2. študentská vedecká konferencia, Filozofická fakulta Prešovskej univerzity v Prešove, 4. 5. 2006
FARBA HLASU A JEJ PRAKTICKÉ VYUŽITIE
Lucia VAĽOVÁ
VÝCHODISKÁ PRE SKÚMANIE – DOPOSIAĽ DOSIAHNUTÉ VEDOMOSTI A POZNATKY – HISTÓRIA FARBY HLASU „Pojem „farba zvuku“, najskôr pod označením timbre, sa objavil už koncom 18. storočia vo francúzskej literatúre. Jeho vývoj v dejinách hudby sleduje vo svojej publikácii V. Syrový (2003, s. 159 – 166). Termín vysvetlil ako farbu zvuku po prvý krát nemecký hudobný lexikón v rokoch 1835 a 1838. Táto vlastnosť hlasu mala prívlastky svetlá, temná, drsná, tvrdá či plná. Stále sa však vzťahovala na subjektívny dojem. Významným medzníkom vo výskume timbru bola teória francúzskeho matematika J. Fouriera. Periodický i neperiodický signál rozložil do radu jednoduchých harmonických signálov a postavil tak základy pre analýzu a syntézu zvuku. V roku 1843 sformuloval G. S. Ohm základný psychoakustický zákon, podľa ktorého ľudské ucho vníma pravidelné sínusové kmitanie častíc vzduchu ako jednoduchý tón a každé iné periodické kmitanie týchto častíc rozkladá v rade pravidelných (sínusových) kmitov a vníma k nim zodpovedajúci rad jednoduchých tónov. Ucho pracuje ako frekvenčný analyzátor a vyhodnocuje frekvenciu a amplitúdu jednotlivých dielčích kmitov ako celkový vnem – vnem farby zvuku. Z Ohmových poznatkov vyšiel H. von Helmholtz (1821 – 1894), podoprel ich Fourierovým matematickým aparátom a na základe prepracovania rezonančných javov a fyziologicko-anatomických poznatkov svojej doby vybudoval prvú teóriu počutia. Všetky zvuky rozdelil do troch základných kategórií: der Ton (sínusový signál), der Klang 454
2. študentská vedecká konferencia, Filozofická fakulta Prešovskej univerzity v Prešove, 4. 5. 2006
(komplexné periodické signály) a das Geräusch (všetky neperiodické signály). V roku 1863 vyslovil Helmholtz svoju známu relatívnu a absolútnu teóriu farby zvuku. Farba zvuku, resp. tónu je určená počtom a intenzitou jednotlivých harmonických zložiek. Pri tónoch hudobných nástrojov sú pomery intenzít jednotlivých zložiek spektra na absolútnej výške týchto zložiek nezávislé (relatívne teórie). Pri vokáloch je farba určená existenciou jednej alebo dvoch charakteristických harmonických zložiek, ktoré sú vo zvuku zdôraznené. Poloha týchto zložiek je pevne spojená s ich absolútnou výškou (absolútna teória). Znamená to, že so stúpajúcou výškou tónu hudobného nástroja sa tvar spektra tohto tónu nemení, zatiaľ čo pri vokáloch sa zasa nemení frekvenčná poloha zdôraznených zložiek – formantov, ktoré so stúpajúcou výškou vokálov postupne prechádzajú na harmonické zložky nižších poradových čísel. Pri hudobnom nástroji je farba tónu v celom rozsahu daná relatívnymi pomermi vyšších harmonických v jeho nemennom spektre, pri vokáloch, napr. a, je však absolútne zviazaná s polohou jeho formantov (približne 800 a 1150 Hz) bez ohľadu na výšku tohto vokálu. Dnes už vieme, že prvý formant poukazuje na tón hrdlovej dutiny, druhý formant na tón ústnej dutiny a až tretí a vyššie formanty sú pre skúmanie farby relevantné (Ondruš – Sabol, 1984, s. 83). C. Stumpf (1848 – 1936) je prvou osobnosťou psychoakustiky. Odlíšil pojmy „der Ton“ a „der Klang“. Čisto sínusový tón je svetlý a podriadený svojej výške. Hlboký sínusový tón je tmavý a vysoký tón zasa svetlý. Vytvoril pojmové páry: tmavý – svetlý; tupý – ostrý, resp. hladký – drsný; plný – dutý, resp. široký – úzky. Objasnil harmonické vzťahy formantových oblastí, keď sínusový tón určitej výšky priradil konkrétnemu vokálu alebo konsonantu. Vznikla Helmholtzova-Stumpfova náuka o harmonických formantoch, podľa ktorej farba vokálu je určená celou, pevne stanovenou oblasťou harmonických tónov – formantovou oblasťou, v ktorej určitý harmonický tón vyniká. Zákon formantových oblastí E. Schumanna z roku 1929 definuje vzťah farby a výšky tónu. Pri stúpajúcej výške tónu a rovnakej dynamike zotrváva intenzitné maximum danej formantovej oblasti na príslušnom harmonickom tóne tak dlho, kým tón nedosiahne hornú hranicu oblasti, potom sa presúva na nižší harmonický tón. Podľa zákona o formantových intervaloch práve vzdialenosť medzi jednotlivými formantmi určuje farbu hudobných nástrojov. Zákon akustického posunu hovorí o tom, že pri stúpajúcej dynamike tónu (napr. pri 455
2. študentská vedecká konferencia, Filozofická fakulta Prešovskej univerzity v Prešove, 4. 5. 2006
speve z pianissima na fortissimo) sa intenzitné maximum automaticky presúva na harmonické zložky vyšších poradových čísel. Podľa štvrtého zákona akustického skoku väčšie rozdiely v dynamike tónu môžu viesť až k zmene akustického režimu a tým k väčšej zmene farby tónu.
DEFINÍCIA FARBY HLASU V úvode je dôležité poznamenať, že farba hudby a zvuku je úzko spojená s farbou hlasu. Z. Palková vo svojej práci (1994, s. 113) používa termín modulácia základného tónu v súvislosti so súčasnou zmenou viacerých zvukových kvalít. Modulačnými prostriedkami sú základné vlastnosti zvuku: výška, dynamika, trvanie aj farba. Farba hlasu je integrovanou súčasťou reči, nie „iba“ suprasegmentom. Niektorí odborníci hovoria o synonymách timbre a farba hlasu. Napríklad C. SchmidtJones (2005) už v názve svojej práce uvádza termíny farba a timbre ako synonymné, podobne A. Špelda (1978, s. 56) a uvádza aj spresnenie – spektrálne zloženie tónu. Podľa V. Syrového (2003, s. 73) tieto termíny nie sú celkom synonymné. Timbre je zovšeobecneným štatistickým chápaním farby zvuku. I. Janoušek (1979, s. 60) uvažuje o farbe ako o akustickej kvalite a timbre je pre neho synonymným termínom v tej istej skupine vlastností zvuku ako hlasitosť a výška. Ako ďalej uvádza, s rozvojom syntetickej hudby sa pojem farba používa nielen pre pomenovanie tónov, ale aj pre neperiodické akustické signály. Bežný je pojem „biely šum“, ktorý má rovnomerne rozloženú energiu v celom frekvenčnom rozsahu (v pásme 10 – 20 kHz je to 1/2 energie). Odborná literatúra uvádza ešte pojem „ružový šum“, ktorý má rovnako rozloženú energiu na oktávy (v pásme 10 – 20 kHz je to 1/10 energie) (Obr. 1 – 3). Ďalšie farebné šumy zatiaľ neboli popísané.
ZAINTERESOVANÉ DISCIPLÍNY – AKUSTIKA, MATEMATIKA, FYZIKA, FYZIOLÓGIA, PSYCHOLÓGIA Pre výskum tohto typu je telefonovanie veľmi vďačnou pomôckou. Na jednej strane princíp telefónu stojí na základoch matematiky, akustiky a poznatkoch o elektromagnetickom poli. Pri výskume farby hlasu sú tu tri zaujímavé momenty: podľa hlasu si počúvajúci 456
2. študentská vedecká konferencia, Filozofická fakulta Prešovskej univerzity v Prešove, 4. 5. 2006
predstaví fyzickú podobu hovoriaceho, približne tak, ako to vo svojej tabuľke (Tab. č. 1) uvádza O. Škvareninová (2004, s. 44). Pri telefonáte so známou (a niekedy aj s neznámou osobou) počúvajúci dokáže identifikovať náladu, psychické rozpoloženie hovoriaceho. Za zmienku stojí aj moment, keď si počúvajúci pri telefonovaní pomýli hovoriaceho s niekým iným, napríklad s rodičom či súrodencom. Subjektívny dojem počúvajúceho vyvolal v jeho mysli asociáciu so známym prívlastkom. Tak vzniklo pomenovanie zvonivý hlas, tmavý či zamatový. Farba hlasu má teda významnú identifikačnú a verifikačnú hodnotu. Kde psychologický proces identifikácie prijímateľovi umožní, aby hovoriaceho niekam zaradil. Pri procese verifikácie si overuje, či hovorí s tým, s kým hovoriť chce. Túto možnosť si prepožičali bezpečnostní technici a na základe hlasu umožnia alebo naopak zamedzia prístup hovoriaceho k chránenému objektu. Najvýznamnejší prínos z oblasti matematiky, fyziky a akustiky mali skôr spomenutí vedci – Fourier, Ohm, Helmholtz, Stupf či Schuman. V oblasti fyziológie sú to predovšetkým hlasivky a tvar dutín, ktoré sa podieľajú na tvorbe a modifikácii farby hlasu. V spolupráci s jednotlivými pohyblivými a nepohyblivými artikulátormi, ako je jazyk či tvrdé podnebie, vzniká zvukový výsledok charakterizujúci konkrétneho hovoriaceho. Od postavenia týchto orgánov závisí aj frekvenčná a amplitúdová labilita, s ktorými pracuje Multi-Dimensional Speech Program, nadstavba programu MultiSpeech, ktorý pracuje v prostredí operačného systému Windows. Súčasné počítačové technológie sú mimoriadne pružné, veľmi výkonné a ľahko dostupné. Dotvárajú skladačku disciplín zúčastnených na výskume farby hlasu. Príznaky
temporálnej
a
amplitúdovej
lability
zabezpečujú
prirodzenosť
hlasu.
Podrobnejšie ich rozpísal vo svojej štúdii J. Zimmermann (2006). Zisťoval, či osobný timbre má svoju podstatu vo frekvenčnej alebo v časovej doméne (kam patria aj spomínané lability). Tie charakteristiky hlasu, ktoré definujú konkrétny hlas, sú rozložené v oboch doménach.
VYUŽITIE V SÚČASNOSTI O výsledky výskumov farby hlasu sa opierajú bezpečnostní technici aj psychológovia. Zanedbateľný nie je ani (prvý) dojem z farby hlasu v každodennom medziľudskom kontakte. Podkladom pre nájdenie (estetických) hraníc timbru je jeho objektívne vyjadrenie. Vo svojom 457
2. študentská vedecká konferencia, Filozofická fakulta Prešovskej univerzity v Prešove, 4. 5. 2006
doterajšom výskume som merateľné hodnoty hlasu preniesla do podoby grafu. Pracovala som s opozíciami svetlý – tmavý, mäkký – ostrý, silný – slabý tak, ako ich vymedzil C. Stumpf (Syrový, 2003, 191). Tieto opozície možno nasledujúcim postupom pretaviť do podoby grafu. Svetlosť, resp. jasnosť (brightness) vypočítame tak, že súčet súčinov poradového čísla vyšších harmonických (k) a ich intenzít (ck) vydelíme súčtom prahovej veľkosti užitočnej harmonickej zložky (c0) a súčtom intenzít vyšších harmonických:
n
BR =
∑ kc
k
k =1
(1)
n
c0 + ∑ ck k =1
Ak je prahová veľkosť užitočnej harmonickej zložky (c0) nulová (čo je aj náš prípad), prechádza tento výraz na vyjadrenie ťažiska spektra (ťažisko rozloženia energie v spektre), čo je relatívna ostrosť tónu. Frekvenčná poloha ťažiska (fT) je súčin jasnosti a frekvencie prvej harmonickej (f1), vo fonetike známej ako základný tón F0: fT = BR . f1
(2)
Sila alebo hlasitosť v tomto prípade nie je totožná so subjektívne vnímanou intenzitou hlasu. RMS je hodnota efektívnej hodnoty komplexného signálu a vypočítame ju ako druhú odmocninu súčtu intenzít vyšších harmonických umocnených na druhú:
RMS =
n
∑c k =1
2 k
(3)
Hodnoty jasnosti a efektívnej hodnoty signálu vychádzajú zo vzorcov pre ostrosť a hlasitosť (Syrový, 2003, s. 192 – 193) a výsledné hodnoty výpočtov sú v grafoch 1 – 3. Legenda popisuje tvar bodu pre hlas jedného rečníka. Graf ukazuje mračná bodov, to je „farebné“ rozpätie hlasov jednotlivých rečníkov. Čím bližšie je hlas k nulovej hodnote efektívnej hodnoty signálu, tým je slabší, čím bližšie k nulovej hodnote ťažiska spektra, 458
2. študentská vedecká konferencia, Filozofická fakulta Prešovskej univerzity v Prešove, 4. 5. 2006
tým hlbší, tmavší je hlas. Naopak, čím ďalej od nuly, tým silnejší a jasnejší je hlas. Graf č. 3 ukazuje mužské aj ženské hlasy spolu. Zmena farby hlasu sa odráža v zmene základného tónu, prenesene v zmene frekvencií a intenzít vyšších harmonických. Je závislá na zmenách tvaru dutín. Primárne táto zmena mení timbre hlásky až do takej miery, že sa hláska mení na inú hlásku. Ak sú však zmeny veľmi jemné, dochádza len k zmene zafarbenia tej istej hlásky.
PRAKTICKÉ VYUŽITIE FARBY HLASU Emotívny dojem z farby hlasu je v umení veľmi dôležitý, no žiadna technika ho nikdy nenahradí. Ale tak ako si pamätáme obľúbený hlas, môže si konkrétny timbre zapamätať počítač. Na tomto princípe už niekoľko rokov fungujú programy na identifikáciu, verifikáciu a rozpoznávanie rečníka. Pri verifikácii program potvrdí alebo vyvráti údajnú identitu osoby. Identifikovať v tomto prostredí znamená vytvoriť rečníkovi identitu. Napokon rozpoznávanie ako činnosť, pri ktorej rečník diktuje text a počítač ho rozozná. Na základe tohto textu potom vykonáva príkazy.
ZDROJE – Biometrická autentifikácia. Biom_ident_Holecko http://fel.utc.sk/~nagy/BS/PDF/Biom_ident_Holecko.pdf – Janoušek, I.: ABC akustiky pro hudební praxi. 1. vyd. Praha: Supraphon 1979. 136 s. – Ondruš, Š. – Sabol, J.: Úvod do štúdia jazykov. 2. dopl. vyd. Bratislava: Slovenské pedagogické nakladateľstvo 1984. 344 s. – Palková, Z.: Fonetika a fonologie češtiny. 1. vyd. Praha: Karolinum 1994. 367 s. – Schmidt-Jones, C.: Timbre: The color of Music. http://cnx.rice.edu/content/m11059/latest [27. 2. 2005] – Syrový, V.: Hudební akustika. 1. vyd. Praha: Akademie múzických umění 2003. 407 s. – Špelda, A.: Hudební akustika. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství 1978. 352 s. – Zimmermann, J.: Spektrálny obraz farby hlasu. Prešov 2006. [nepublikovaná štúdia]
459
2. študentská vedecká konferencia, Filozofická fakulta Prešovskej univerzity v Prešove, 4. 5. 2006
KONTAKT
[email protected]
O AUTORKE Lucia Vaľová je študentkou 1. ročníka dennej formy doktorandského štúdia v odbore všeobecná jazykoveda. Obrázok 1 Spektrum bieleho šumu
Obrázok 2 Spektrum ružového šumu
460
2. študentská vedecká konferencia, Filozofická fakulta Prešovskej univerzity v Prešove, 4. 5. 2006
Obrázok 3 Výkonové spektrum bieleho a ružového šumu
Tabuľka 1 Vzťah hlasu a predstavy o fyzickej podobe hovoriaceho (podľa O. Škvareninovej)
Farba hlasu
Žena
Muž
Nosovosť
Spoločenská nepopulárnosť, nudnosť, nízka inteligencia
Spoločenská nepopulárnosť, nudnosť, nízka inteligencia
Zvučnosť
Zmysel pre krásu, pýcha, čulosť, spoločenskosť, nedostatok zmyslu pre humor
Energickosť, zdravie, umelecké sklony, pýcha, nápadnosť, entuziazmus
Nezvučnosť
Ženskosť, útlosť, výbušnosť, nervová preťaženosť, povrchnosť, nervozita
Mladosť, umelecký talent
Tenkosť
Zmysel pre humor, citlivosť, sociálna, fyzická, emocionálna a mentálna nezrelosť
Ženskosť
Nevýraznosť
Mužskosť, lenivosť, chlad, nespoločenskosť, uzavretosť
Mužnosť, lenivosť, chlad, nespoločenskosť
Napätosť
Emotívnosť, ženskosť, nízka inteligencia, nervová preťaženosť, mladosť
Staroba, neústupčivosť, tvrdohlavosť, vzdorovitosť
Chrapľavosť
Nízka inteligencia, lenivosť, mužskosť, chorľavosť, neurotickosť, neohrabanosť
Staroba, reálnosť, zrelosť, pohotovosť, svetáckosť
461
2. študentská vedecká konferencia, Filozofická fakulta Prešovskej univerzity v Prešove, 4. 5. 2006
Graf 1 Farby ženských hlasov v závislosti od ťažiska spektra a efektívnej hodnoty signálu
462
2. študentská vedecká konferencia, Filozofická fakulta Prešovskej univerzity v Prešove, 4. 5. 2006
Graf 2 Farby mužských hlasov v závislosti od ťažiska spektra a efektívnej hodnoty signálu
463
