Первая форманта¶

Первая форманта — в акустике речи и фонетике одна из спектральных составляющих звука речи, характеризующаяся наименьшей частотой среди формант, образующих тембр гласных и сонорных согласных. Обозначается символом F1. Первая форманта отражает степень раствора ротового резонатора и связана с артикуляционной характеристикой подъёма языка: чем выше подъём, тем ниже частота F1.

¶Физическая природа и акустическая характеристика

Форманты представляют собой области концентрации акустической энергии в спектре звука, возникающие в результате резонансных свойств речевого тракта. Речевой тракт человека, от голосовых складок до губ, представляет собой акустическую трубу переменного сечения. При фонации голосовые складки генерируют широкополосный сигнал, который, проходя через надставную трубу, приобретает спектральную окраску: одни частоты усиливаются, другие ослабляются. Пики усиления называются формантами.

Первая форманта — самая низкочастотная из них. Её частота в норме для русских гласных лежит в диапазоне примерно от 250 до 900 Гц. Точное значение зависит от индивидуальных особенностей говорящего (длина голосового тракта, возраст, пол) и от фонетического контекста. В отличие от второй форманты (F2), которая отвечает за передне-задний ряд языка и движение губ, F1 определяется преимущественно высотой подъёма языка.

¶Артикуляционная корреляция

Связь между положением языка и частотой первой форманты описывается теорией акустического резонанса трубы. При высоком подъёме языка (например, в гласных [и] и [у]) ротовая полость сужается, что уменьшает объём основного резонатора и снижает его резонансную частоту. В результате F1 принимает низкие значения — около 250–350 Гц. При низком подъёме языка (гласные [а], [э]) ротовой резонатор расширяется, объём полости увеличивается, и F1 возрастает до 500–900 Гц.

Таким образом, первая форманта является акустическим коррелятом артикуляторного признака «подъём языка». В системах фонетической транскрипции часто используется условная шкала: гласные нижнего подъёма имеют высокую F1, гласные среднего подъёма — среднюю F1, гласные верхнего подъёма — низкую F1.

¶Роль в восприятии речи

Первая форманта играет ключевую роль в различении гласных фонем. Слуховая система человека опирается на соотношение F1 и F2: если F1 определяет «высоту» гласного по подъёму, то F2 — его «цвет» по ряду. При синтезе речи изменение только F1 при неизменной F2 приводит к восприятию перехода от одного гласного к другому в пределах одного ряда (например, от [и] к [э] к [а]).

В кохлеарной имплантации и слуховых аппаратах частотная область первой форманты критична для разборчивости речи: потеря слуха в низкочастотном диапазоне, где расположена F1, существенно ухудшает восприятие гласных и, как следствие, всей фразы. В судебной фонетике значения F1 и F2 используются для автоматического распознавания диктора, поскольку абсолютные частоты формант индивидуальны, хотя относительные соотношения сохраняются при различных эмоциональных состояниях.

¶Первая форманта в разных языках

Инвентарь гласных в языках мира различается по числу и по распределению значений F1. В русском языке система гласных включает пять основных фонем, для которых характерны следующие типичные значения F1 (по данным экспериментальных исследований, в среднем для мужского голоса):

В языках с большим числом гласных, например во французском или немецком, различия в F1 позволяют различать гласные разной степени открытости (например, [е] и [ɛ] во французском, где F1 различается на 50–100 Гц). В тональных языках, таких как китайский (путунхуа), F1 взаимодействует с основной частотой тона (F0), но сохраняет свою функцию различителя гласных.

¶Методы измерения

Измерение первой форманты проводится методами спектрального анализа речевого сигнала. Наиболее распространённые подходы:

• Линейное предсказание (LPC-анализ) — вычисление огибающей спектра и выделение пиков, соответствующих формантам. Метод чувствителен к выбору порядка модели.
• Быстрое преобразование Фурье (БПФ) — прямое вычисление спектра, при котором форманты видны как локальные максимумы амплитуды.
• Кепстральный анализ — разделение источника и фильтра, позволяющее сгладить спектр и выделить формантные пики.

Точность измерения зависит от длительности анализируемого фрагмента (обычно не менее 30–50 мс стабильного участка гласного) и от частоты дискретизации записи. Для автоматического анализа используются программы типа Praat, Speech Analyzer, а также библиотеки Python (librosa, parselmouth).

¶Нарушения и патологии

При ряде речевых расстройств наблюдаются отклонения в значениях первой форманты. Например, при дизартрии, вызванной неврологическими нарушениями, снижается подвижность языка, что приводит к сглаживанию различий между гласными: значения F1 для разных фонем сближаются, и речь становится менее разборчивой. При тугоухости, особенно с поражением низкочастотного диапазона, пациенты могут неправильно воспроизводить гласные с высокой F1, заменяя их на более закрытые.

В логопедии и фонопедии измерение F1 используется для объективной оценки эффективности коррекционной работы: после курса занятий ожидается нормализация формантных характеристик гласных.

¶Первая форманта в технических приложениях

В системах автоматического распознавания речи (ASR) значения F1 и F2 являются классическими признаками для классификации гласных, хотя современные нейросетевые системы чаще работают с сырым спектром (мел-спектрограммами). В синтезе речи по правилам (артикуляторный синтез) параметры F1 задаются как функции от положения языка и губ, что позволяет моделировать естественное звучание.

В вокальной педагогике и акустике пения первая форманта рассматривается как фактор, влияющий на громкость и тембр певческого голоса. У trained singers наблюдается явление «певческой форманты» — дополнительного пика в области 3 кГц, однако первая форманта сохраняет свою роль в различении гласных при пении на высоких тонах.

¶Критика и ограничения модели

Классическая двухформантная модель (F1–F2) является упрощением. В реальной речи присутствуют более высокие форманты (F3, F4), которые влияют на индивидуальный тембр и восприятие согласных. Кроме того, для назализованных гласных и гласных в соседстве с носовыми согласными спектр усложняется, и первая форманта может расщепляться или смещаться. Некоторые исследователи указывают, что восприятие гласных опирается не на абсолютные значения F1, а на их соотношение с F2 и на динамические переходы между ними. Тем не менее первая форманта остаётся базовым параметром в фонетической теории и практике.

¶См. также

• Вторая форманта
• Формантный синтез
• Акустическая фонетика
• Гласные звуки

¶Источники

• Бондарко Л. В. «Фонетика современного русского языка». — СПб.: Изд-во СПбГУ, 1998.
• Зиндер Л. Р. «Общая фонетика». — М.: Высшая школа, 1979.
• Фант Г. «Акустическая теория речеобразования». — М.: Наука, 1964.
• Ladefoged P., Johnson K. «A Course in Phonetics». — Boston: Cengage Learning, 2015.
• Stevens K. N. «Acoustic Phonetics». — Cambridge, MA: MIT Press, 1998.