Зависимость восприятия низкочастотной амплитудной модуляции от возраста и тренировки у человека
Предыдущие исследования отчетливо показали существование об-ласти обостренного восприятия человеком амплитудно-модулиро-ванного (AM) звука: это область частот модуляции порядка 4–8 Гц [Цвиккер, Фельдкеллер 1971; Дубровский, Тумаркина 1967; Черни-говская, Морозов 1974]. Есть основания считать, что такая избира-тельность в восприятии AM-звука является результатом постоянной тренировки слуха при речевой коммуникации и, следовательно, на-стройки его на AM, характерный для речевого потока [Чернигов-ская, Морозов 1974; Морозов, Черниговская 1975]. В связи с этим представлялось интересным посмотреть, как и когда формируется эта характеристика слуха и каким образом она развивается в процес-се онтогенеза по мере увеличения слухового опыта. Для этого было обследовано три группы нормально слышащих детей: семи-восьми лет (восемь человек), девяти-десяти лет (пять человек), тринадцати-четырнадцати лет (пять человек).
Исследовалась чувствительность слуха к AM тональным сигналам с частотой, несущей 1000 Гц при интенсивностях 40 дБ над порогом слышимости каждого испытуемого, с глубиной синусоидальной мо-дуляции, плавно менявшейся от 0 до 100 %. Звуки предъявлялись испытуемым через калиброванные головные телефоны ТД-6. Моду-ляция тонального сигнала по амплитуде осуществлялась с помощью генератора инфразвуковых частот ГЗ-16, подключенного к модуля-тору. Исследование пороговой чувствительности к AM производи-лось на частотах модуляции 1, 2, 4, 5, 6, 8, 16, 32, 64 Гц, причем для каждого испытуемого делалось от пяти до десяти измерений порогов на каждой частоте модуляции. Результаты измерений усреднялись с вычислением доверительных интервалов. Перед испытуемым стави-лась задача указать на появление едва заметного колебания звука.
Результаты исследования представлены на рис 1. Кривая I демон-стрирует среднестатистические значения порогов чувствительности слуха к AM-звуку у детей семи-восьми лет. Ясно видна резкая изби-рательность в области 4–8 Гц. Фактически только эти частоты моду-ляции и воспринимались детьми данной возрастной группы: моду-
0,1 0,4 1 2 3 4 5 6 789101620 3250 64 100 F мод, Гц
Рис. 1. Среднестатистические значения порогов слуховойчувствительности к восприятию AM. т % — пороговая глубина обнаружения AM слухом, F мод — частота AM (Гц); I — слуховые пороги восприятия у детей семи-восьми лет, II — пороги тех же детей после тренировки, III — пороги детей девяти-десяти, IV — тринадцати-четырнадцати лет; пороги взрослых нормально слышащих нетренированных (V) и тренированных (VI) людей, по данным Черниговской и Морозова [Черниговская, Морозов 1974]
ляция с частотами 1–2 Гц ощущалась лишь при индексе модуляции т > 20 %, модуляция же 32 и 64 Гц не воспринималась вообще. Кри-вая II характеризует пороговую чувствительность к AM у тех же де-тей после некоторой тренировки. Как видно, порог восприятия ча-стот 4–8 Гц не снижается, и область эта по-прежнему остается резко избирательной. Обращает на себя внимание то, что при тренировке понижаются пороги восприятия низких частот (1–2 Гц — до 10 % мо-дуляции) и почти не понижаются пороги высоких (32–64 Гц). От-личие кривых I и II статистически достоверно на участках диапазо-на 1–2 и 16–20 Гц. Это вполне понятно, если иметь в виду, что так называемая область хрипов — в данном случае 50–64 Гц [Цвиккер,
Фельдкеллер 1971] — является затруднительной для восприятия ам-плитудных колебаний даже взрослыми людьми. Наличие такой от-четливой предпочтительности в восприятии AM детьми семи-вось-ми лет, когда речь еще находится в стадии формирования, очень примечательно. Если исходить из того, что эта характеристика при-обретается в результате тренировки, то совершенно естественно, что наибольшая тренированность слуха вырабатывается в диапазоне, соответствующем характеристикам речевого потока, в данном слу-чае — амплитудной модуляции речи. Это очень ярко видно у детей семи-восьми лет, которые находятся в процессе интенсивного рече-вого обучения.
С возрастом, по мере увеличения общего слухового опыта бо-лее низкие и более высокие частоты модуляции начинают воспри-ниматься лучше, постепенно приближаясь к порогам, характерным для взрослых людей с нормальным слухом, — кривая V [Черни-говская, Морозов 1974]. Кривая III демонстрирует пороговую чув-ствительность к AM у детей девяти-десяти лет. Видно, что при со-хранении избирательности статистически достоверно снижаются пороги на частотах модуляции 1–2 Гц (в среднем до 8–9 % модуля-ции) и 32–64 Гц (до 12–13 %). Это происходит, как можно полагать, вследствие того, что речевое обучение, сохраняясь, теряет свою пре-обладающую роль.
Пороги чувствительности к AM у детей тринадцати-четырнадца-ти лет (кривая IV) снижаются примерно на 1 % модуляции в той же области предпочтительности, по-прежнему отчетливо выраженной, а сама кривая значительно уплощается за счет улучшения восприя-тия «боковых» частот (в среднем 7–8 % для 1–2 Гц и 8–10 % для 16, 32, 64 Гц). В отличие от более младших, подростки тринадцати-че-тырнадцати лет способны не только легко воспринимать «трудные» частоты модуляции, но отмечают, что на высоких частотах (око-ло 64 Гц) звук не колеблется, как на других частотах, а слышен как бы параллельно с дополнительным звуком — факт, отмечаемый и взрослыми людьми. Все это говорит о значительно возросшем слу-ховом внимании и опыте. В то же время избирательность в области частот модуляции 4–8 Гц сохраняется при несущественном отличии порогов от данных других возрастных групп. Специальная трениров-ка на прослушивание AM-звуков или тренировка в процессе профес-сиональной деятельности (работа со звуками широкого диапазона) приводят к еще большему уплощению кривой пороговой чувстви-тельности (кривая VI [Черниговская, Морозов 1974]).
На основании полученных данных можно говорить о наличии от-четливо выраженной избирательной чувствительности у детей раз-
Об избирательной чувствительности слуха человека к амплитудной модуляции речи*
Исследование чувствительности слуха человека к восприятию ам-плитудной модуляции (AM) звука обнаруживает статистически достоверный минимум порогов для частот модуляции в области 4–6 Гц. Высказана гипотеза, что это явление эволюционно обуслов-лено настроенностью слуховой системы человека на восприятие ре-чи, AM которой является результатом артикуляции слогов. Прове-денный акустический анализ речи разных дикторов подтвердил наличие статистически достоверного максимума AM звукового по-тока именно в области 4–6 Гц. Таким образом, избирательно повы-шенная чувствительность слуха к восприятию этих частот AM уве-личивает надежность и помехоустойчивость системы «речь — слух».
* * *
Слух и речь, как известно, представляют две части единой биоаку-стической системы человека, и потому следует ожидать, что основ-ные параметры слуха и речи являются хорошо согласованными. В процессе эволюции звуковая речь развилась позже слуха, однако ее появление, по-видимому, не могло не сказаться на функциональ-ных параметрах слуха. В общей форме идея о повышенной избира-тельной чувствительности слуховой системы живых организмов к акустическим сигналам, имеющим жизненно важное значение, не-однократно высказывалась Гершуни [Гершуни 1968, 1973]. С этих позиций в настоящей работе рассматривается чувствительность слу-ха человека к амплитудной модуляции звука. По имеющимся лите-ратурным данным, пороги чувствительности слуха человека к низ-кочастотной амплитудной модуляции обнаруживают минимум в области около 4 Гц [Дубровский, Тумаркина 1967; Цвиккер, Фельд-келлер 1971]. Однако в литературе нет объяснений этому феноме-ну с эволюционных позиций, то есть с точки зрения согласования
* Статья написана в соавторстве с: В. П. Морозов.
ÒÄ-6
Рис. 1
В первой части рассматривалась чувствительность слуха к ампли-тудной модуляции (AM) тональных звуковых сигналов. Приводим схему экспериментальной установки. Тональный сигнал 1000 Гц от звукового генератора ГЗ-33 поступал на аттеньюатор и головные те-лефоны испытуемого (ТД-6). Модуляция по амплитуде тонального сигнала осуществлялась с помощью генератора инфразвуковых ча-стот ГЗ-16, подключенного к модулятору. Глубина синусоидальной модуляции могла плавно изменяться от 0 до 100 %.1 Звуки испы-туемому предъявлялись через калиброванные головные телефоны с плотными пористыми заглушками (рис. 1). Поскольку в литера-туре имеются данные об определенной зависимости порогов обна-ружения AM-звука от уровня несущей [Цвиккер, Фельдкеллер 1971] для каждого испытуемого, уровень несущей устанавливался равным 50 дБ над порогом. Процедура исследования была такова. Вначале испытуемому предъявлялся немодулированный звуковой сигнал, а затем плавно вводилась AM с постепенным увеличением ее глу-бины до тех пор, пока испытуемый не обнаруживал ее присутствия. Пороговая глубина AM измерялась по общепринятой формуле (фор-мула 1):
1 Авторы выражают благодарность Н. А. Дубровскому и Л. Н. Сосниной за помощь в конструировании модулятора.
Испытуемых было восемь человек в возрасте от тринадцати до со-рока лет (трое женского, пятеро мужского пола), все с нормальным слухом. Исследование порогов AM производилось на следующих ча-стотах (Гц): 0,1; 0,4; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 10; 20; 50; 100. На каждой ча-стоте для каждого испытуемого производилось от пяти до пятнадца-ти измерений порогов, результаты которых усреднялись.
Несмотря на наличие некоторых отклонений, у всех испытуемых имеется четко выраженное обострение чувствительности к AM с ча-стотой от 3 до 8 Гц.
С целью выявления среднестатистических значений порогов ре-зультаты всех испытуемых были усреднены и подвергнуты статисти-ческой обработке для вычисления доверительных интервалов (фор-мула 2):
где ∑ — доверительный интервал, — среднеквадратичное отклоне-ние, τα — доверительный критерий (по таблицам), п — число вариант (в данном случае 8).
Результаты обработки материала представлены на рис. 2 (кри-вая I). Можно считать, что в целом наши результаты согласуются с имеющимися в литературе данными, хотя минимум порогов к AM, по нашим данным, располагается немного выше, а именно — в об-ласти 5–6 Гц.
Особый интерес для нас представляет характер изменения поро-гов слуха к AM в процессе тренировки. На рис. 3 (кривая II) представ-лены средние пороги слуха трех испытуемых после определенной тренировки по обнаружению AM-звука. Можно видеть, что порого-вая кривая теряет свою избирательность, уплощается за счет опуска-ния боковых ветвей, то есть повышения чувствительности слуха к другим частотам, в результате чего зона максимальной чувствитель-ности расширяется. Пороги же слуха к частотам 4–6 Гц практически не изменяются. Этот факт наводит на мысль о том, что слуховая систе-ма человека априорно настроена на избирательное восприятие AM с частотой 4–6 Гц и в меньшей степени — на восприятие других частот.
Во второй части работы была поставлена задача измерения ам-плитудно-модуляционных характеристик речи.
Рис. 2. Среднестатистические значения порогов слуха (т %) человека к восприятию AM (F мод, Гц). I — до, II — после тренировки; вертикали — величины доверительных интервалов
С акустической точки зрения звуковая речь, как известно, пред-ставляет собой амплитудно-модулированный звуковой поток. С точ-ки зрения речеобразования речевой поток может быть представлен как чередование открытых и закрытых слогов, в центре которых сто-ят слогообразующие фонемы с предшествующими и последующи-ми согласными [Зиндер 1960; Чистович и др. 1965]. С физиологиче-ской точки зрения распадение речевого потока на слоги обусловлено работой артикуляционного аппарата, то есть усилением или осла-блением мускульного напряжения при произнесении звуков, ди-намическими модуляциями речеобразующих органов. Поскольку акустическая мощность гласных значительно больше мощности со-гласных, акустическим коррелятом артикуляции слогов и является амплитудная модуляция.
По осциллограммам огибающих уровня звукового давления, за-писанным на шлейфном осциллографе К-115 с выхода микрофонно-го усилителя через детектор и сглаживающий фильтр с полосой про-зрачности 0–80 Гц, было видно, что, хотя AM речи очень сложна, чередование максимумов и минимумов звукового давления имеет
0,8 1,0 1,2 1,6 2,0 2,5 3,1 4,0 5,0 6,3 8,0 10 13 16 20 25 32 F мод, Гц
Рис. 3. Вероятность встречаемости AM разной частоты в речи русскихдикторов. 1 — Левитан, 2 — Турчанинова, 3 — Яхонтов, 4 — Плятт, 5 — Ильинский, 6 — Андроников, 7 — Чуковский. р % — вероятностьвстречаемости AM в речевом отрывке, F мод — частота AM (Гц)
определенную периодичность, а именно — максимумы, как прави-ло, приходятся на гласные, а минимумы — на согласные.
Наша задача состояла в измерении амплитудно-временных ха-рактеристик речи, полученных с помощью логарифмического са-мописца уровня электроакустических колебаний типа Н-110. С этой целью осциллограмма огибающей речевого потока разбивалась на участки, соответствующие максимумам (пикам) амплитудной мо-дуляции. При этом максимумы, имеющие уровень менее чем 2 дБ, в расчет не принимались. Далее межпиковые интервалы AM изме-рялись, и составлялись гистограммы распределения межпиковых интервалов на всем отрезке речи каждого диктора.
Всего было исследовано восемнадцать дикторов: восемь русских, десять иностранных (четыре немецких, два шведских, четыре ан-глийских). Длительность анализируемых отрезков речи составля-ла три минуты. В гистограммах временные характеристики макси-мумов AM были преобразованы в частотные согласно выражению F = 1/ T, где F — частота (Гц), Т — величины межпиковых интерва-лов (с).
Результаты измерений представлены семейством кривых для русских дикторов на рис. 3, для иностранных — на рис. 4. Кривые яв-
p % 25
1,0 1,2 1,6 2,0 2,5 3,1 4,0 5,0 6,3 8,0 10 13 16 20 25 Гц
Рис. 4. Вероятность встречаемости AM разной частоты в речииностранных дикторов. 1 — английский язык, 2 — немецкий, 3 — шведский. Остальные обозначения как на рис. 3
ляются вероятностными характеристиками речи, то есть отражают вероятность появления в потоке речи пиков AM с определенной ча-стотой повторения. Несмотря на индивидуальные различия, в речи (как русской, так и иностранной) преобладает AM с частотой 4–5 Гц, соответствующая средним временным интервалам 250–200 мс. Это приблизительно совпадает с областью средних длительностей удар-ных русских гласных — 230 мс между двумя мягкими согласными, 150 мс между двумя твердыми согласными [Бондарко 1964]. Дли-тельность же согласных примерно на порядок меньше длительности гласных. Таким образом, исследования подтверждают предположе-ние, что AM речи в общем виде является отражением процесса сло-гообразования.
(Следует отметить, что слогоделение является одним из самых сложных вопросов фонетики, и решение его существенно затрудня-ется зависимостью от лингвистических особенностей разных языков, при которых слоговая граница обнаруживается как необходимое ус-ловие восприятия речевого процесса. Невозможность механическо-
Рис. 5. Соответствие максимальной чувствительности слуховогоанализатора человека к восприятию AM звука с областью наиболее вероятной частоты AM речи. р % — вероятность встречаемости AM разной частоты в речи, m % — пороговая глубина обнаружения AM слухом, Гц — частота AM; вертикали — доверительные интервалы. Коэффициент корреляции между кривыми m % и р % равен 0,78
го рассечения речи на слоги, без учета законов конкретных языков, признается большинством исследователей [Зиндер 1956; Miller 1962; Бондарко и др. 1966] и порождает большие трудности при автома-тическом распознавании речи. Поэтому мы отдаем себе отчет в том, что исследованные нами AM характеристики речи следует рассма-тривать не как слоги или фонемы, выделяемые слухом в качестве минимальных единиц речевого потока, а как некоторый акустиче-ский коррелят процесса артикуляции, находящийся в определенной зависимости от слогообразования.)
С точки зрения задач настоящей работы представляет интерес со-поставление статистических характеристик AM речи с чувствитель-ностью слуха к AM (рис. 5).
Область минимума порогов, то есть наибольшая чувствитель-ность слуха человека к AM, 4–6 Гц (т %) совпадает с областью наи-
более вероятной частоты AM в речевом сигнале (4–5 Гц, р %). Был вычислен коэффициент корреляции между этими двумя кривыми, коэффициент оказался равным 0,78, что говорит о достаточно высо-кой степени корреляции между ходом этих двух кривых (формула 3):
где r — коэффициент корреляции, m‾; — среднее значение чувстви-тельности слуха к AM (от 1 до 20 Гц), ‾p — средняя величина вероят-ности AM в речи (от 1 до 20 гц), mi и pi реальные значения указанных величин в диапазоне от 1 до 20 Гц.
Таким образом, результаты работы подтвердили высказанную в начале статьи мысль об определенной согласованности характе-ристик слухового анализатора с акустическими характеристиками речи. Естественная целесообразность такого согласования является достаточно очевидной ввиду наилучшего выделения и восприятия слухом речевого сигнала на фоне всевозможных акустических по-мех. Можно полагать, что подобное согласование явилось следстви-ем длительного эволюционного развития человека и приспособле-ния его слуха к акустике речи. Полученные результаты согласуются с имеющимися в литературе данными о повышенной избиратель-ной чувствительности анализаторных систем живых организмов к сигналам, имеющим для них жизненно важное значение [Гершуни 1968, 1973].
Возможны ли универсалии в эволюционном процессе? (Сходство принципов функциональной эволюции: физиологические системы и язык)
В 1956 году Л. А. Орбели сформулировал два стержневых принципа эволюционной физиологии: изучение эволюции функций и функ-циональной эволюции, которую он определил как проникновение в суть того, «почему эволюционный процесс протекал так, а не ина-че». Разработка этой мысли на материале физиологических объек-тов ведется Ю. В. Наточиным на протяжении почти полувека. Пред-лагаемый подход базируется на анализе тех факторов, которые сами не эволюционируют, но предопределяют становление функций и их развитие. К ним в физиологии относятся физико-химические факто-ры эволюции функций, формирование взаимосвязи функциональ-ных систем, становление целостности организма и развитие меха-низмов адаптации. Нам показалось интересным посмотреть, можно ли эти принципы применить для анализа эволюции не только биоло-гических, но и для иных информационных систем, в частности языка [Natochin, Chernigovskaya 1997; Chernigovskaya, Natochin, Menshutkin 2000]. Особый интерес это представляло не только в связи с суще-ственным различием объектов описания, но и в связи с огромной разницей в скорости протекания рассматриваемых процессов: мил-лионы лет для формирования гомеостатических систем, обеспечи-вающих физико-химическую стабильность организма и тысячи лет развития человеческого языка.
Языковая история насчитывает около десяти тысяч лет: тогда возникали праязыки и формировались макросемьи языков мира, в результате распада и на основе которых развивались и эволюцио-нировали современные языковые группы, в которые по разным под-счетам входит сейчас примерно шесть тысяч. Язык является дина-
мической системой, подверженной изменениям, происходящим по определенным и весьма отличным для разных групп законам. Тем не менее представляется возможным посмотреть, релевантны ли со-относимые с физиологическими системами факторы для основных тенденций эволюции языка.
Выделяемые нами принципы организованы иерархически и мо-гут быть описаны как четыре уровня эволюции как физиологических, так и языковых систем, соответственно: I уровень клетки — фонемы (как минимальной единицы); II уровень функциональной едини-цы — морфемы; III уровень органа — слова; IV уровень системы — текст. Отдельный интерес представляет вопрос эволюции «правил», регулирующих функционирование единиц внутри каждого уровня и взаимоотношение самих уровней. Возможность такого подхода для столь различных объектов описания позволяет предлагать рассма-триваемые принципы в качестве своего рода универсалий.
Нужно сделать несколько важных замечаний, которые неочевид-ны для нелингвистов, но вносят существенные поправки в рассма-триваемые принципы:
1) языки развивались от протоформ и продолжают развиваться;
2) языки находятся на разных стадиях развития;
3) можно говорить и о специфике языков разных типов, и об уни-версалиях, то есть о том, что отличает человеческую систему коммуникаций от всех других, и о том, какие черты проявля-ются в языках разных систем;
4) важно иметь в виду, что не все тенденции проявляются везде: все множество признаков как бы рассыпано по языкам мира (как будто Создатель, задав главные алгоритмы, решил посмо-треть, как люди будут их реализовывать);
5) существуют разные подходы к проблеме происхождения язы-ка — моногенез и полигенез; 6) несмотря на все это, можно обсуждать некие единые тенден-ции эволюции человеческого языка.
Когда много лет назад Юрий Викторович Наточин объяснил мне свою систему, описывающую принципы функциональной эволюции, и предложил посмотреть, будет ли этот алгоритм работать на приме-ре других сложных систем, я согласилась, потому что это было инте-ресно и совершенно ново. Однако в успех я верила с трудом, посколь-ку человеческий язык слишком сложный материал, в частности по вышеуказанным причинам. Делать это надо было аккуратно, стара-ясь минимизировать риск неизбежных ошибок: строго говоря, спе-циалистов такого рода нет, и лингвисты специализируются на ана-лизе пусть и больших, но все же семей языков, а не языка в целом…
|
1
3
