JAK VZNIKÁ LIDSKÝ HLAS? Univerzita Palackého v Olomouci

Transkript

1 JAK VZNIKÁ LIDSKÝ HLAS? JAN ŠVEC Katedra biofyziky, ik Př.F., Univerzita Palackého v Olomouci

2 HLAS: Všichni jej každodenně používáme, ale víme o něm v podstatě jen málo

3 Studium lidského hlasu Je založeno na kombinaci informací z různých vědních oborů, mezi nimiž jsou Akustika (vyzařování, šíření a vlastnosti zvuku, ) Lékařské obory (foniatrie, otorinolaryngologie; anatomie, fyziologie, histologie, neurologie, patologie hlasového orgánu, ) Biomechanika (pohyb, elasticita, viskozita biologických tkání, ) Mechanika proudění (tlak, objemová rychlost výdechového vzduchu, ) Teorie kmitů (dynamika, nelineární dynamika, )

4 HLAS A ŘEČ: Využívají specifické typy zvuku, který vydává člověk CO JE TO ZVUK?

5 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 Hz. Nejnižší úroveň slyšitelnosti: 0 db ~ 2*10-5 Pa = 0,00002 Pa Nejvyšší snesitelná úroveň slyšitelnosti: cca 130 db ~ 60 Pa

6 CO JE TO ZVUK? Změny tlaku vzduchu se šíří formou podélného vlnění. Mikrofon zaznamenává změny tlaku v daném místě 1999, Daniel A. Russell

7 MONITOROVÁNÍ ZVUKU Změny akustického tlaku vzduchu lze sledovat prostřednictvím mikrofonu ve spojení s jednoduchým osciloskopickým přístrojem

8 DRUHY ZVUKŮ Zvuky se dělí na : A) Tóny periodický průběh vlny (např. samohlásky [a,e,i,o,u]) Čas [ms] B) Šumy neperiodický průběh vlny (např. neznělé souhlásky [s, š]) Čas [ms] K. Sedláček. Základy audiologie, Praha: Státní zdravotnické nakladatelství, 1956.

9 DEMONSTRACE periodické a neperiodické zvuky hlasu a řeči VOCE VISTA ( D.G. Miller

10 Mají periodický průběh vln. Dělí se na: TÓNY 1) Čisté tóny - sinusový průběh v čase. Nejjednodušší tóny. V přírodě se běžně nevyskytují. Jsou plně charakterizovány frekvencí f [Hz] a amplitudou. Spektrum čistých tónů vykazuje zesílení pouze na jedné frekvenci (viz dále). 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) Čas [ms] Svrchní harmonické tóny zodpovídají za barvu zvuku. Barva zvuku umožňuje od sebe odlišit dva různé tóny na stejné frekvenci (klavír, cimbál, kytara, trubka, dva různé hlasy, atd.) Čas [ms] K. Sedláček. Základy audiologie, Praha: Státní zdravotnické nakladatelství, 1956.

11 DEMONSTRACE čisté a složené tóny VOCE VISTA ( D.G. Miller

12 FREKVENČNÍ SPEKTRUM ZVUKU UCHO FUNGUJE JAKO FREKVENČNÍ ANALYZÁTOR Průběh změn tlaku vzduchu při hlasu lze alternativně zobrazit p ve formě frekvenčního spektra

13 1) Čisté tóny TÓNY 2) Složené tóny Časový průběh - sinusoida. Časový průběh - periodický, nesinusový Čas [ms] Spektrum - zesílení pouze na jedné frekvenci Čas [ms] Spektrum - harmonické: základní frekvence + její celočíselné násobky (tzv. svrchní harmonické nebo alikvotní tóny) Frekvence [khz] Frekvence [khz]

14 DEMONSTRACE frekvenční spektrum čisté a složené tóny VOCE VISTA ( D.G. Miller

15 ŠUMY Šumy jsou složené zvuky, které jsou neperiodické. Jejich spektrum je neharmonické, může být spojité. Časový průběh - nepravidelný Spektrum - zesílení pásem frekvencí Čas [ms] Frekvence [khz] K. Sedláček. Základy audiologie, Praha: Státní zdravotnické nakladatelství, 1956.

16 DEMONSTRACE frekvenční spektrum šumy VOCE VISTA ( D.G. Miller

17 Časový průběh DRUHY ZVUKŮ Spektrum A1) Čisté tóny Čas [ms] Frekvence [khz] A2) Složené tóny Čas [ms] Frekvence [khz] B) Šumy Čas [ms] Frekvence [khz]

18 KDE VZNIKÁ HLAS?

19 Produkce lidského hlasu = fonace ANATOMIE DÝCHACÍCH CEST Pernkopf (1956) nosní dutina ústní dutina jazyk hrtanová příklopka hlasivky průdušnice hltan (pharynx): epipharynx mesopharynx hypopharynx ht hrtanová dutina (vestibulum laryngis)

20 Glottis = hlasivková štěrbina Supra = nad Sub = pod Subglottický = podhlasivkový Supraglottický = nadhlasivkový FYZIKÁLNĚ- AKUSTICKÉ SCHÉMA HLASOVÉHO SYSTÉMU VOKÁLNÍ TRAKT: dutiny horních cest dýchacích mezi hlasivkami a rty Flanagan (1965)

21 Glottis = hlasivková štěrbina Supra = nad Sub = pod Subglottický = podhlasivkový Supraglottický = nadhlasivkový FYZIKÁLNĚ- AKUSTICKÉ SCHÉMA HLASOVÉHO SYSTÉMU Flanagan (1965)

22 Laryngoskopie - vizualizace vnitřního hrtanu Švec JG: Tajemství hlasu, Univerzita Palackého v Olomouci, 2006

23 Vizualizace vnitřního hrtanu: laryngoskopie

24 DEMONSTRACE laryngoskopie Fonace a nádech Recording made by the National Center for Voice and Speech, Denver, CO, USA

25 DEMONSTRACE laryngoskopie Polykání

26 DEMONSTRACE laryngoskopie Změna výšky hlasu Recording made by the National Center for Voice and Speech, Denver, CO, USA

27 cca 1960 TVORBA HLASU: TEORIE ZDROJE A FILTRU Gunnar Fant, Švédsko (1960) 2005 Gunnar M. Fant. Acoustic theory of speech production, the Hague: Mouton, Hlas zvuk tvořený vlivem kmitání hlasivek, který je dále upraven rezonancemi v dutinách vokálního traktu

28 TEORIE ZDROJE A FILTRU

29 TEORIE ZDROJE A FILTRU ZDROJ FILTR Simulace hlasu: Brad H. Story, Univ.of Arizona, USA (.wav) (.wav) Rezonanční Hlasivky Výdechový dutiny prvotní hlas finální hlas proud vzduchu Frekvence (výška tónu) Samohlásky + Základní intenzita (hlasitost) souhlásky Délka fonace Konečná intenzita Primární kvalita hlasu (hlasitost) (dyšnost, hrubost, Konečná kvalita hlasu chraplavost, ) (konečná barva, Primární barva hlasu rezonance, pěvecký formant, )

30 Dva stupně tvoření lidského hlasu (teorie zdroje a filtru) Prvotní signál Čas Finální signál = prvotní signál upravený vlivem rezonancí v dutinách vokálního traktu From Svec (1996), after Fant (1956)

31 DEMONSTRACE hlas výška tónu (hlasivky) a samohlásky (dutiny) VOCE VISTA ( D.G. Miller

32 FREKVENČNÍ SPEKTRUM HLASU A ŘEČI UCHO FUNGUJE JAKO FREKVENČNÍ ANALYZÁTOR Průběh změn tlaku vzduchu při hlasu lze alternativně zobrazit p ve formě frekvenčního spektra

33 DEMONSTRACE frekvenční spektrum hlasu VOCE VISTA ( D.G. Miller

34 Frekvenční spektrum hlasu Určuje výšku tónu Určují barvu tónu Základní frekvence (F0) = první harmonická (H1) Vyšší harmonické (alikvotní tóny - H2, H3, H4,...) F0 = H1 H2 H4 H5 H3 H9 H21 Relativní amplituda [db]

35 Frekvenční spektrum hlasu: harmonické frekvence 2000 Hz 400 Hz 800 Hz 1200 Hz 1600 Hz 2400 Hz 2*F 0 3*F 0 4*F 0 5*F 0 6*F 0 F 0 H 1 H 2 H 3 H 6 H 4 H 5 Frekvence harmonických tónů jsou celistvými násobky frekvence F0!... 10*F 0 Vysoký tón (400 Hz, /a/) H 10 =4000 Hz 10 Relativní amplituda [db] 0H Hz 1000 Hz 2000 Hz 3000 Hz 4000 Hz 5000 Hz

36 Frekvenční spektrum hlasu: různá výška tónu 2000 Hz 400 Hz 800 Hz 1200 Hz 1600 Hz 2400 Hz F 0 2*F 0 3*F 0 4*F 0 5*F 0 6*F 0 celistvými násobky frekvence F0! Frekvence harmonických tónů jsou H 1 H 2 H 3 H 6 H 4 H 5 6 Vysoký tón 10*F 0 H 10 =4000 Hz Relativní amplituda [d db] F0=100 Hz Nízký tón H 2 =200 Hz H 10 =1000 Hz H 20 =2000 Hz Menší rozestup mezi harmonickými! Relativní am mplituda [d db] 0 Hz 1000 Hz 2000 Hz 3000 Hz 4000 Hz 5000 Hz

37 JAK VZNIKÁ FREKVENČNÍ SPEKTRUM HLASU? TEORIE ZDROJE A FILTRU

38 ZDROJ TEORIE ZDROJE A FILTRU FILTR (VOKÁLNÍ TRAKT) HLAS - VÝSLEDNÉ SPEKTRUM

39 ZDROJ TEORIE ZDROJE A FILTRU SAMO- FORMANTY SAMO HLÁSKY FILTR (VOKÁLNÍ TRAKT) HLAS - VÝSLEDNÉ SPEKTRUM

40 Frekvenční spektrum hlasu - formanty Určují samohlásku Vyšší formanty: podílejí se na individuální barvě hlasu 1.formant 2.formant F3 F4 F5 Rela ativní ampli ituda [db]

41 DEMONSTRACE frekvenční spektrum hlasu formanty a samohlásky VOCE VISTA ( D.G. Miller

42 Formantový graf: 1. a 2. formant u českých samohlásek Merhaut (1972)

43 1. a 2. FORMANT U ANGLICKÝCH SAMOHLÁSEK F2 [Hz] Angličtina používá více samohlásek než čeština. F1 [Hz]

44 TVAR VOKÁLNÍHO TRAKTU U ČESKÝCH SAMOHLÁSEK Obrázky z magnetické rezonance - Dedouch, Švec, Horáček, Kršek, Havlík & Vokřál (2003)

45 DEMONSTRACE Akustická ká syntéza hlasu Program Madde (S.Granqvist, KTH Stockholm, 2005) S. Granqvist Run Madde Run Real Time Spectrum

46 Více informací (stručná učebnice)

47 Děkuji za pozornost