PhyExp Wiki Шепіт Шепіт
phyexp/uploads/Chuchotements/chuchot1.jpg "/> phyexp/uploads/Chuchotements/chuchot2.jpg" /> Вступ
Голос - це випромінювання звуків, що виробляються вібрацією «голосових зв’язок» (їх ще називають голосовими складками) при проходженні повітря. Вони схожі на горизонтальні опуклості м'язів, які скорочуються і розслабляються, визначаючи отвір, що називається голосова щілина. Вібрацію повітря можна порівняти з періодичним явищем. Це особливо стосується голосних звуків, що видаються людським голосом, та всіх інструментів, здатних створити музичну ноту. Людське вухо може чути звуки в діапазоні від 16 герц (дуже низький звук) до 16000 герц (звук дуже високого тону).
У нашій темі виникає кілька питань:
- Як ви акустично та фізично характеризуєте різницю між режимом, що шепочеться, і режимом, що звучить? ?
- Як змусити музичний інструмент шепотіти ?
- Як ти шепочеш голосні ?
Завдяки документальному аналізу, проведеному на початку модуля, ми зможемо відповісти на першу проблему. Для наступних питань ми проведемо експерименти, які ми пояснимо у другій частині
I Теоретичні основи
1) Створення звуку
У цій частині ми пояснимо, як фізіологічно ми створюємо звук. Він починається з діафрагми, яка контролює повітря, що проходить через гортань. Коли він піднімається, він пропускає повітря до гортані. Коли вона досягає голосових зв’язок, вони на мить відокремлюються, щоб вона могла пройти. Голосові зв’язки (або голосові складки) очевидні для багатошарової структури, що робить їх хорошими вібраторами. Ця структура також дозволяє регулювати довжину та жорсткість, які модулюють вібрацію, що є важливим для виробництва звуку. Саме руховий нерв в гортані передає сигнали на голосові зв’язки, щоб викликати їх скорочення. Гортань також вертикально рухлива, вона піднімається для високих тонів і опускається для низьких. Повітря, яке щойно було порушене в гортані, просочується в горло, рот і ніс, метою якого є створення постійних порушень повітря, які називаються звуковими хвилями. Голоси різняться залежно від розміру голосових складок та залежно від резонаторів (горла, рота або носових порожнин).
2) Різниця вокалізованого режиму та режиму шепоту
Перш за все, правомірно запитати, в чому різниця між голосованою та шепотною дієтою. На слуховому рівні різниця між вокалізованим та шепотним режимами відзначається зниженням рівня звуку. На рівні гортані помітною відмінністю є вібрація голосових зв’язок. Насправді голосові зв’язки не вібрують у режимі шепоту. Щоб усвідомити це, просто покладіть руку на його шию і вимовіть озвучену фразу і пошепки.
Різниця також помітна в спектрах. Кожен звук має свій дискретний спектр, що дозволяє його ідентифікувати. Цей спектр складається з 3 гармонік, які є компонентами періодичного звуку, частота якого є цілим числом, кратним частоті основної гармоніки або гармоніки першого порядку, що дозволяє ідентифікувати звук. Насправді, якщо ми маємо 2 з 3 гармонік, ми все одно можемо визначити звук, що виробляється.
Шепіт (створюється турбулентним потоком, що проходить через відносно невеликий і майже постійний розмір отвір, утворений голосовими зв’язками), породжує безперервний спектр звуку, подібний до білого шуму, який ми визначимо пізніше. Витягнути гармоніки, корисні для диференціації звуку, важко, але тим не менше. Звук вокалізованого режиму (створюється турбулентним потоком, що проходить через коливальний отвір голосових зв’язок) має для спектра дискретний спектр і легше аналізується.
3) Безперервний спектр та дискретний спектр
Тому ми будемо говорити про різницю між безперервними спектрами та дискретними спектрами. У тому, що ми будемо вивчати, ми вже знаємо, що вокалізований голос або звук скрипки створює дискретний спектр, тоді як білий шум або шепіт - безперервний спектр. Дискретний спектр складається з декількох дуже чітких гармонік (фундаментальних та їх кратних), які легко аналізувати. Наприклад, у фізиці цей спектр можна уподібнити спектру ліній поглинання або випромінювання. Неперервний спектр складніше аналізувати. Він складається з безлічі частот, які мають майже однакову інтенсивність. Білий шум є прекрасним прикладом, оскільки всі частоти мають однакову інтенсивність. Наприклад, ми можемо асимілювати його у фізиці до спектра видимого світла.
4) Перетворення Фур'є
У нашому проекті ми базуємось на перетворенні Фур'є. Це дуже корисно для нашого аналізу, оскільки дозволяє перейти від цифрового сигналу (непридатного до використання) до графіку рівнів звуку як функції частоти.
Математично ми можемо визначити перетворення Фур'є F [f] за допомогою f: L1 (R) -> R або C, і k належить R за формулою:
Нам не потрібно турбуватися про те, чи f належить L1, оскільки тут усі вивчені сигнали будуть (неможливо створити нескінченний звук). Перетворення Фур'є буде виконуватися програмним забезпеченням AUDACITY.
5) Білий шум
Білий шум - це звук, спектральна щільність потужності якого є незмінною незалежно від його частоти. Однак неможливо досягти ідеального білого шуму, оскільки однакова спектральна щільність для всіх частот призведе до дисперсії, виміряної площею під кривою, яка є нескінченною (і, отже, нескінченною енергією). Тому ми повинні обмежити цей шум діапазоном частот.
Звук, вироблений під час ефекту "снігу" на нерегульованому телевізорі, є гарним прикладом білого шуму, але ми також можемо відтворити його завдяки голосу, видаючи звук "пшіііі" .
Ось приклад спектра білого шуму:
Джерело: Барвисті шуми, Вікіпедія
6) Каніфоль і паличка-сліп
Кінське волосся, що використовується в принципі для виготовлення гніту з лука, насправді має дуже погані фрикційні властивості. Необхідно використовувати процес, який створює значні сили тертя, щоб мати можливість грати з луком.
Застосовуваний продукт являє собою смолу, каніфоль, представлену у вигляді рулону, яким покрита кінська волосина. Під час натирання гніту дуже дрібні частинки потрапляють в статичну електрику, що утворює тонкий шар. Саме цей шар насправді буде контактувати з мотузкою. Каніфоль також має цікаві хімічні властивості, пов’язані з підвищенням температури. Дійсно, це призводить як до збільшення статичного коефіцієнта тертя, що виникає, коли швидкість ковзання між двома поверхнями дорівнює нулю (отже, покращення адгезії у фазі палиці), так і до зменшення динамічного коефіцієнта, який враховується при швидкість ковзання між двома поверхнями не дорівнює нулю (отже, покращення ковзання у фазі ковзання). Тому ми описуємо ковзання палиці як різкий рух, який іноді спостерігається під час відносного ковзання двох предметів.
II Експериментування
Протягом нашого 10-тижневого досвіду ми в основному працювали над 4 напрямками:
- Спектри голосних
- Трубки та їх резонанс
- Шепіт музичного інструменту тут - скрипка
Зараз ми збираємось детально розповісти, що ми змогли зробити, і використати результати, які нам вдалося зібрати.
Під час експериментів ми зіткнулися з багатьма невизначеностями:
- Ми не можемо визначити кількісно додавання каніфолі та її вплив, а також натяг струни, але щоб виправити це, ми провели кожну серію вимірювань одночасно і налаштували струну на початку кожного сеансу
- Точність динамометра 0,02 Н, а лінійки 0,1 см
- Температура/вологість приміщення змінюється протягом кожного сеансу та змінює вплив лука на струну
- Напруга лука різна на кожному занятті, тому що ми розслабили лук, щоб не згинати його
- Опір кривошипа змінює швидкість
Частина А: Як змусити шепіт скрипки ?
Ми відповімо на друге запитання "Як змусити музичний інструмент шепотіти?" "Використання першого досвіду. Для цього ми використаємо фіксовану скрипку та рухливий лук і таким чином визначимо фактори, що дозволяють шепотіти.
Скрипка складається з 4 струн, згаданих тут зліва направо: чорна з основною частотою 196 Гц, що дає G, зелена 280 Гц (D), синя 440 Гц (A) і фіолетова 660 Гц (E ). Для нашого експерименту ми збережемо лише один рядок: Ré.
Тож нам довелося створити монтаж, який контролює рух носа. За допомогою Володимира ми прикріпили цибулю до хробака, який дозволяє цибулі рухатися горизонтально приблизно на 1 або 2 см. Черв'як активується двигуном (підключеним до джерела живлення), який повертає кривошип, який активує систему.
Після завершення збірки ми визначили різні параметри:
- Швидкість носової частини: змінюється завдяки напрузі (діапазон від 11 до 30 В).
- Тиск дуги на струни: можна змінювати додаванням ваги на носі або зміною положення точки контакту носа/струни.
- Положення носової частини по відношенню до мосту (саме він передає вібрацію струн в резонансну коробку) і може вимірюватися лінійкою.
1) Швидкість
Початкове положення носа відносно моста дорівнює 0 см. Ми використовуємо збірку, побачену раніше, змінюючи між кожним вимірюванням напругу джерела живлення від 11 до 30 Вольт, викликаючи збільшення швидкості. Тахометр визначає кількість оборотів в хвилину кривошипа, яка перетворюється в метри в секунду за формулою:
Ось зведена таблиця швидкостей, які ми використовували.
Для кожної напруги ми провели 10 вимірювань швидкості (в об/хв) за допомогою тахометра і отримали середнє значення. Ми також вказали відносні відхилення для кожної швидкості, тому що, коли ми приводили в дію механізм нашої збірки, кривошип реагував не відразу: швидкість, яка потім передавалася до носової частини, не відповідала напрузі, що подається на двигун. Для відносного відхилення ми використовували формулу:
Для кожного вимірювання ми аналізуємо частотний спектр за допомогою AUDACITY і порівнюємо їх між собою, перетворюючи їх у графік на MATLAB.
phyexp/uploads/Chuchotements/impact_vitesse2.jpg "/> Без каніфолі ми залишаємося в режимі шепоту незалежно від швидкості. Ми повинні додати смолу на носовій частині, щоб вона краще ковзала по струнах і легше видавала звук.
З цих графіків випливає, що швидкість не є визначальним фактором переходу від шепотної та вокалізованої швидкості: збільшення швидкості призводить лише до повільного прогресування до вокалізованої швидкості. Змінюючи початкові умови (тиск при 0,8 Н і 1,4 Н), ми спостерігаємо, що існує граничне значення, за якого неможливо перебувати в режимі вокалізації (для нас): 11 В. Однак ми не можемо підтвердити це, оскільки не можемо експериментувати з меншою швидкістю та більшою силою.
2) Тиск
Другим параметром, що змінюється, є тиск носа на струни. Підтримуючи фіксоване положення носа (0 см від моста) і постійну швидкість (подаючи напругу 30 В), ми змінили тиск на струну, підвісивши гирі в кінці струни. Лук і виміряли його за допомогою динамометр. Щоб мінімізувати зміни тиску під час запису, ми зробили носову гірку лише на 1 або 2 см.
Ми також могли змінити тиск, змінивши точку дотику між носом і струною. Дійсно, як показано на графіку в додатку, тиск у носі змінюється як функція відстані від голови лука.
На цьому графіку ми спостерігаємо, що вище тиску в 1 Н гармоніки чітко розрізнюються. Цей графік наочно показує, що тиск є визначальним фактором при переході між режимом шепотів та режимом, що звучить.
Ми також можемо помітити, що інтенсивність піків гармонік зростає із збільшенням тиску і, здається, досягає межі розміру. Щоб перевірити це, ми збираємося побудувати кількість піків, що перевищує певне фіксоване значення (тут 15 і 20 дБ)
На цьому графіку ми намагаємось отримати різну мінімальну висоту (15 і 20) і знаходимо однакову форму графіка: перед критичним тиском, тобто тиском, при якому відбувається перехід звук/шепіт, кількість піків є низькою (що логічно, оскільки прошептані стани), то в інтервалі, близькому до критичного тиску, ця сума еволюціонує дуже швидко, тоді, здається, стабілізується при мінімальному значенні. Цей графік показує нам, що коли ми нижчі за значення критичного тиску, ми знаходимося в режимі шепоту, а коли ми вище, ми знаходимося у фокусованому режимі. Навколо критичного тиску явище є складним для аналізу, оскільки нахил дуже крутий, і невелика зміна тиску спричиняє великі зміни. Ми також провели той самий аналіз суми висот піків (тут зауважимо дельта-протуберанці) графіка як функції тиску на скрипку. Розрахунок суми протуберанців піків проводиться за допомогою функції MATLAB 'Findpeaks', яка дозволяє їх ідентифікувати та визначити їх висоту (графік у додатку), і ми отримали той самий результат.
3) Положення лука
Останнім параметром, який ми вирішили вивчити, є положення носа по відношенню до мосту. Тут також ми зафіксували швидкість, поставивши джерело живлення на 20 В і тиск 0,3 Н. Ми побудували спектри звуків на відстані 0, 2,5, 5, 7,5, 10 см від мосту та згрупували їх на графіку MATLAB. Зверніть увагу, що, як і на швидкість, вплив позиції, здається, впливає на рівень звуку: чим далі від мосту, тим більше ми переходимо від режиму, що звучить, до режиму шепоту
phyexp/uploads/Chuchotements/evolution_chevalet.jpg "/> Повторюємо експеримент, подаючи напругу 30 В, змінюючи положення носа (ті ж виміри, що і раніше), і змінюючи тиск між 0,2 Н і 1 Н, щоб знайти критичний тиск.
Цей експеримент ми провели двічі: до і після додавання каніфолі.
Ми малюємо графік, де критичний тиск залежить від положення відносно моста і отримуємо нахил, який показує, що чим далі від моста, тим нижчий тиск переходу стану. Стовпчики невизначеності взяті з невизначеності динамометра та лінійки.
Частина Б: Як шепотіти голосні ?
1) Білий шум
Раніше ми визначали білий шум як шум, спектр якого має однакову гучність для кожної частоти (на відміну від голосного звуку, наприклад).
Для відтворення білого шуму ми використовували пневматичну гармату. Отже, ми записали звук, обережно, щоб не наситити наш запис, і завдяки програмному забезпеченню AUDACITY ми отримуємо фур'є-спектр сигналу. У спектрі ми помічаємо, що не всі частоти мають однакову гучність, і дійшли висновку, що це пов’язано з мікрофоном. Ми віднімемо цей білий шум від значень, отриманих для всіх майбутніх результатів, щоб мінімізувати вплив нашого мікрофона на експерименти. Це також допоможе мінімізувати вплив навколишнього шуму від експериментальної кімнати на наші результати.
Використовуючи пневматичний пістолет, ми помітили, що залежно від перешкод, з якими стикається дихання, викинуте пістолетом, ми мали чутні відмінності. Однак це залишається білим шумом.
Виконавши невеликий експеримент із пістолетом та досить товстою дерев’яною дошкою, ми вирішили спробувати з’ясувати, чи відчуваються ці відмінності в спектрі. Розташовуючи дошку на 7 см або 25 см, ми отримуємо слухове відчуття слуху 2 різних звуків. На 7 см ви відчуваєте слух "ччх", а на 25 см - "ссс". Коли ми беремо вимірювання і дивимося на графіки інтенсивності звуку як функції частоти, ми спостерігаємо, що "chhh" знаходиться вище "sss" у всьому діапазоні частот, за винятком від 5000 до 10000 Гц (і різниця приблизно 5 дБ між 2 кривими через відстань від дошки). Тому ми можемо визначати звуки навіть за білого шуму.
2) Голосні
Щоб відповісти на це останнє запитання, ми вирішили зосередитись лише на чотирьох голосних "a", "e", "i" та "o" ("u" не дає остаточних результатів і не має посилань, щоб керувати нами).
У цій частині ми хотіли визначити, як ми можемо диференціювати літери з точки зору їх спектрів. Тож ми вирішили записати, використовуючи мікрофон, голосні звуки двома різними способами: видаючи короткий і довгий шум. Потім ми видаляємо білий шум з отриманих даних, щоб мати змогу малювати графіки.
Побудувавши графік спектрів, ми змогли визначити форманти (резонансні частоти порожнин дихальної системи) 4 вибраних голосних. Завдяки двом типовим частотам формантів ми можемо ідентифікувати голосні у білих шумах чи інші.
Тому нам вдалося встановити, що форманти раніше обраних голосних узгоджуються з теорією (див. Графік):