Акустические свойства звуков речи: Комплексный анализ «трех сторон» и инструментально-прикладное значение в лингвистике и логопедии

Введение: Звук речи как объект междисциплинарного исследования

В современной лингвистике звук речи выступает не просто как физическое явление, но как сложный, многоаспектный феномен, требующий междисциплинарного подхода. Актуальность углубленного изучения акустического аспекта фонетики обусловлена его центральной ролью в обеспечении коммуникации: именно акустический сигнал является мостом между артикуляционной деятельностью говорящего и перцептивными процессами слушающего. Без понимания физических законов, лежащих в основе речевого сигнала, невозможно ни построение адекватных моделей языковой системы, ни решение прикладных задач в таких критически важных областях, как машинная обработка речи (распознавание и синтез) и клиническая логопедия (диагностика и коррекция нарушений звукопроизношения).

Целью настоящей работы является разработка исчерпывающей теоретической и методологической основы для академического исследования, раскрывающего комплексную природу звуков речи через призму «трех сторон» и акцентирующего внимание на детальном акустическом анализе. Особое внимание уделяется инструментально-методологическому аппарату и практическому значению полученных данных в контексте прикладной лингвистики и специального образования.

Глава 1. Теоретические основы фонетики: Соотношение «трех сторон» звуков речи

Звук речи, как ключевая единица фонетики, обладает тройственной природой, которая описывается тремя неразрывно связанными аспектами: артикуляционным (физиологическим), акустическим (физическим) и функциональным/перцептивным (лингвистическим). Эта концепция «трех сторон» — фундаментальный постулат общего языкознания.

Артикуляционный и лингвистический аспекты: От производства к функции

Артикуляционный аспект рассматривает звук с точки зрения его производства. Это физиологический фундамент речи, описывающий работу органов речевого аппарата (легких, гортани, голосовых связок, языка, губ и т.д.) при формировании воздушной струи и ее модификации. Понимание артикуляции необходимо, поскольку именно конфигурация голосового тракта определяет финальные акустические характеристики, обеспечивая тем самым уникальный акустический «отпечаток» каждого звука.

Лингвистический, или функциональный, аспект, напротив, отвлекается от индивидуальных особенностей произношения и физической природы звука, сосредотачиваясь на его роли в системе языка. Центральной единицей здесь является фонема — минимальная слово- и форморазличительная единица плана выражения. Фонема выполняет социальную функцию: она позволяет различать значимые единицы языка, например, [д]ом и [т]ом.

Фонема реализуется в речевом потоке в виде конкретных звуков, называемых аллофонами. Аллофоны — это позиционные или комбинаторные оттенки одной фонемы, которые не различают значения слов. Например, русская фонема /а/ может быть реализована как чистый [а] под ударением или как редуцированный аллофон [ʌ] в первом предударном слоге, но при этом оба звука относятся к одной фонеме. Таким образом, артикуляционный аспект создает физическую основу, а лингвистический определяет значимость этой основы.

Акустический аспект как мост между артикуляцией и перцепцией

Акустический аспект изучает звук речи как физическое явление: колебательное движение воздушной среды, вызванное деятельностью органов речи. Это единственная сторона, которая доступна непосредственному инструментальному анализу. Акустический сигнал, сформированный артикуляционным аппаратом, несет в себе всю информацию, необходимую для его восприятия и распознавания.

Перцептивный аспект, тесно связанный с функциональным, исследует, как акустические характеристики опознаются и интерпретируются носителями языка. Слуховой анализатор человека декодирует физические параметры (частоту, амплитуду) и переводит их в лингвистические категории (высота тона, громкость, тембр, различение фонем). Акустический аспект, таким образом, служит мостом: он принимает физическую форму от артикуляции и передает структурированную информацию для перцептивной обработки, позволяя носителю языка использовать эти характеристики для различения фонем. Следовательно, именно акустический анализ дает нам объективные, измеримые данные для верификации субъективных перцептивных процессов.

Глава 2. Акустическая структура звуков: Параметры и модель речеобразования

Акустический анализ позволяет разложить сложный речевой сигнал на базовые физические параметры. Эти параметры — высота, сила, длительность и тембр — являются объективными коррелятами субъективного восприятия и необходимы для фонетической классификации.

Базовые акустические параметры и их числовая характеристика

Звук речи как колебание характеризуется четырьмя ключевыми параметрами:

1. Высота (Pitch): Определяется частотой (f) колебаний, измеряется в Герцах (Гц). Для гласных и звонких согласных высота в основном зависит от частоты колебаний голосовых связок (Частота Основного Тона, ЧОТ или F₀).
   

   Группа	Типичный Средний Диапазон F0 (Разговорная речь)	Среднее Значение F0 (Гц)
   Мужчины	85–200 Гц	132–136 Гц
   Женщины	160–340 Гц	223–248 Гц
   Дети (до мутации)	170–600 Гц	264 Гц

   Период колебания (T) обратно пропорционален частоте: f = 1/T. Чем выше частота, тем короче период, и тем выше воспринимается высота тона.

2. Сила (Интенсивность): Определяется амплитудой колебания звукового давления и измеряется в децибелах (дБ). Субъективно воспринимается как громкость.
3. Длительность (Долгота): Время звучания фонетической единицы, измеряемое в миллисекундах (мс). Для восприятия качества отдельного звука минимальная длительность должна составлять не менее 30 мс.

   В русском языке длительность играет критическую роль в реализации ударения. Акустические исследования показывают, что наиболее сильное сокращение длительности гласных отмечается во втором предударном слоге, что подтверждает его минимальную фонетическую значимость по сравнению с ударным и первым предударным слогами. Не стоит ли при анализе речевого сигнала уделять больше внимания именно этому предударному сегменту, где фонетическая информация сжата максимально?

4. Тембр (Timbre): Качественная характеристика, позволяющая различать звуки равной высоты и силы. Определяется сложным спектральным составом — соотношением основного тона и обертонов.

Модель «Источник-Фильтр» Гуннара Фанта: Источник, Фильтр и Резонанс

Ключевой теоретической моделью, описывающей акустическое образование речевого сигнала, является теория «Источник-Фильтр» (Source-Filter Model). Эта модель была сформулирована шведским акустиком Гуннаром Фантом в его основополагающей работе «Acoustic Theory of Speech Production», опубликованной в 1960 году.

Модель делит процесс речеобразования на две независимые части:

1. Источник (Source): Генератор звука. Для гласных и звонких согласных источником является гортань, где голосовые связки создают периодические импульсы, богатые обертонами. Для глухих согласных источником является место сужения в речевом тракте, где создается апериодический шум.
2. Фильтр (Filter): Резонатор, которым служит голосовой тракт (глотка, ротовая и носовая полости). Форма и объем этого фильтра изменяются артикуляционным аппаратом (положением языка, губ, мягкого нёба).

Сознательное изменение конфигурации голосового тракта (фильтра) модифицирует частотные характеристики, проходящие через него. Это приводит к усилению одних частот и ослаблению других. Именно эта модификация и определяет тембр и фонетический характер произносимой единицы. Практическая ценность модели заключается в том, что она позволяет математически разделить физиологические (артикуляционные) и акустические процессы.

Природа формант и тембр гласных звуков

Резонаторные частоты, при которых спектральные компоненты звука максимально усиливаются голосовым трактом (фильтром), называются формантами (F₁, F₂, F₃ и т.д.). Форманты являются ключевыми акустическими маркерами, определяющими тембр звука.

Форманта	Акустический Коррелят	Артикуляционный Коррелят
F1	Высота подъема языка	Чем выше язык, тем ниже F1.
F2	Ряд гласного (передний/задний)	Чем дальше язык выдвинут вперед, тем выше F2.
F3 и выше	Индивидуальная окраска голоса	Длина голосового тракта, состояние губ.

В лингвистике общепризнано, что гласные звуки во всех языках различаются главным образом частотой двух нижних формант (F₁ и F₂). Например, для русского гласного /и/ характерно низкое F₁ и высокое F₂, тогда как для /а/ — высокое F₁ и среднее F₂.

Глава 3. Методология инструментального анализа и фонетическая классификация

Для объективного изучения акустических свойств речи необходим инструментальный анализ, который позволяет визуализировать и квантифицировать физические параметры звука.

Спектральный и осциллографический анализ речи

Спектральный анализ является основным методом установления акустической структуры звуков. Он позволяет разложить сложный речевой сигнал на его составляющие — частоты с различной интенсивностью. Результатом спектрального анализа является спектрограмма — трехмерный график, где по оси абсцисс отложено время, по оси ординат — частота, а интенсивность (амплитуда) обозначается степенью затемнения.

Спектрограммы позволяют четко различить:

• Гласные звуки: Характеризуются наличием четких горизонтальных полос — формант, что указывает на периодические колебания (тон).
• Шумные согласные (глухие): Представляют собой апериодический шум, отображаемый как хаотичное затемнение в высокочастотной области.
• Звонкие согласные: Сочетают в себе шум в верхних частотах и периодический тон (F₀) в низкочастотной области.

Осциллографический анализ (получение осциллограммы) отображает изменение амплитуды звукового давления во времени. Осциллограмма позволяет точно измерить длительность звука и период основного тона, а также определить моменты начала и конца фонации. Динамические спектрографы позволяют анализировать текущую речь, отражая непрерывность перехода от одного звука к другому — ключевое свойство коартикуляции.

Программные комплексы для компьютерного анализа речи

В современной фонетике инструментальный анализ осуществляется с помощью специализированных программных комплексов. Наиболее распространенным и общепризнанным стандартом является программа Praat (от нидерл. «говорить»).

Praat был разработан Полом Боэрсма и Дэвидом Виининком в Амстердамском университете и впервые выпущен в 1992 году. Будучи бесплатным и открытым, он стал незаменимым инструментом для:

1. Извлечения высоты тона (Pitch Extraction): Автоматическое определение ЧОТ (F₀) для анализа просодии и интонации.
2. Формантного анализа: Автоматическое и ручное определение частот F₁, F₂, F₃, необходимых для точной классификации гласных.
3. Спектрографической визуализации: Создание спектрограмм и осциллограмм для качественного и количественного анализа.

Использование Praat позволяет проводить объективные, воспроизводимые и высокоточные измерения, что критически важно для академической курсовой работы.

Акустические корреляты дифференциальных признаков

Акустические характеристики прямо определяют фонетическую классификацию звуков речи и их дифференциальные признаки:

1. Тон/Шум: Звуки речи делятся на сонорные (гласные, [м], [н], [л], [р]), акустически определяемые резонаторными тонами, и шумные (большинство согласных), определяемые характером данного шума.
2. Звонкость/Глухость: Акустически различие между звонкими и глухими согласными определяется наличием или отсутствием основного тона (F₀). Звонкие согласные образуются при колебании голосовых связок, наложенном на шум, тогда как глухие состоят только из шума.

Таким образом, акустический анализ предоставляет объективные, физические доказательства для традиционной артикуляционной классификации. Из этого следует, что инструментальные методы должны стать неотъемлемой частью любой углубленной фонетической экспертизы.

Глава 4. Прикладное значение акустических свойств в прикладной лингвистике и логопедии

Исследование акустических свойств звуков речи выходит за рамки чистой лингвистики и находит широкое практическое применение, особенно в медицине и информационных технологиях.

Акустические исследования в логопедической диагностике

В логопедической диагностике и коррекции знание точных акустических и артикуляторных признаков звуков речи является фундаментом для организации работы по исправлению звукопроизношения (например, по методикам Фомичевой или Филичевой). Акустический анализ используется для объективной оценки речевого слуха и голосовых характеристик, позволяя перейти от субъективных перцептивных оценок к инструментальным данным.

Инструментальная оценка акустических характеристик выявляет, что речь детей с расстройствами аутистического спектра (РАС) на русском языке часто отличается повышенными значениями частоты основного тона (ЧОТ/F₀). Это может отражать нарушение просодического контура и эмоционального контроля речи. Кроме того, у таких детей часто наблюдается большая длительность ударных и безударных гласных (пролонгирование звуков) по сравнению с типично развивающимися сверстниками.

Объективное выявление таких маркеров позволяет специалисту проводить более точную дифференциальную диагностику и разрабатывать индивидуальные программы коррекции, направленные не только на артикуляцию, но и на слуховое восприятие и просодическую сторону речи.

Роль акустических параметров в машинном анализе и синтезе речи

В области машинной обработки речи (распознавание и синтез) акустические свойства являются единственным источником информации. Технологии распознавания речи строятся на анализе формантной структуры, ЧОТ, интенсивности и длительности, которые преобразуются в цифровые векторы.

Функционирование модели восприятия речи определяется системными свойствами, важными как для человека, так и для машины:

• Избыточность (Redundancy): В речевом потоке информация часто дублируется на разных уровнях (фонетическом, лексическом, синтаксическом). Эта избыточность определяется законом смысловой (семантической) связности текста, когда вероятность появления следующего звука или слова зависит от предшествующих. Это позволяет человеку и машине восстанавливать пропущенные или искаженные фрагменты сигнала.
• Иерархичность (Hierarchy): Система восприятия речи построена иерархически. На нижнем уровне восприятие оперирует групповыми различительными признаками звукотипов (сонорный/шумный, звонкий/глухой, твердый/мягкий). Эти признаки имеют устойчивые акустические корреляты, которые используются для быстрого и эффективного распознавания.

Использование точных данных о формантах русского языка и диапазонах ЧОТ критически важно для создания высококачественных синтезаторов речи, которые должны воспроизводить естественные акустические характеристики, так как без точного воспроизведения формантного состава синтезированная речь будет восприниматься неестественно или неразборчиво.

Заключение

Комплексное исследование звуков речи через призму «трех сторон» (артикуляционной, акустической и функциональной) позволяет утверждать, что акустический аспект является ключевым звеном, обеспечивающим реализацию фонемы в физическом мире и ее восприятие. Изучение акустических параметров, таких как высота, сила и длительность, незаменимо для объективной фонетической классификации.

Проведенный анализ подтверждает, что теоретической основой изучения акустической структуры является модель «Источник-Фильтр», разработанная Гуннаром Фанто��. Эта модель объясняет формирование речевого сигнала через взаимодействие источника (голосовые связки) и фильтра (голосовой тракт), определяющего критически важные формантные частоты (F₁, F₂). Мы предоставили точные числовые данные по Частоте Основного Тона, подчеркивая их физиологическую и лингвистическую значимость.

Методологическая база исследования основывается на инструментальном спектральном и осциллографическом анализе, осуществляемом с помощью стандартизированных программных комплексов, таких как Praat. Эти методы позволяют объективно измерять акустические корреляты дифференциальных признаков, подтверждая традиционную фонетическую классификацию.

Практическое значение акустического анализа выходит далеко за пределы теоретической фонетики, являясь незаменимым инструментом в прикладной лингвистике (машинный анализ речи) и специальном образовании. В логопедии, детальный инструментальный анализ позволяет выявлять тонкие, но значимые акустические маркеры нарушений (например, пролонгация гласных и повышенный ЧОТ у детей с РАС), что обеспечивает объективность диагностики и повышает эффективность коррекционной работы. Таким образом, мы видим, как теоретические изыскания, основанные на физике звука, трансформируются в высокоэффективные, доказательные методики коррекции речевых нарушений.

Настоящая работа представляет собой исчерпывающую теоретическую и методологическую базу, соответствующую требованиям академической курсовой работы по структуре, глубине проработки и научному аппарату.

Список использованной литературы

1. Acoustic Theory of Speech Production (Упоминание Фанта).
2. АКУСТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ФОНЕТИЧЕСКИХ ОПИСАНИЙ [Электронный ресурс] // Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова. URL: https://msu.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
3. Акустические и физиологические характеристики речи [Электронный ресурс] // Тверской государственный университет. URL: https://tversu.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
4. Артикуляционный аспект звуков речи — Современный русский язык [Электронный ресурс] // Ozlib.com. URL: https://ozlib.com/ (дата обращения: 24.10.2025).
5. Введение в языкознание. Хрестоматия / сост. Б. Ю. Норман и Н. А. Павленко; под ред. проф. А. Е. Супруна. Минск: Выш. школа, 1977. 366 с.
6. К теории восприятия звучащей речи: соотношение акустических перцептивных параметров (Акустический журнал) [Электронный ресурс] // Akzh.ru. URL: https://akzh.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
7. Лекция № 2. Звуки речи как природная материя языка (СибАДИ) [Электронный ресурс] // Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия. URL: https://sibadi.org/ (дата обращения: 24.10.2025).
8. Логопедия. Практикум. Материалы к лекциям, 2017.docx [Электронный ресурс] // Белорусский государственный педагогический университет. URL: https://bspu.by/ (дата обращения: 24.10.2025).
9. Маслов, Ю. С. Введение в языкознание. 3-е изд. Москва: Высшая школа, 1997. 272 с.
10. Общее языкознание / под общ. ред. А. Е. Супруна. Минск: Высшая школа, 1983. 456 с.
11. Перетрухин, В. Н. Введение в языкознание. Воронеж, 2005.
12. Попова, З. Д. Введение в языкознание. Воронеж, 2009.
13. PowerPoint Presentation (3 аспекта, NSTU) [Электронный ресурс] // Новосибирский государственный технический университет. URL: https://nstu.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
14. Речеобразование и восприятие речи — Акустика (Акустический журнал) [Электронный ресурс] // Akinfo.ru. URL: https://akinfo.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
15. Реформатский, А. А. Введение в языковедение. 3-е изд. Москва: Аспект-пресс, 1996. 536 с.
16. Спектральный анализ звуков речи (БСЭ) [Электронный ресурс] // Booksite.ru. URL: https://booksite.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
17. Сусов, И. П. Введение в языкознание. Москва: Восток-Запад, 2007. 379 с.
18. Тема 1. Фонетика: акустический, артикуляционный и лингвистический аспекты. Фонетические единицы и фонетические процессы. [Электронный ресурс] // Studfile.net. URL: https://studfile.net/ (дата обращения: 24.10.2025).
19. Теория источник-фильтр образования звука и голоса в гортани [Электронный ресурс] // Meduniver.com. URL: https://meduniver.com/ (дата обращения: 24.10.2025).
20. три аспекта звуковой речи — Словарь лингвистических терминов Т.В. Жеребило [Электронный ресурс] // Academic.ru. URL: https://academic.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
21. Физические свойства звуков [Электронный ресурс] // Studfile.net. URL: https://studfile.net/ (дата обращения: 24.10.2025).
22. Шайкевич, А. Я. Введение в лингвистику. Москва: Academia, 2005. 400 с.
23. Широков, О. С. Языковедение. Введение в науку о языках. Москва: Добросвет, 2003. 734 с.