歌唱系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和物理原理

編者按：封向東教授于1977年考入四川大學物理系，是當時川大77核物理班級的老大哥，成績優(yōu)秀、愛好廣泛。1982年畢業(yè)后留校，后任四川大學物理系教授、理學院黨委書記等。他一邊傳授物理，一邊發(fā)展著歌唱的興趣。這個四川大學的物理教授退休后竟指導不少學生學習聲樂，在傳授物理與練習歌唱的過程中，封教授研究了一些聲樂與物理學的融合案例。希望他的見解能引發(fā)大家對學科交融問題的探索興趣。

作者簡介：封向東，1948年1月生。四川大學物理學院物理學教授。原成都市物理學會副理事長兼秘書長、四川省物理學會理事。長期從事理論物理研究。有長達40多年業(yè)余歌唱愛好的經(jīng)歷。

摘 要：從歌唱發(fā)聲的過程知道，歌唱是由呼吸器官、發(fā)聲器官、共鳴器官和構(gòu)音器官共同完成的。這些器官的結(jié)構(gòu)、功能與物理原理密切相關(guān)。它們充分發(fā)揮各自的生理功能、密切協(xié)同、相輔相成、共同形成了有機統(tǒng)一的歌唱系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：歌唱；結(jié)構(gòu)；功能；原理

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）3-0001-4

從肺部呼出的空氣沖擊喉腔中的聲帶振動產(chǎn)生聲波。聲波經(jīng)過由喉腔、咽腔及口腔形成的聲道中的空氣傳播、反射、折射、諧振及共鳴放大，然后從口腔向外發(fā)出。與此同時，聲波的振動會激起氣管和聲道腔壁的肌肉、肌腱及骨骼的振動。這些振動向下傳播，高頻衰減掉，低頻成分可引起胸腔的共振（共鳴）；向上傳播，低頻和高頻成分均可能引起咽腔、鼻咽腔、鼻腔、口腔、鼻竇及面部的其他竇室共振。以上這些振動分別通過人體胸部和口腔以上的面部、頭部向外輻射，并與從口腔發(fā)出的聲波疊加在一起，共同形成歌唱聲音的立體、混合音效。

由于聲道管狀的奇特作用，歌唱時發(fā)出的某一個具有確定音高（頻率）的聲音總是由某一基音和該基音的各階泛音共同組成的一種多成分①樂音。這些樂音經(jīng)過唇、齒、舌、腭及口腔的調(diào)制，會變成由不同輔音和元音構(gòu)成的單字匯集而成的帶語言的歌唱。

歌唱的上述過程是由人體的呼吸器官、發(fā)聲器官、共鳴器官和構(gòu)音器官共同完成的。

呼吸器官又稱為歌唱的動力器官，主要包括氣管、肺、胸廓及相關(guān)肌肉。歌唱的呼吸屬胸腹式聯(lián)合呼吸。吸氣時，胸腔上下、左右、前后同時擴張，橫膈膜盡量下移。橫膈膜下移對小腹產(chǎn)生的壓迫感被稱為氣存丹田。歌唱呼氣時，在盡量保持吸氣結(jié)束時，胸腔和腰圍所呈現(xiàn)的擴張狀態(tài)下，收縮小腹并連帶著腰圍的外撐，有控制地上推橫膈膜呼出歌唱的氣流。橫膈膜在歌唱呼吸中的上下移動，猶如打氣筒的活塞運動一樣穩(wěn)定而有控制，對抗而有支撐。

發(fā)聲器官又稱為振動器官，主要是聲帶和喉腔，又稱為喉器。喉器是以軟骨為支架，間以肌肉、韌帶、纖維組織及黏膜等構(gòu)成的一個錐形管腔狀器官。兩條聲帶生長在喉腔內(nèi)的左右兩側(cè)。聲帶邊緣大部分與喉腔壁相連。在喉內(nèi)肌肉的作用下，兩條聲帶可隨著軟骨關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動像剪刀一樣開合而形成聲門。靜音時，聲門打開（如圖1所示）；說話或歌唱發(fā)聲時，聲門關(guān)閉（如圖2所示）。兩條聲帶相靠的部分在呼出氣流的作用下振動發(fā)聲。

聲帶在組織學上有分層結(jié)構(gòu)。聲帶肌纖維有縱、橫、斜三相。兩條聲帶相靠的部位在縱、橫兩個方向上既可整體振動，又可部分振動，這是聲帶形成不同的振動模式和同時產(chǎn)生有確定音高的基音及其各階泛音的生理基礎(chǔ)。歌聲的音質(zhì)和音色，取決于基音、泛音的純度和豐度。這是由兩條聲帶閉合振動接觸表面的質(zhì)量、光潔度、表層的柔韌性、聲帶肌肉的彈性以及聲道和共鳴腔的形狀、大小及其相互的適配度決定的。

共鳴器官是受聲帶發(fā)出的原始基音和泛音的激發(fā)而隨之共鳴，從而放大和美化歌聲的重要器官。它包括由喉腔、咽腔和口腔構(gòu)成的聲道以及胸腔、鼻腔和頭腔。

任何物體受撞擊都會振動。振動會激起空氣的波動從而產(chǎn)生聲音。每個物體振動時，僅以屬于自己的某一特定頻率或特定頻率的集合振動，并發(fā)出相對應(yīng)的某種聲音。如果一個物體以某一特定頻率振動，則該頻率又叫“固有頻率”?！肮逃蓄l率”的高低、音色和純度與構(gòu)成該物體的材質(zhì)、形狀和大小有關(guān)。一般而言，物體越小，質(zhì)量越少，“固有頻率”越高；而物體越大，質(zhì)量越多，“固有頻率”越低。當外界振動的頻率與某物體的“固有頻率”相同時，該物體會隨著外界的振動以同一頻率振動從而產(chǎn)生共振。某物體隨外界聲波的共振又叫共鳴，共鳴會增強原有聲波的強度。

當外界聲波的頻率偏離某物體的“固有頻率”時，共鳴的強度會減弱。物體的共鳴強度隨外界聲波頻率的變化而變化的敏感度可由阻礙自由振動的因素“挫喪”來表征。變化越敏感，“挫喪”越小；反之，變化越遲鈍，則“挫喪”越大。通常，固體共鳴器的“挫喪”很小。當外界聲波的頻率稍微偏離固體共鳴器的“固有頻率”時，其共鳴的強度會大大減弱，甚至完全消失。而氣體共鳴器的“挫喪”很大。當外界聲波的頻率稍微偏離氣體共鳴器的“固有頻率”時，該共鳴器仍會有較強的共鳴。若這種偏離向大于“固有頻率”的方向移動，共鳴強度會較快地一致衰減為零；而若這種偏離向小于“固有頻率”的方向移動，共鳴強度會呈周期性衰減。當外界聲波頻率變化至1/2固、1/3固、1/4固、1/5固……時（固：共鳴器的“固有頻率”），共鳴產(chǎn)生一系列較強的共鳴峰值，相應(yīng)的聲波頻率又稱為峰頻率。

外界聲波的頻率在氣體共鳴器的“固有頻率”左右變化時，共鳴器的共鳴強度隨外界頻率變化的曲線圖如圖4所示。

由圖4可見，激發(fā)氣體共鳴器產(chǎn)生共鳴的外界聲波頻率不是單一的，它在“固有頻率”附近組成一個集合，形成一個頻段或頻帶。在這個頻段內(nèi)，與“固有頻率”同值的外界聲波頻率會激起最強的共鳴，而其余聲波中，頻率與“固有頻率”成分數(shù)倍（或與波長成整數(shù)倍）的那些峰頻率會激起次強的共鳴。

人體歌唱的聲道和各共鳴腔都是氣體共鳴器。胸腔是所有共鳴腔中幾何尺寸及質(zhì)量最大的腔體，其“固有頻率”最低，稱為低音共鳴腔。喉腔、口腔次之，稱為中音共鳴腔。鼻腔、鼻咽腔、口咽腔、面部和頭部的其它竇室體積小，“固有頻率”高，稱為高音共鳴腔。

聲道是關(guān)聯(lián)各共鳴腔體，形成和傳播歌聲的重要通道。由于聲波傳播時，疊加相消或相長的作用，一根標準的剛性管道只允許生成并傳播一組特定的，與管道長度和徑度適配的樂音，其余聲波會被管道濾掉。被允許生成并傳播的這組樂音中，最低的音稱為基音，其余那些音的頻率必為基音頻率的整數(shù)倍，又稱為基音的各階泛音。頻率為基音頻率兩倍的組分稱為該基音的一階泛音，它比基音高一個八度。頻率為基音頻率三倍的組分稱為該基音的二階泛音，它比基音高二個八度，三階及其余高階泛音與基音的關(guān)系可依此類推。

人體聲道類似于一根兩端開放的管道，它允許生成并傳播基音和各階泛音。管道越長，基音越低；管道越短，基音越高。管道增粗，基音降低，但泛音成份增加；管道變細，基音升高，但泛音成分減少。這是調(diào)節(jié)歌唱音調(diào)和音色的簡單原則。在一組樂音中，基音越純（頻率越單一），泛音越豐富（泛音組分越多），其音質(zhì)就越好，音色越美。

由于人體歌唱的聲道不是嚴格標準的剛性管道，再加上氣體共鳴器“挫喪”較大的特性，故對聲道的每一確定的長度和形狀，實際生成并傳播的樂音不會是嚴格單一的某一組，而是由某一組可能的基音和泛音各自都擴展成小小的頻段所組成的頻段組合。當我們在生理限度內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)聲道的長度和形狀，同時調(diào)節(jié)聲帶的振動與之適配，即可得到歌唱樂音的所有頻段組合，連成一片從而形成較寬的連續(xù)頻帶，又稱為歌唱的音域。

就歌唱而言，較低的基音不僅可激發(fā)低音共鳴腔產(chǎn)生共鳴，還可不同程度地激發(fā)中音共鳴腔和高音共鳴腔的共鳴；低階泛音不僅可激發(fā)“固有頻率”與之相當?shù)哪承┣惑w的共鳴，還可不同程度地激發(fā)“固有頻率”與其各高階泛音相當?shù)哪切┣惑w的共鳴。

由此可見，人體歌唱的共鳴，實際上是多重復合的、逐級連鎖放大的混合共鳴。

值得一提的是，外界聲波的頻率與腔體的“固有頻率”相同或匹配時，只是有引發(fā)腔體共鳴的可能，而不能肯定其必然發(fā)生。

聲帶振動產(chǎn)生的聲波，因聲門氣壓的大小不同而強弱不同。在傳播過程中，聲波強度還會因損耗而衰減。如果外界聲波強度太小，即使其頻率與腔體的“固有頻率”相同，也不會引發(fā)共鳴。

如果把引發(fā)一個腔體共鳴的外界聲波的最低強度取名為“啟鳴強度”，任何聲波，只有其頻率與共鳴腔的“固有頻率”相同或匹配，同時其強度大于“啟鳴強度”時，方可引發(fā)腔體共鳴。與共鳴腔的“固有頻率”偏離太大或完全不匹配的外界聲波，雖不能引起共鳴，但可被共鳴腔反射和折射。如果外界聲波的頻率與共鳴腔的“固有頻率”適配，而強度達不到“啟鳴強度”，則不僅不能引發(fā)共鳴，還得不到反射和折射，只會被吸收掉。

共鳴腔體的“啟鳴強度”與腔體的形狀、大小和腔壁肌肉及周圍肌腱的彈性有關(guān)。共鳴腔越規(guī)則，腔壁越光滑，腔體及周圍肌肉、肌腱的彈性越好，“啟鳴強度”就越低，反之就越高?！皢ⅧQ強度”越低，共鳴響應(yīng)越快，聲音就越靈活輕巧。共鳴腔具有的較低的“啟鳴強度”主要是在后天長期的歌唱訓練中形成的。

構(gòu)音器官是構(gòu)成歌唱語言的重要器官。它包括口腔、雙唇、齒、舌、腭、頰、口咽等。歌唱的語言總是由單字連接而成。中文的每個單字由輔音和元音構(gòu)成。輔音是字頭，元音是字身。輔音的聲源不是聲帶的振動，它是呼出的氣流在構(gòu)成口的不同部件之間受阻而產(chǎn)生的無規(guī)噪聲。例如，氣流在牙齒與舌尖之間，在舌尖與上齒之間，在兩唇之間，在舌頭中、后部與上腭之間的“摩擦”“爆破”即可產(chǎn)生諸如z、c、s、d、t、b、p、g、k、h之類的輔音。元音是聲帶振動產(chǎn)生的一種樂音。不同的口咽、口型及舌頭形狀會產(chǎn)生不同的元音。歌唱的每一組樂音，除基音外，一般可產(chǎn)生四至五個共鳴較強的泛音，這幾個泛音的頻率又稱為峰頻率。當聲道長度一定時，對于同一個基音，由于口咽、口腔、舌頭形狀的改變，都會導致某些峰頻率值有所改變。其中，最低階的兩個峰頻率值的改變將產(chǎn)生不同的元音，而高階峰頻率值的改變，會產(chǎn)生不同的音色。對于同一個人的不同音高的歌聲，只要元音相同，其最低階的兩個峰頻率總是一樣的。歌唱者通過構(gòu)音器官各部件的運動和造型，構(gòu)造不同的輔音和元音以形成歌唱語言。因此，構(gòu)音器官的各部位必須靈活自如，使輔音清晰而短促，元音口型及舌腭相對位形標準而固定，從而實現(xiàn)字正腔圓的歌唱。

完成歌唱過程的上述四個生理器官是互相配合、協(xié)調(diào)動作、相輔相成的一個整體。我們只要把握歌唱過程的物理原理，全面同步地強化各歌唱器官的生理機能，調(diào)動和發(fā)揮各歌唱器官的生理功能，就可能真正有效地提高歌（下轉(zhuǎn)第6頁）（上接第3頁）唱的能力，完善歌唱的技巧，并逐漸達到科學而藝術(shù)地歌唱的美好境界。

注：①樂音：頻率單一的聲音或有限個頻率單一聲音的組合。（例如：琴弦、琴鍵發(fā)出的單音或合音）

噪音：頻率為連續(xù)改變的某一頻段所組成的聲音。（例如：打鐵、撞擊、爆炸等發(fā)出的聲音）

此樂音及噪音以頻譜結(jié)構(gòu)定義。按環(huán)保測評，樂音的強度太大，也視為噪音。

參考文獻：

[1]林俊卿.歌唱發(fā)音的科學基礎(chǔ)[M].上海：上海文藝出版社，1984.

[2]馬大猷.現(xiàn)代聲學理論基礎(chǔ) [M].北京：科學出版社，2006.

[3]韓德民， Robert T. Sataloff. 嗓音醫(yī)學[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2007.

（欄目編輯 廖伯琴）