Математична модель вокалізованих фрикативних звуків для задач діагностики голосового апарату людини

Abstract

У дисертації розв’язано актуальну наукову задачу обґрунтування вибору математичної моделі вокалізованих фрикативних звуків, яка враховує характер роботи органів голосового апарату людини, та обґрунтування на її основі інформативних ознак сиґналу та методу їх розрахунку для задач діагностики голосового апарату. Обґрунтовано нове застосування періодично корельованого випадкового процесу як математичної моделі вокалізованих фрикативних звуків, яка враховує у своїй структурі поєднання властивостей періодичності із випадковістю. На основі обґрунтованої моделі модифіковано синфазний метод опрацювання вокалізованих фрикативних звуків, що дає змогу оцінити стан голосового апарату та його органів зокрема на ранніх етапах розвитку захворювання. Установлено, що отримані значення кореляційних компонент, обчислені з допомогою модифікованого синфазного методу, є інформативними ознаками вокалізованого фрикативного звуку та характеризують функціональний стан голосового апарату людини. Створено пакет комп’ютерних програм статистичного опрацювання вокалізованих фрикативних звуків на основі модифікованого методу, який придатний для використання як складової частини спеціалізованого програмного забезпечення автоматизованих комп’ютерних діагностичних систем. Розроблено метод комп’ютерного імітаційного моделювання вокалізованих фрикативних звуків для верифікації запропонованої математичної моделі та методу їх статистичного опрацювання.

В диссертационной работе развязано важное научное задание – обоснование выбора математической модели вокализированных фрикативных звуков, которая должна учитывать характер работы органов голосового аппарата человека, и обоснование на ее основе информативных признаков сигнала и методов их расчета для задач диагностики голосового аппарата. На основе аналитического обзора литературных источников раскрыто состояние и особенности задачи диагностирования голосового аппарата человека за голосовыми сигналами. Рассмотрены известные физико-математические модели голосового тракта человека, результатом работы которого является голосовой сигнал, который в рамках системно-сигнальной концепции трактуется как физический процесс, распространяющийся от исследуемого объекта (голосового аппарата) и являющийся средством переноса информации об этом объекте. Обоснован выбор для обработки класса вокализированных фрикативных звуков, при образовании которых задействуются практически все органы голосового аппарата, то-есть этот класс сигналов содержит максимально полную информацию о работе голосового аппарата. Учитывая специфику поставленных задач, известные подходы к их решению и особенности исследуемых сигналов, сформулированы требования к математической модели вокализированных фрикативных звуков. Учитывая сложность механизма формирования вокализированного фрикативного звука проанализированы его характеристики в рамках детерминированного подхода и с позиций стохастического подхода (методами теории стационарных случайных процессов). Полученные результаты анализа методами гармонического анализа в рамках детерминированного подхода подтверждают, что полученные амплитудные спектры выборок из сигнала являются переменчивыми, то-есть содержат определенную случайность. Стохастическая стационарная модель отображает сложность сигнала в спектральном распределении мощности, однако не отображает его фазово-временной структуры, которая является важным показателем при выявлении временных изменений в сигнале. Из анализа свойств вероятностных характеристик сигнала и свойств периодически коррелируемых случайных процессов следует, что математическая модель процесса такого класса дает возможность адекватно описать сигнал, а именно учесть в своей структуре сочетание свойств периодичности из стохастичностью, что является важным при исследовании фазово-временных отклонений с целью выявления момента проявления ранних изменений в функционировании голосового аппарата человека. На основе обоснованной математической модели модифицирован синфазный метод исследования вокализированных фрикативных звуков, позволяющий оценить состояние голосового аппарата и его органов, в частности на ранних этапах развития заболевания. Установлено, что полученные значения корреляционных компонент, вычисленные с помощью модифицированного метода, являются информативными признаками вокализированного фрикативного звука и характеризуют функциональное состояние голосового аппарата человека. Создан пакет компьютерных программ статистической обработки вокализированных фрикативных звуков на основе модифицированного метода, который пригоден для использования его как компонента специализированного программного обеспечения автоматизированных компьютерных диагностических систем. Разработан метод компьютерного имитационного моделирования вокализированных фрикативных звуков для верификации математической модели и метода их статистической обработки.

In dissertation the important scientific task is solved – the mathematical model of vocal fricative sounds is improved and the method of analysis of him is worked out, formed on the base of this model, for the problems of diagnosis vocal apparatus. New application of the periodically correlated random process is reasonable as a mathematical model of vocal fricative sounds, which takes into account in the structure combining of properties of periodicity with a stochastic. On the base of reasonable model the method of research of vocal fricative sounds is worked out. Set, that correlation component is got are the informative sings of vocal fricative sounds and answer the functional state of human vocal apparatus. An of simulation of vocal fricative sounds technique (program and algorithm) is worked out on the basis of periodically correlated random process. The of package of computer software is created for the automated working of vocal fricative sounds and realization of imitation experiments for automated systems of medical diagnostic.