張金爽 胡阿旭 于洪志

(西北民族大學(xué) 中國(guó)民族語(yǔ)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(duì)人類(lèi)生存和言語(yǔ)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(yǔ)提供動(dòng)力。語(yǔ)音生理的研究一直是語(yǔ)言學(xué)研究的一個(gè)重要方面，因?yàn)檎Z(yǔ)音生理機(jī)制研究是語(yǔ)音學(xué)的理論基礎(chǔ)[1]。關(guān)于呼吸生理的研究多見(jiàn)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(yǔ)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(yǔ)產(chǎn)生的研究中, 在語(yǔ)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(yǔ)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(lái)研究語(yǔ)音的韻律特性[3]。隨后一些學(xué)者利用儀器對(duì)呼吸和韻律做了研究，并取得了成果。

本文介紹言語(yǔ)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(yǔ)音學(xué)的角度對(duì)兩種儀器在語(yǔ)音學(xué)研究進(jìn)行論述，為呼吸和韻律的關(guān)系以及語(yǔ)音多模態(tài)的研究打下基礎(chǔ)。

2.言語(yǔ)呼吸生理機(jī)制

人類(lèi)語(yǔ)言產(chǎn)生的過(guò)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(guò)程中，氣體要經(jīng)過(guò)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(duì)，左右對(duì)稱(chēng)，后端與胸椎相關(guān)節(jié)，第1-7稱(chēng)為真肋；第8-12肋稱(chēng)為假肋，第11、12肋前端游離，又稱(chēng)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(duì)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(guò)調(diào)整腹腔來(lái)適應(yīng)表達(dá)詞重音的需要[7]。語(yǔ)言學(xué)家Stetson認(rèn)為說(shuō)話過(guò)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(guó)語(yǔ)言學(xué)界和醫(yī)學(xué)界十分重視對(duì)正常語(yǔ)音和病理語(yǔ)音的研究,已有一定的規(guī)模和成績(jī)[8]。研究表明，安靜時(shí)的呼吸和說(shuō)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(shuō)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(shuō)話時(shí)每分鐘呼吸8-10次[9]。近年來(lái)，北京大學(xué)建立了一個(gè)基于呼吸信號(hào)的漢語(yǔ)普通話韻律數(shù)據(jù)庫(kù)，同步采集的信號(hào)有語(yǔ)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(lái)看，它對(duì)漢語(yǔ)普通話的語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)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(guò)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(duì)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(guò)建立言語(yǔ)呼吸信號(hào)分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yǔ)產(chǎn)生和語(yǔ)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(duì)第3通道的呼吸信號(hào)進(jìn)行歸一化處理；2）對(duì)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(yǔ)音學(xué)研究

譚晶晶對(duì)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(shī)、詞小說(shuō)、散文、新聞等呼吸重置時(shí)長(zhǎng)和重置幅度之間顯著正相關(guān)[13]。李永宏對(duì)藏語(yǔ)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(zhǎng)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(duì)語(yǔ)篇朗讀時(shí)的停延率和呼吸特征進(jìn)行試驗(yàn)，語(yǔ)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(duì)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(cè)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(jiàn)圖7)。PAS集圖像數(shù)據(jù)和聽(tīng)覺(jué)分析數(shù)據(jù)為一體，測(cè)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(mén)阻抗、聲門(mén)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(guò)波形將所采集到的音高、聲壓、氣壓、氣流信號(hào)顯現(xiàn)出來(lái)[15]（見(jiàn)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(zhuān)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(jiǎn)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(duì)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(yǔ)音學(xué)研究

近年來(lái)氣流氣壓計(jì)在語(yǔ)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(duì)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(duì)漢語(yǔ)普通話的輔音、元音、音節(jié)、聲韻母的對(duì)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(mén)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(yǔ)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(yǔ)音學(xué)方面的研究。氣流氣壓計(jì)可測(cè)聲門(mén)壓、氣流量，呼吸帶可測(cè)呼吸呼吸的幅度和重置，二者若結(jié)合研究言語(yǔ)發(fā)聲，效果會(huì)更加明顯，但目前還未見(jiàn)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(yǔ)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(yǔ)音學(xué)研究向更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展。

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