JAK VZNIKÁ LIDSKÝ HLAS?
JAN ŠVEC
Katedra K t d biofyziky, bi f ik Př.F., Př F Univerzita Palackého v Olomouci
HLAS: Všichni jej každodenně používáme, ale víme o něm v podstatě jen málo
Studium lidského hlasu Je založeno na kombinaci informací z různých vědních oborů, mezi nimiž jsou Akustika (vyzařování, šíření a vlastnosti zvuku, … ) Lékařské obory (foniatrie, (foniatrie otorinolaryngologie; anatomie anatomie, fyziologie, fyziologie histologie, neurologie, patologie hlasového orgánu, … ) Biomechanika (pohyb, elasticita, viskozita biologických tkání, … ) Mechanika proudění (tlak, objemová rychlost výdechového vzduchu,… ) Teorie kmitů (dynamika, nelineární dynamika,… )
HLAS A ŘEČ: Využívají specifické typy zvuku, který vydává čl ěk člověk
CO JE TO ZVUK?
CO JE TO ZVUK?
ZJEDNODUŠENÁ DEFINICE ZVUKU (PLATÍ I PRO HLAS): Zvuk je akustický signál, t.j., rychlé změny tlaku vzduchu, které se šíří formou vlnění a jsou slyšitelné. Frekvenční pásmo slyšení člověka: cca 20 – 20 000 Hz. Nejnižší úroveň slyšitelnosti: 0 dB ~ 2*10-5 Pa = 0,00002 Pa Nejvyšší snesitelná úroveň slyšitelnosti: cca 130 dB ~ 60 Pa
CO JE TO ZVUK?
Změny tlaku vzduchu se šíří formou podélného vlnění.
Mikrofon – zaznamenává změny tlaku v daném místě
© 1999, Daniel A. Russell
http://www.kettering.edu/physics/drussell/Demos/waves/wavemotion.html
MONITOROVÁNÍ ZVUKU
Změny akustického tlaku vzduchu lze sledovat prostřednictvím mikrofonu ve spojení s jednoduchým osciloskopickým přístrojem
DRUHY ZVUKŮ Zvuky se dělí na :
A) Tóny periodický průběh vlny (např. samohlásky [a,e,i,o,u]) 0
5
0
5
Čas [ms]
10
15
B) Šumy neperiodický průběh vlny (např.
neznělé souhlásky [s, š])
10 Čas [ms] K. Sedláček. Základy audiologie, Praha: Státní zdravotnické nakladatelství, 1956.
15
DEMONSTRACE periodické a neperiodické zvuky hlasu a řeči
VOCE VISTA (www.vocevista.com)
D.G. Miller
TÓNY Mají periodický průběh vln. Dělí se na:
1) Čisté tóny - sinusový průběh v čase. Nejjednodušší tóny. V přírodě se běžně nevyskytují. Jsou plně charakterizovány frekvencí f [Hz] a amplitudou amplitudou. Spektrum čistých tónů vykazuje zesílení pouze na jedné frekvenci (viz dále). 0
5
0
5
Čas [ms]
10
15
10
15
2) Složené tóny - zvuky, ve kterém je tvar zvukové vlny periodický ale není sinusový. Spektrum složených tónů je harmonické: skládá se ze základní frekvence a jejích celočíselných násobků (tzv. svrchních harmonických či alikvotních tónů) – (viz dále). Svrchní harmonické tóny zodpovídají za barvu zvuku. Barva zvuku umožňuje od sebe odlišit dva různé tóny na stejné frekvenci (klavír (klavír, cimbál cimbál, kytara kytara, trubka trubka, dva různé hlasy, atd.)
Čas [ms]
K. Sedláček. Základy audiologie, Praha: Státní zdravotnické nakladatelství, 1956.
DEMONSTRACE čisté a složené tóny
VOCE VISTA (www.vocevista.com)
D.G. Miller
FREKVENČNÍ SPEKTRUM ZVUKU
UCHO FUNGUJE JAKO FREKVENČNÍ ANALYZÁTOR Průběh změn tlaku vzduchu p při hlasu lze alternativně zobrazit ve formě frekvenčního spektra
TÓNY
1)) Čisté tóny y Časový průběh - sinusoida.
0
5
Čas [ms]
10
Časový průběh - periodický, nesinusový.
15
1
2
3
Frekvence [kHz]
0
5
Čas [ms]
10
15
Spektrum - harmonické: základní frekvence + její celočíselné násobky (tzv. svrchní harmonické nebo alikvotní tóny).
Spektrum - zesílení pouze na jedné frekvenci.
0
2) Složené tóny
4
0
1
2
3
Frekvence [kHz]
4
DEMONSTRACE frekvenční spektrum čisté a složené tóny
VOCE VISTA (www.vocevista.com)
D.G. Miller
ŠUMY Šumy jsou složené zvuky, které jsou neperiodické. Jejich spektrum je neharmonické, může být spojité. Časový průběh - nepravidelný
0
5
10
Čas [ms]
Spektrum - zesílení pásem frekvencí
15
0
1
2
3
Frekvence [kHz]
K. Sedláček. Základy audiologie, Praha: Státní zdravotnické nakladatelství, 1956.
4
DEMONSTRACE frekvenční spektrum šumy
VOCE VISTA (www.vocevista.com)
D.G. Miller
Časový průběh
DRUHY ZVUKŮ
Spektrum
A1) Čisté tóny
0
5
10
15
0
Čas [ms]
1
2
3
4
3
4
3
4
Frekvence [kHz]
A2) Složené tóny 0
5
10
15
0
Čas [ms]
1
2
Frekvence [kHz]
B) Šumy
0
5
10 Čas [ms]
15
0
1
2
Frekvence [kHz]
KDE VZNIKÁ HLAS?
Produkce lidského hlasu = fonace nosní dutina
ANATOMIE DÝCHACÍCH Ý Í CEST
ústní dutina jazyk
epipharynx mesopharynx hypopharynx
hrtanová příklopka hlasivky průdušnice Pernkopf (1956)
hltan (pharynx):
hrtanová h t ád dutina ti (vestibulum laryngis)
Glottis = hlasivková štěrbina Supra = nad Sub = pod S b l tti ký = podhlasivkový Subglottický dhl i k ý Supraglottický = nadhlasivkový
FYZIKÁLNĚ FYZIKÁLNĚAKUSTICKÉ SCHÉMA HLASOVÉHO SYSTÉMU Flanagan (1965)
VOKÁLNÍ TRAKT: dutiny horních cest dýchacích mezi hlasivkami a rty
Glottis = hlasivková štěrbina Supra = nad Sub = pod S b l tti ký = podhlasivkový Subglottický dhl i k ý Supraglottický = nadhlasivkový
FYZIKÁLNĚ FYZIKÁLNĚAKUSTICKÉ SCHÉMA HLASOVÉHO SYSTÉMU Flanagan (1965)
Laryngoskopie - vizualizace vnitřního hrtanu
Švec JG: Tajemství hlasu, Univerzita Palackého v Olomouci, 2006
Vizualizace vnitřního hrtanu: l laryngoskopie k i
DEMONSTRACE laryngoskopie
Fonace a nádech Recording made by the National Center for Voice and Speech, Denver, CO, USA
DEMONSTRACE laryngoskopie
Polykání http://www.youtube.com/watch?v=xu_YYOAlZEw
DEMONSTRACE laryngoskopie
Změna výšky hlasu Recording made by the National Center for Voice and Speech, Denver, CO, USA
2005
cca 1960
TVORBA HLASU: TEORIE ZDROJE A FILTRU Gunnar Fant, Švédsko (1960) Gunnar M. Fant. Acoustic theory of speech production, the Hague: Mouton, 1960.
Hlas – zvuk tvořený vlivem kmitání hlasivek, který je dále upraven p rezonancemi v dutinách vokálního traktu
TEORIE ZDROJE A FILTRU
TEORIE ZDROJE A FILTRU
FILTR
ZDROJ Hlasivky Výdechový proud vzduchu
(.wav)
prvotní hlas p
Frekvence F k ( ýšk tó (výška tónu)) Základní intenzita (hlasitost) Délka fonace Primární kvalita hlasu (dyšnost, hrubost, chraplavost,…) h l t ) Primární barva hlasu
Rezonanční dutiny
Simulace hlasu: Brad H. Story, Univ.of Arizona, USA
(.wav)
finální hlas
Samohlásky S hlá k + souhlásky Konečná intenzita (hlasitost) Konečná kvalita hlasu (konečná barva, barva „rezonance“, pěvecký formant,…)
Dva stupně tvoření lidského hlasu (teorie zdroje a filtru)
Prvotní signál
Č Čas From Svec (1996), after Fant (1956)
Finální signál = prvotní signál upravený p ý vlivem rezonancí v dutinách vokálního traktu
DEMONSTRACE hlas výška tónu (hlasivky) a samohlásky (dutiny)
VOCE VISTA (www.vocevista.com)
D.G. Miller
FREKVENČNÍ SPEKTRUM HLASU A ŘEČI
UCHO FUNGUJE JAKO FREKVENČNÍ ANALYZÁTOR Průběh změn tlaku vzduchu p při hlasu lze alternativně zobrazit ve formě frekvenčního spektra
DEMONSTRACE frekvenční spektrum hlasu
VOCE VISTA (www.vocevista.com)
D.G. Miller
Frekvenční spektrum hlasu Určuje výšku tónu
Určují barvu tónu
Základní frekvence (F0) = první harmonická (H1) F0 = H1
H2
H4 H5
H3
Vyšší harmonické (alikvotní ( tóny - H2, H3, H4,...))
H9 H21
Relaativní ampliituda [dB]
Frekvenční spektrum hlasu: harmonické frekvence Frekvence harmonických tónů jsou celistvými násobky frekvence F0! 400 Hz
F0
2*F0 H2
3*F0 4*F0
5*F0
6*F0
...
Vysoký V ký tó tón (400 Hz, /a/)
H3
10*F0 H4
0H Hz
1000 H Hz
H10=4000 Hz
H6 H5
2000 H Hz
3000 H Hz
4000 H Hz
Relativníí amplituda [dB]
H1
2000 Hz 2400 Hz 800 Hz 1200 Hz 1600 Hz
5000 H Hz
Frekvenční spektrum hlasu: různá výška tónu 400 Hz
F0
2000 Hz 2400 Hz 800 Hz 1200 Hz 1600 Hz
2*F0
3*F0 4*F0
5*F0
6*F0
Frekvence harmonických tónů jsou celistvými násobky frekvence F0!
H1
H2
H3
10*F0
H4
H10=4000 Hz
H6 H5
H2=200 Hz H10=1000 Hz
Menší rozestup mezi harmonickými!
H20=2000 2000 H Hz
0 Hz
1000 Hz
2000 Hz
3000 Hz
4000 Hz
R Relativní am mplituda [d dB]
Nízký tón
F0=100 Hz
Relativní aamplituda [d dB]
Vysoký tón
5000 Hz
JAK VZNIKÁ FREKVENČNÍ SPEKTRUM HLASU? TEORIE ZDROJE A FILTRU
ZDROJ
TEORIE ZDROJE A FILTRU
FILTR (VOKÁLNÍ TRAKT)
HLAS - VÝSLEDNÉ SPEKTRUM
ZDROJ
TEORIE ZDROJE A FILTRU
SAMO SAMOHLÁSKY
FORMANTY FILTR (VOKÁLNÍ TRAKT)
HLAS - VÝSLEDNÉ SPEKTRUM
Frekvenční spektrum hlasu - formanty Určují j samohlásku 1.formant
2.formant
Vyšší y formanty: y podílejí se na individuální barvě hlasu
F4
F5
Relaativní ampliituda [dB]
F3
DEMONSTRACE frekvenční spektrum hlasu – formanty a samohlásky
VOCE VISTA (www.vocevista.com)
D.G. Miller
Formantový graf: 1. a 2. formant u českých samohlásek
Merhaut (1972)
1. a 2. FORMANT O U ANGLICKÝCH SAMOHLÁSEK
F2 [Hz]
Angličtina používá po ží á více íce samohlásek než čeština.
F1 [Hz]
TVAR VOKÁLNÍHO TRAKTU U ČESKÝCH SAMOHLÁSEK Obrázky z magnetické rezonance - Dedouch, Švec, Horáček, Kršek, Havlík & Vokřál (2003)
DEMONSTRACE Ak ti ká syntéza Akustická té hlasu hl Program Madde (S.Granqvist, KTH Stockholm, 2005)
S. Granqvist
Run Madde
Run Real Time Spectrum
http://www.speech.kth.se/music/downloads/smptool/
Více informací (stručná učebnice)
http://sites.google.com/site/jangsvec/publications
Děkuji za pozornost
