, поэтому теории образования высокой певческой форманты Е.А. Рудакова и В.П. Морозова являются взаимодополняющими.
Во |
