Актуальность работы. На современном этапе развития техники и технологий методы точных наук все более широко используются в гуманитарных областях. Электроакустические устройства и компьютерная техника применяются также в музыкознании. Не осталось ни одной области музыкальной теории и практики, где нельзя было бы использовать данные музыкальной акустики и ее средства, в частности, современные технологии цифровой обработки сигналов, для объективного изучения тех или иных музыкальных явлений. Традиционной областью применения акустических методов является музыка, в том числе вокальное искусство. Новые возможности компьютерной техники позволяют создавать модели акустических сигналов и разрабатывать алгоритмы их обработки.
Диссертационная работа направлена на исследование радиотехническими методами одного из важнейших коммуникативных сигналов — вокальной речи, которая оказывает на человека значительное эмоциональное воздействие. Научный интерес представляет природа образования высокой певческой форманты, нестационарность процесса звукоизвлечения, а также процессы исполнительской интонации, проявляющиеся в изменении мгновенной частоты акустических вокальных сигналов.
В рамках научного подхода в изучении процессов звукоизвлечения и звуковосприятия за последнее столетие было создано множество акустических, механических, а впоследствии, радиотехнических, в том числе цифровых моделей голосового и слухового трактов (Р. Юссон, Г. Фант, Дж.Ф. Фла-наган, М. А. Сапожков, В. Н. Сорокин, В. П. Морозов, Е. А. Рудаков, Л. Раби-нер, Б. Гоулд, И. А. Алдошина и др.). Данные модели позволяют установить связь физиологических процессов в речеобразовании и слуховом восприятии с соответствующими им электрическими и цифровыми аналогами.
Вокальная речь имеет ряд существенных отличий от разговорной, так как является результатом профессиональной постановки голоса, под которой понимаются специфические музыкальные, физические и дыхательные упражнения и занятия на протяжении нескольких лет под руководством опытных педагогов-вокалистов. В ходе занятий вырабатываются оптимальные условия звукоизвлечения, которые позволяют певцу исполнять произведения любой технической и эмоциональной сложности, не травмируя при этом свой голосовой аппарат, являющийся хрупким музыкальным инструментом.
В.П. Морозов описал основные особенности голоса профессионального певца: звонкость, полетность (возможность певческого голоса «прорезать» оркестр и заполнять большие концертные залы без микрофона) и «серебристость» тембра (по терминологии вокальных педагогов). Эти характеристики обусловлены наличием ярко выраженных максимумов огибающих низкочастотных и высокочастотных составляющих спектра певческого голоса — фор-мантных областей, а также амплитудно-частотной модуляцией звуковых колебаний во времени (вибрато). Высокая певческая форманта — это группа усиленных обертонов в спектре певческого голоса, обладающая высокой интенсивностью у профессиональных исполнителей. Частота области высокой (третьей речевой) форманты лежит в пределах от 1800 Гц до 3500 Гц (в зависимости от типа голоса исполнителя).
Исследованиями особенностей разговорной и вокальной речи, а также процессами ее обработки занимаются многие современные ученые (Ю.А. Кропотов, Е. В. Лаврентьева, И. Б. Старченко, A.B. Харуто, И.А. Алдо-шина и др.).
Вопросам формирования высокой певческой форманты у певцов также уделяется большое внимание со стороны исследователей. Так у Е. А. Рудакова механизмом происхождения высокой певческой форманты является «краевой тон» голосовых связок, образующийся подобно свисту.
По В. П. Морозову звук, порождаемый голосовыми связками, попадая в резонаторы, усиливается, образуя при этом формантные области и, в частности, область высокой певческой форманты.
В данной работе приводится обоснование дополнения этих теорий друг другом с радиотехнической точки зрения путем моделирования механизма образования высокой певческой форманты согласно теории Е. А. Рудакова.
Порой вокальные акустические сигналы нуждаются в коррекции, при которой подразумевается изменение соотношений между спектральными составляющими, для улучшения звучания голоса певца.
Описанные выше модели и способы исследования речи являются детерминированными и не учитывают стохастических и нестационарных свойств разговорной и вокальной речи.
Таким образом, цель диссертационной работы заключается в выявление информативных признаков профессиональной вокальной речи, в частности, экспериментальном исследовании спектров вокальных акустических сигналов профессиональных и непрофессиональных исполнителей, анализе вокальной речи как нестационарного случайного процесса и разработке способа коррекции звучания певческого голоса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать особенности образования высокой певческой форманты на основе физической модели.
2. Экспериментально исследовать формантные характеристики спектров вокальных гласных профессиональных и непрофессиональных исполнителей во всем диапазоне исполнения, присущем группам мужских голосов.
3. Провести экспертную оценку полученных результатов.
4. Разработать метод анализа вокальной речи с учетом ее нестационарности. Исследовать вокальную речь как нестационарный случайный процесс.
5. Провести интонационный анализ исполнения произведений профессиональными вокалистами на основе анализа изменения мгновенной частоты основного тона.
6. Разработать и провести моделирование устройства, позволяющего педагогу-вокалисту производить коррекцию голоса обучающегося певца на основе коэффициента отношения интенсивностей формант.
Результаты, выносимые на защиту:
1. Уточненная модель образования высокой певческой форманты и исследования адекватности модели естественному процессу звукообразования.
2. Результаты экспериментального анализа спектров голосов профессиональных и непрофессиональных исполнителей на основе введенного коэффициента отношения интенсивностей формант (КОИФ). Экспериментально исследованные закономерности изменения КОИФ.
3. Результаты программного моделирования устройства коррекции голоса непрофессионального исполнителя.
4. Результаты экспертной оценки полученных после коррекции акустических сигналов.
5. Методика анализа вокальной речи как нестационарного случайного процесса.
6. Результаты корреляционного анализа вокальной речи как нестационарного случайного процесса.
7. Результаты интонационного анализа исполнения произведений профессиональными вокалистами и певческого вибрато на основе исследования изменения мгновенной частоты основного тона.
Научная новизна:
1. Обоснована уточненная модель механизма образования высокой певческой форманты (ВПФ) и представлена доказательная база к объединению теорий образования ВПФ В. П. Морозова и Е. А. Рудакова на основе расчета физической модели.
2. В качестве критерия оценки певческого голоса на основе экспериментальных исследований спектров вокальных гласных профессиональных и непрофессиональных исполнителей введен коэффициент отношения интенсивностей формант (КОИФ).
3. Выявлена зависимость изменения КОИФ от частоты основного тона для всех типов мужских голосов.
4. Разработан новый способ корреляционного анализа вокальных акустических сигналов как нестационарных случайных процессов. Получены «нестационарные портреты» голосов профессиональных и непрофессиональных исполнителей.
Практическая значимость:
1. Результаты исследования позволяют дополнить субъективные оценки голоса начинающего певца объективными характеристиками на основе КОИФ и тем самым уменьшить вероятность ошибочных решений при его обучении.
2. На основе данных, полученных при экспериментальном исследовании спектров вокальных гласных профессиональных исполнителей, разработан алгоритм и проведено моделирование устройства коррекции певческого голоса с использованием КОИФ. Полученные программные решения могут быть применены в практике обучения вокалистов с целью прогнозирования звучания их голосов в будущем, а также при обработке старых аудиозаписей с грампластинок и в других областях.
3. Разработанный и экспериментально апробированный метод корреляционного анализа вокальных акустических сигналов как нестационарных случайных процессов позволяет проводить визуальную трактовку результатов без специального технического образования.
4. Разработана методика анализа изменения мгновенной частоты акустических вокальных сигналов, позволяющая оценить форму и размах певческого вибрато, а также его нестационарный характер.
Методы исследования. Проведенные в работе исследования базируются на применении теории спектрального анализа, теории планирования эксперимента, а также корреляционного анализа случайных процессов. Используются также методы экспериментальных исследований акустических сигналов и методы цифрового моделирования.
Внедрение результатов работы. Полученные при выполнении диссертационной работы результаты нашли применение в научных исследованиях и учебном процессе кафедры теоретических основ радиотехники ТТИ ЮФУ в курсах «Акустика» и «Зрительно-слуховое восприятие аудиовизуальных программ», а также в Ростовской государственной консерватории (академии) им. C.B. Рахманинова. Использование новых научных результатов позволило улучшить методическое обеспечение, повысить наглядность и дать новые знания по указанным дисциплинам, а также повысить эффективность учебного процесса у студентов-вокалистов.
Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VII и VIII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» Таганрог, ТРТУ, 2004 г., 2006 г.- Международные научные конференции «Оптимальные методы решения научных и практических задач» (2005 г.), «Цифровые методы и технологии», (2005 г.), «Информационные технологии в современном мире» (2006 г.), «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем» (2007 г.), «Проектирование новой реальности» (2007 г.) — «Информация, сигналы, системы: вопросы методологии, анализа и синтеза» (2008 г.), «Инновации в обществе, технике и культуре» (2008 г.), Таганрог, ТРТУ, ТТИ ЮФУМеждународная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и ученых «Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2006», Севастополь, СевНТУ, 17−21 апреля 2006 г.- Международная научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Музыкальное искусство и наука в современном мире», Астрахань, АГК, 18 мая 2006 г.- Международная научная конференция «Информационная культура общества и личности в XXI веке», Краснодар, КГУКиИ, 20−23 сентября 2006 г.- Всероссийская научная конференция «Психология и фониатрия: их роль в воспитании молодых вокалистов», Астрахань, АГК, 8−9 ноября 2007 г.- LIII научно-техническая конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ, Таганрог, ТТИ ЮФУ, 2008 г.- Всероссийская научная конференция с международным участием «Исполнительское искусство и музыковедение. Параллели и взаимодействия», Москва, ГКА им. Маймонида, 6−9 апреля 2009 г.- IV Международная научная конференция «Музыка народов мира: проблемы изучения», Москва, МГК им. П. И. Чайковского, 11−12 апреля 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них 5 статей (3 статьи в центральной печати) и 11 статей и тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Содержание диссертации изложено на 146 страницах и включает 105 рисунков, 32 таблицы и список литературы из 65 наименований.
Выводы по разделу.
Рассмотренные автокорреляционные функции вокальной речи как нестационарного случайного процесса позволяют выявить различия между профессиональным и непрофессиональным исполнением и использовать эти данные при анализе и синтезе вокальной речи.
Поскольку голоса профессиональных певцов обладают низкой степенью корреляции по сравнению с непрофессиональным исполнением, то можно говорить о том, что в голосе профессионала присутствует больше случайных составляющих, отвечающих за эмоциональность речи, что положительно воспринимается слушателем, который, в свою очередь, и делает вывод о качестве исполнения.
Показано, что существенную роль при восприятии вокальной речи слушателем играет изменение мгновенной частоты. Это относится и к музыкальной интонации и к певческому вибрато.
Исследование певческой интонации показало, что эмоциональный настрой исполнителя отражается на звуковысотном воспроизведении. При общем грустном характере исполняемого произведения и на звуковом нюансе пиано у профессиональных певцов проявляется тенденция к занижению тона, а при звуковых нюансах форте и фортиссимо, наоборот, ноты завышаются. Так же завышается основной тон и перед взятием более высокой ноты через большой интервал. Это, возможно, объясняется внутренней подготовкой певца к исполнению высокой ноты. Вероятно, изменение во времени формы и размаха певческого вибрато также обусловлено эмоциональным настроем исполнителя. Отклонение характеристик реального вибрато от автоматического положительно сказывается на восприятии вокальной речи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Выполненные исследования позволили как уточнить известные модели и характеристики певческого голоса, так и ввести новые критерии и разработать методики совершенствования вокального исполнения.
В диссертационной работе получены новые результаты по исследованию механизма образования высокой певческой форманты и представлена доказательная база к объединению теорий образования ВПФ Морозова В. П. и Рудакова Е.А.
Проведено исследование формантных характеристик спектров вокальных гласных профессиональных исполнителей групп мужских голосов: бас, баритон и тенор, а также были исследованы вокальные гласные непрофессиональных исполнителей. Введен коэффициент отношения интенсивностей высокой и низкой певческих формант в зависимости от частоты основного тона (КОИФ).
Проведенные исследования выявили закономерность изменения коэффициента отношения интенсивностей высокой и низкой певческих формант в зависимости от частоты основного тона. КОИФ зависит от частоты основного тона и носит возрастающий характер.
Установлено, что для профессиональных певцов характерна значительная величина КОИФ, который монотонно растет по диапазону, причем, для голосов с высокой тесситурой, он имеет большее значение (бас — средний КОИФ — 0,5- баритон — 0,86- тенор — 1,04). У непрофессиональных исполнителей средний КОИФ для всего диапазона равен 0,29.
Исследования такого рода могут быть полезны для практики обучения вокалистов.
Разработан способ коррекции звучания вокальных гласных непрофессионального исполнителя путем приближения отношения интенсивностей высокой и низкой певческих формант в зависимости от частоты основного тона к эталонному значению (коэффициент КЭт ?).
Проведено моделирование устройства коррекции голоса непрофессионального исполнителя в программной среде МаНаЬ. Проведенная экспертная оценка исходного и скорректированного сигналов выявила, что математическое ожидание, играющее роль средней оценки для каждой характеристики (громкость, звонкость, тембр, отчетливость), увеличилось, в среднем в два раза, что указывает в целом на приближение звучания голоса певца к эталонному (профессиональному).
Результаты проделанной работы позволяют технически реализовать устройство коррекции вокального голоса на современной элементной базе, работающее в реальном масштабе времени. Предварительные эксперименты на компьютере показывают приемлемость параметров для целей обработки и постановки голоса в учебной практике, в концертной практике для корректировки недостатков певческих данных, а также для восстановления старых записей с грампластинок, в амплитудно-частотной характеристике которых наблюдается резкий спад в области высоких частот.
Вычисленные автокорреляционные функции вокальной речи как нестационарного случайного процесса позволяют выявить различия между профессиональным и непрофессиональным исполнением и использовать эти данные при анализе вокальной речи.
Выявлено, что интервал корреляции автокорреляционной функции у профессиональных певцов находится в пределах 10−15 мс, у непрофессиональных исполнителей на порядок больше — 110−150 мс.
Применение метода анализа вокальной речи как нестационарного случайного процесса позволило количественно оценить тенденцию к улучшению характеристик голоса в процессе обучения. Получен нестационарный «портрет голоса» вокалиста, по которому можно судить о профессионализме исполнителя по визуальной оценке графиков, не имея специальной математической и технической подготовки, что удобно при использовании данного метода педагогами-вокалистами в музыкальных учебных заведениях.
Показано, что существенную роль при восприятии вокальной речи слушателем играет изменение мгновенной частоты. Это относится к музыкальной интонации и к певческому вибрато.
Исследование певческой интонации показало, что эмоциональный настрой исполнителя отражается на точности высотного интонирования. При общем грустном характере исполняемого произведения и на звуковом нюансе пиано у профессиональных певцов проявляется тенденция к занижению тона, а при звуковых нюансах форте и фортиссимо, наоборот, ноты завышаются. Так лее завышается основной тон и перед взятием более высокой ноты через большой интервал. Это объясняется внутренней подготовкой певца к исполнению высокой ноты.
Выявлено, что изменение во времени формы и размаха певческого вибрато в пределах 20−40% обусловлено эмоциональным настроем исполнителя. Отклонение характеристик реального вибрато от автоматического положительно сказывается на восприятии вокальной речи.
Таким образом, основные задачи диссертационного исследования выполнены, но объект исследования настолько сложен, что имеется перспектива дальнейшего развития предложенных методов.
