呼吸生理在言語聲學(xué)中的應(yīng)用研究

張金爽 胡阿旭 于洪志

(西北民族大學(xué) 中國民族語言文字信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅 蘭州 730030)

1.引言

呼吸對人類生存和言語交流起著至關(guān)重要的作用，既產(chǎn)生和釋放能量又為言語提供動(dòng)力。語音生理的研究一直是語言學(xué)研究的一個(gè)重要方面，因?yàn)檎Z音生理機(jī)制研究是語音學(xué)的理論基礎(chǔ)[1]。關(guān)于呼吸生理的研究多見于醫(yī)學(xué)方面，公元二世紀(jì)的希臘醫(yī)生、解剖學(xué)家Galen大概是我們所知道的語音科學(xué)的最早的親自實(shí)踐者，他發(fā)現(xiàn)了回歸神經(jīng)在大腦中的本源[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，各種呼吸生理高端設(shè)備引入到言語產(chǎn)生的研究中, 在語音生理研究方面，聲帶發(fā)聲研究已采用喉頭儀（EGG）、肌電儀（EMG）、高速攝影；發(fā)音研究已采用鼻流計(jì)、動(dòng)態(tài)腭位儀（EPG）、電磁發(fā)音儀（EMA）、CT三維成像、高速核磁共振（MRI）聲道成像技術(shù)等；言語呼吸的研究則主要采用呼吸帶和氣流氣壓計(jì)。北京大學(xué)孔江平率先采用呼吸綁帶采集胸圍或腹圍的變化來研究語音的韻律特性[3]。隨后一些學(xué)者利用儀器對呼吸和韻律做了研究，并取得了成果。

本文介紹言語呼吸生理機(jī)制和呼吸生理儀器呼吸帶、氣流氣壓計(jì)的使用，并從實(shí)驗(yàn)語音學(xué)的角度對兩種儀器在語音學(xué)研究進(jìn)行論述，為呼吸和韻律的關(guān)系以及語音多模態(tài)的研究打下基礎(chǔ)。

2.言語呼吸生理機(jī)制

人類語言產(chǎn)生的過程主要受中樞神經(jīng)控制，呼吸部分也不例外。由中樞延髓產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，而后傳入脊髓和由頸段脊髓神經(jīng)元加入的膈神經(jīng)，從而控制胸腔肌肉和膈肌[4]。呼氣時(shí)胸腔體積減小，壓力增加，氣體自肺部呼出以保持壓力平衡。呼吸過程中，氣體要經(jīng)過喉、氣管、支氣管、細(xì)支氣管，直至肺泡，在肺泡中完成生命所必須的氧氣和二氧化碳的交換[5](如圖1)。

呼吸時(shí)所用的肌肉叫呼吸肌，呼吸肌分為吸氣肌和呼氣肌。吸氣肌主要是膈肌、肋間外肌和胸鎖乳突肌，呼氣肌主要有肋間內(nèi)肌和腹肌，另外還有輔助呼吸肌包括頸部、背部及肩部肌肉膈肌向上隆起位于胸腔和腹腔之間（如圖2）。吸氣時(shí)膈肌收縮，隆起部分中心下移，胸腔和肺容積增大，平靜吸氣時(shí)可下移1-2厘米，深吸氣時(shí)可達(dá)7-10厘米，正常呼吸，膈肌所起的作用占全部吸氣肌的60%～80%[5]。

呼吸時(shí)由呼吸肌帶動(dòng)肋骨運(yùn)動(dòng)，人肋骨12對，左右對稱，后端與胸椎相關(guān)節(jié)，第1-7稱為真肋；第8-12肋稱為假肋，第11、12肋前端游離，又稱浮肋（如圖3）。 肌肉和骨骼一般呼吸狀態(tài)下，吸氣時(shí),肋間外肌收縮,肋骨向上向外運(yùn)動(dòng), 胸廓體積增大；呼氣時(shí),肋間外肌舒張,肋骨向下向內(nèi)運(yùn)動(dòng), 胸廓體積減?。ㄈ鐖D3）。

ixon（1987）的研究表明，胸腔壁是一個(gè)由兩部分組成的系統(tǒng)，各部分運(yùn)動(dòng)的自由度不同，胸廓的前后徑、左右徑均加大，呼氣時(shí)做相反方向的運(yùn)動(dòng)，使胸腔容積減少[6](如圖4)。Baken et al.（1979）的研究表明，胸腔和橫隔膜的變化都對呼吸有貢獻(xiàn)，但它們的運(yùn)動(dòng)方式并不完全一樣,人們是通過調(diào)整腹腔來適應(yīng)表達(dá)詞重音的需要[7]。語言學(xué)家Stetson認(rèn)為說話過程中主要是胸腹部的大肌肉在起作用，氣流中有較小的肋間內(nèi)肌所產(chǎn)生的較小的沖動(dòng),這種沖動(dòng)與音節(jié)相連，即額外增加的肋間內(nèi)肌收縮與音節(jié)重讀相關(guān)[5]。

當(dāng)前我國語言學(xué)界和醫(yī)學(xué)界十分重視對正常語音和病理語音的研究,已有一定的規(guī)模和成績[8]。研究表明，安靜時(shí)的呼吸和說話時(shí)的呼吸方式并不相同，安靜時(shí)呼吸的呼氣相和吸氣相大致相同，而說話時(shí)的呼氣相遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸氣相；呼吸頻率方面，安靜時(shí)每分鐘呼吸16-20次，說話時(shí)每分鐘呼吸8-10次[9]。近年來，北京大學(xué)建立了一個(gè)基于呼吸信號(hào)的漢語普通話韻律數(shù)據(jù)庫，同步采集的信號(hào)有語音信號(hào)、呼吸信號(hào)和嗓音信號(hào)（EGG）。從呼吸信號(hào)本身來看，它對漢語普通話的語音教學(xué)和朗讀風(fēng)格的研究等都有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[10]。

3.呼吸帶信號(hào)研究

3.1 呼吸帶使用

一條呼吸帶分為壓電傳感器、松緊帶、電纜三個(gè)部分。目前語言學(xué)研究采用澳大利亞埃德儀器公司生產(chǎn)的MLT1132壓電呼吸帶傳感器（如圖5），MLT1132需要該公司生產(chǎn)的生物電信號(hào)采集器及Chart軟件配合使用。將第一條呼吸帶環(huán)扎于被試胸部，上緣至腋下五厘米；若使用兩條呼吸帶，另一條呼吸帶環(huán)扎于被試腹部，上緣在肚臍位置，不能接觸下肋，以免胸腹呼吸信號(hào)混淆[11]。

信號(hào)采集使用的主要設(shè)備是麥克風(fēng)、喉頭儀和呼吸帶傳感器。用錄音軟件Chart5采集四個(gè)通道的信號(hào)：一通道為語音信號(hào)，二通道為嗓音信號(hào)，三通道為胸部呼吸信號(hào)，四通道為腹部的呼吸信號(hào)（如圖6）。通過肌電腦電儀，把由呼吸導(dǎo)致的電壓值變化反映在二維圖譜上，橫軸是坐標(biāo)，縱軸是振幅，振幅的變化對應(yīng)呼吸的變化。呼吸曲線上升表示吸氣，下降表示呼氣。

3.2 呼吸信號(hào)的處理

實(shí)驗(yàn)室通過建立言語呼吸信號(hào)分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對呼吸信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)標(biāo)注、參數(shù)提取和系統(tǒng)分析等多種功能，為言語產(chǎn)生和語音韻律層級(jí)等更深層次的研究提供了良好的技術(shù)支持[12]?；咎幚聿襟E為：1）對第3通道的呼吸信號(hào)進(jìn)行歸一化處理；2）對歸一化后的呼吸信號(hào)進(jìn)行平滑濾波；3）自動(dòng)標(biāo)記波峰和波谷；4）呼吸信號(hào)的手動(dòng)標(biāo)記；5）呼吸信號(hào)標(biāo)記保存。

3.3 利用呼吸信號(hào)進(jìn)行語音學(xué)研究

譚晶晶對不同文體朗讀時(shí)的呼吸重置特點(diǎn)進(jìn)行研究，分析出體詩、詞小說、散文、新聞等呼吸重置時(shí)長和重置幅度之間顯著正相關(guān)[13]。李永宏對藏語情歌和新聞的朗讀時(shí)的呼吸重置進(jìn)行研究，研究表明呼吸重置時(shí)長和幅度有著高度的一致性和相關(guān)性，呼吸重置的大小由多種因素決定[14]。張錦玉對語篇朗讀時(shí)的停延率和呼吸特征進(jìn)行試驗(yàn)，語篇朗讀時(shí)的停延起伏線呈現(xiàn)不規(guī)整，呼吸參數(shù)在不同韻律層級(jí)下存在顯著差異，與相應(yīng)位置的停延呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性，二者呈現(xiàn)出交錯(cuò)對應(yīng)的關(guān)系[14]。

4.氣流氣壓信號(hào)研究

4.1 氣流氣壓計(jì)使用

氣流氣壓計(jì)(Phonatory Aerodynamic System)包括帶有雙手柄的面罩，氣流面具，壓力傳感器，測試管和麥克風(fēng)以符合人體工學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)組合在一起(見圖7)。PAS集圖像數(shù)據(jù)和聽覺分析數(shù)據(jù)為一體，測量的參數(shù)主要包括：平均發(fā)音氣流率，聲壓級(jí)、基頻、肺活量、聲門阻抗、聲門下壓力和效率等。同時(shí)還有一套與硬件設(shè)備相配套的軟件設(shè)備，通過波形將所采集到的音高、聲壓、氣壓、氣流信號(hào)顯現(xiàn)出來[15]（見圖8）。采集時(shí)將氣壓入口管置于發(fā)音人口中，并保持面罩與臉部貼緊保證面罩不漏氣，最好在隔音效果良好的專業(yè)錄音室。

4.2 氣流氣壓計(jì)信號(hào)處理

氣流氣壓計(jì)的信號(hào)處理較為簡單,信號(hào)采集后可根據(jù)需要提取參數(shù)，如平均聲壓，發(fā)聲時(shí)間，氣流量，平均氣流率，空氣動(dòng)力學(xué)阻力等，之后可對參數(shù)進(jìn)行歸納和總結(jié)，最后可分析出各個(gè)氣流氣壓參數(shù)和聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。

4.3 利用氣流氣壓計(jì)進(jìn)行語音學(xué)研究

近年來氣流氣壓計(jì)在語音學(xué)研究取得了一些成果，如LEE Wai-Sum研究的北京兒化韻實(shí)驗(yàn)分析，觀察口流和鼻流的變化而解釋兒化之后的一些變化[16]。曾婷對湘鄉(xiāng)方言[n][l]進(jìn)行氣流與聲學(xué)分析,顯示[l]和[n]趨于合并的歷史發(fā)展方向[17]。Yuk-Man Cheung做了關(guān)于香港話韻律的實(shí)驗(yàn)分析,揭示香港話的基頻和口流的相關(guān)性并找出基本呼吸單位[18]。胡阿旭對漢語普通話的輔音、元音、音節(jié)、聲韻母的對應(yīng)關(guān)系的聲學(xué)和氣流氣壓信號(hào)分析，得出氣流率和聲門阻力與發(fā)音部位器官之間的關(guān)系[15]。

5.小結(jié)

本文介紹了言語呼吸研究的生理基礎(chǔ)，并論述了呼吸帶和氣流氣壓計(jì)的使用及在語音學(xué)方面的研究。氣流氣壓計(jì)可測聲門壓、氣流量，呼吸帶可測呼吸呼吸的幅度和重置，二者若結(jié)合研究言語發(fā)聲，效果會(huì)更加明顯，但目前還未見到二者結(jié)和研究的成果出現(xiàn)。隨著新精尖儀器的出現(xiàn)，多模態(tài)語音研究將逐漸興起，多種儀器結(jié)合研究的方法也將被采納，從而帶動(dòng)語音學(xué)研究向更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展。

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