Спектр частоти голосу людини.

Частина перша: З чого все почалося

Все б нічого, але помітив я за нею одну особливість. (пардон, читачу, але це мій первісток, порівнювати нема з ким, і тому міркую з позицій унікальності моменту :) Часто, донечка для привернення уваги, висловлення невдоволення або просто від задоволення, що з нею грають, видавала верески, і, часом, ці верескі були настільки пронизливі, що призводили до дзвону у вухах. Охоче вірю, читачу, що ці моменти цілком рядові, але в цьому випадку зірки зійшлися в унікальну комбінацію:

у верещачої дитини як тато був невгамовний придурок допитливий натураліст за духом
цей чоловік був професійним звукарем і йому робити нехер став дуже цікавий частотний спектр цього вереску. Все-таки роки і навіть десятиліття заняття звуком сильно розвивають аналітичні здібності слуху, що не почув би обиватель на моєму місці, я зазначив собі, що крик, що видається, по спектру був незвичайно високочастотний і це різало вуха в прямому сенсі слова.
у мене було чим записати вереск для подальшого його виміру та аналізу.

Частина друга: людський голос, спектр, особливості - теорія питання коротко

Колеги звукарі можуть відразу перейти до третьої частини, але для читачів слабо знаються на тонкощах звуку коротенько дам загальну інфу. Частотний спектр (АЧХ) голосу – це сукупність всіх складових частот. Є якась базова основна частота генерується зв'язками людини + його обертони (гармоніки), потім решта резонують в тілі і голові людини "порожнини", що додають свої частоти + обертони. Плюс до цього конфігурація та взаєморозташування язика, губ, зубів модулюють цей спектр + додають свист,шипіння, цикання та інші звуки дикції з яких формується остаточне звучання людиною.

Тобто. можна розділити звук голосу людини на 2 частини - 1) тональна генерація зв'язками + резонатори 2) та дикційні артикуляційні шипелки-цикалки. До речі, ви це все й так знаєте – у школі проходили ж дзвінкі та глухі згодні? Ось вони і є. Ті приголосні де йдеться з "грудною підтримкою" зв'язками "Д", "В", "Ж", "Г" і т.д. - дзвінкі. А ті, що вимовляються без "грудного голосу" (зв'язки +резонатори), а лише артикуляційними шумами - глухі "Т" "Ф" "Ш" "К" і т.д. Вимовте їх попарно, і ви зрозумієте у чому справа. Щоправда, все просто? :)

Ось так і виходить, що сам по собі голос людини має невеликий спектр частот. А який саме те? Можна звичайно потонути зараз у цитатах з вікіпедії та діаграмах АЧХ із прикладами, але давайте по-простому.

Прийнято вважати, що спектр частот, що сприймаються, людським вухом в діапазоні від 20Гц до 20 000Гц. Кажуть є унікуми, які чують аж 22кГц, але зазвичай чують до 17-18кГц, з віком слух погіршується аж до 11-12кГц. А в епоху навушників так і ще гірше, та й глухнуть ще плюс до всього. Так і вважатимемо, що чуємо до 20кГц. Не дарма ж стандарт індустрії звукозапису на десятиліття вибрав цю цифру + запас 2 кГц і стандарт СД-Аудіо о 22.050 став масовим. Але надмірність його для мас людей з неідеальним слухом призвела до появи форматів стиснення, типу MPEG, який зараз усі слухають у вигляді файлів mp3. Якщо подивитися на спектр, то він як правило обрубується на 16 кГц. І нічого - народ задоволений

І ось з цими цифрами діапазону голосу і діапазону сприйняття частот вухом людини ми і будемо порівнювати те, що в нас вийде далі.

Частина третя: запис"Досліджуваного сигналу".

Я, як людина професійно займається звуком, був радий займатися хернею, а то працювати влом підвернувся під руку можливістю експерименту в звуку, так би мовити в побуті, в прикладному застосуванні. Тим більше оцифрувати і проаналізувати крики дочки (страшно уявити чим займаються в сім'ї тата хіміки або фізики). Вереск цей був щоденний, і часу подумати над його частотними (і особливо амплітудними) властивостями було достатньо. Подібно до стривоженого сусіда знизу, що цікавить "та що у вас тут за рок концерт об 11 годині ночі!", я привабливий жадобою знань вирішив таки з'ясувати: нутром відчував, що вереск був по спектру таким з чим я ще не стикався жодного разу в житті, професійний слух вказував на "задерті верхи в цьому міксі" - і ось в черговий раз обдуривши від удару по вухах один прекрасний момент, я вирішив інструментально з'ясувати: мав рацію я був у своїх здогадах щодо спектру, чи вся справа була просто в гучності? (а гучність там була теж ого-го!). Наявний у студії парк широкомембранних мікрофонів (тим більше лампових – у них ламповий каскад сам як дуже м'який фільтр ВЧ) під цю справу мало підходив. Вся справа якраз у широкій (великій за площею) мембрані. Те, що добре для чутливості знімання звукової хвилі з усією палітрою нюансів, погано для ВЧ складової. Маса. Велика мембрана – це велика маса – а маса ця інерція. І в якийсь момент мембрана не може коливатися з більшою частотою, ніж дає їй інерція. А ось з дрібно, або навіть крихітно мембранним мікрофоном результати мають бути кращими. І саме такий девайс на студії є: це портативний рекордер Zoom H6 здатний оцифровувати сигнал у форматі 96кГц 24біт стерео. Виробник чомусь не дає спектр мікрофонів. Але так добре - скільки наміряємо - всенаше буде.

Починаємо запис. Ось перша спроба.

Вочевидь, що вереск дуже гучний і під час запису його сигнал кліпує. Кліпований сигнал нас не влаштує бо він спотворює спектр, замість натурального спектру вереску ми будемо слухати спектр спотворень, а ми не пустощами зайняті а повною дурницею майже науковим експериментом.

Відходимо назад, пробуємо. Перевантаження ще назад знову кліпує. І ось успіх, дубль записаний, перевантаження немає.

Тепер зливаємо це в комп'ютер, нормалізуємо під 0 по піку і аналізуємо.

Частина четверта: аналіз звуку та вшанування чемпіона :)

Млинець набридло вже писати треба закруглюватися

Основний тон на 4кГц, а обертони його майже до 50кГц! Це неймовірно! Вдвічі більше (далі) межі чутливості вуха! Звичайно це пік - найвища нота у крику. Щоб простежити вереск у динаміці ось вашій увазі спектр у часі:

Подивіться як розвивався крик: час йде нагору, вище - раніше. стрілочками показано висхідне і через коротеньку паузу низхідне гліссандо тону вереску. Червоними стрілочками показаний основний тон, а стрілочкою збоку показані обертони (гармоніки) вереску, які простягаються аж до 50кГц!

Ще більш вражаюча картина буде подивитися на графік спектроаналізатора не в логарифмічній а лінійній шкалі.

Залежно від алгоритму та інтерфейсу програми показуються трохи результати різного ступеня інформативності

Але те, що залишається незмінним - це пік основної (опорної) частоти та піки обертонів.

Ось цей скрін, мабуть, найнаочніший із решти.

Які можна зробити висновки?

1) Мікрофони портативного рекордера Zoom H6 виявляється МОЖУТЬ! Можуть писати звук аж дополовини частоти дискретизації в 96кГц що становить "акустичні" 48кГц! Це вражає.

2) Донечка моя теж МОЖЕ! Може, та так що не тільки оглухнеш, а й комарів усіх повбиває ультразвуком! Та яким! ось самі подивіться:

3) Гармоніки аж до відсічки мають значну енергію і згасання формант відбувається не так вже й швидко! тобто. енергія крику не тільки в основному тоні і найближчих гармоніках але і в далекосяжних.

4) Очевидно, що ультразвукова вакханалія на 50кГц не закінчується і напевно там повно ще піків і більше 50кГц

5) на графіку добре видно оком відмінності між парними та непарними гармоніками. Для контуженого батька звичайно все одно, а вам приємно вкотре глянути на графік :)

Всі ці виміри ви можете зробити і самі. Ось тут лежить цей вереск у форматі 96\24

Загалом, підбиваючи підсумки, - хлопці, я вражений. Це дивно - всього третя непарна гармоніка (п'ята в загальному заліку) - ВЖЕ ЗА МЕЖАМИ ЛЮДСЬКОГО СЛУХА!

Така класна вона в мене! :) Тільки от верески дуже вже напружують :)))

P.S. для дротів теоретиків

Так, мені відомо що звужена тривалість імпульсу (різке клацання) можна досягти більшої широти спектру і за досить короткого імпульсу (клацання) можна розширити спектр хоч до гігагерця. АЛЕ!

0) зменшуючи тривалість імпульсу, насамперед розширюємо спектр АЧХ і вже як наслідок розширення спектра у нас виходять високі частоти, але це має два наслідки:

а) ширина спектру імпульсу розширюється НЕ ТІЛЬКИ ВВЕРХ, АЛЕ І ВНИЗ!. У результаті ми отримуємо замість вузьких піків гармонік опорної частоти, як у прикладах вище, широкі смуги - а це зовсім інша картинка спектроаналізатора.

б) чим коротша частота імпульсу - тим більшев ньому частот, і в кінцевому підсумку для такого короткого клацання спектрограма буде мати вигляд дуже частої гребінця практично лінійної по АЧХ, або навіть рівномірно заповненого спектру все більше схожого на білий рожевий шум.

в) для нібито клацання, що йде в ультразвук, його тривалість повинна бути дуже короткою, наприклад для опорної частоти 4.27 кГц повинна бути тривалість 1с\4270гц = 2.34 мілісекунд. Не більше, і адже чудово видно, тривалість того самого високочастотного вереску на діапазоні в розвитку за часом носить тривалий характер і не клацання і не короткий імпульс.

1) А далі найочевидніше - в записаному звуку просто немає клацання :), переконайтеся самі:

Якщо аналізатор спектру нібито виміряв спектр клацання а не сигналу, то це клацання мало б домінувати над сигналом непристойно "стирча" на осцилограмі - але як бачимо його немає.

2) Грудній дитині 4 місяців від народження просто нічим видавати клацання

3) Ті, що продовжують виколупувати з носа конспірологію думати що клацання в записі було видано не дитиною а наприклад (цитую) "клацання пальцями або бавовни в долоні" можуть заново пройти медобстеження у психіатра послухати запис ще раз і слухати до тих пір поки лікування в диспан позитивні результати не переконаються, що там справді немає сторонніх клацань.

ПРОЧИТАЙТЕ ЩЕ НАШІ СТАТТІ

Якщо частоти можуть резонувати, посилюючи одна одну, чи можуть вони гасити? Якщо так, за яким принципом? Якщо зробити підкладку з інфразвуку – це погасить ультразвук чи зробить загальний вихідний звук приємнішим? Наскільки я розумію, верескливі голоси неприємні тим, що в них немає басів та середини.

судячи з кінцівки мабуть дістали причіпками )