古力努爾·艾爾肯，艾斯卡爾·艾木都拉

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基于聲學特征的母語非漢語者聲調研究

古力努爾·艾爾肯，艾斯卡爾·艾木都拉

(新疆大學信息科學與工程學院，新疆烏魯木齊 830046)

從提高滿足少數(shù)民族普通話高自然度語音合成與高精度語音識別的實際應用需求出發(fā)，首次從實驗語音學的角度對初級、中級和高級階段的50名維吾爾族漢語學習者與10名母語為漢語普通話的說話人聲調的一階差分與時長以及相似度進行對比，并對其聲調的一階差分模式、聲調時長等韻律參數(shù)進行了實驗分析，得出維吾爾族學生對漢語聲調的偏誤情況以及與中國少數(shù)民族漢語水平等級考試(Master of Human Kinetics, MHK)成績的關系。通過實驗結果可以發(fā)現(xiàn)，三組維吾爾族人學習普通話的聲調都有困難。兩種語言的音系，語調和重音等特性影響了第二語言中的聲調特性。歸納了維吾爾族學習者聲調的基本聲學特征，總結出了一些重要的規(guī)則和結論；為解決給漢語語音處理帶來的困難，尤其是少數(shù)民族漢語的語音合成和語音識別方面的聲調問題，提供了重要的參考依據(jù)。

一階差分；聲調偏誤；對比分析；維吾爾族學習者；時長

0 引言

漢語普通話是漢藏語系的一個分支，目前是我國最主要的通用語言[1]，有非常多的學者在從事這方面的研究，也取得了很多非常有價值的研究成果[2]。例如，從漢語的特點這一角度進行深入研究，還有一些學者通過實驗研究母語非漢語的外國人學習漢語的情況[3-5]。但是在眾多研究角度中，針對我國國內少數(shù)民族學習漢語情況的研究比較少，從聲調角度入手開展定量研究的成果更是非常少見。這不僅不利于對少數(shù)民族展開有針對性的教學，還不利于少數(shù)民族在學習漢語過程中對語音的處理，特別是語音合成和語音識別兩個方面。

同時漢語作為聲調語言的一種，音調能夠區(qū)分出漢語的語音結構，掌握聲調是學習漢語過程中一個很重要的部分[6-7]。維吾爾語屬于阿爾泰語系，是沒有聲調的語言。維吾爾族人在學習漢語的時候，聲調的學習對他們來說是一種全新的語言因素，所以接受起來有一定的困難，在短時間內很難區(qū)分清晰。此外，維吾爾族人使用的維吾爾語與漢語的差別還有，作為表音文字，維吾爾族人看到文字就能很準確地讀出來，但是漢語不同，作為表意文字，從字面上無法判斷發(fā)音，更無法得知聲調。所以，維吾爾族人單純重視練習漢語的發(fā)音，沒有將音調放在重要的位置。這就導致了很多維吾爾族人在中國少數(shù)民族漢語水平等級考試(Master of Human Kinetics, MHK)中能夠取得很高的成績，但是口語方面由于不能很好地掌握音調，在漢族人聽來，還是有些“洋腔洋調”[8]。對于母語為非聲調語言的維吾爾族學生來說，掌握漢語聲調對他們來說是有困難的。這與平日的教學以及語言環(huán)境都有關系，以至于維吾爾族學生的漢語口語并不標準，主要的原因是漢語的語調掌握的不扎實。漢語的語調確實比較復雜，想要學好漢語，必須要正確掌握語調以及其發(fā)音的方法。

鑒于此，本文將運用實驗語音學的方法，從漢語作為第二語言的聲調習得實驗出發(fā)，進一步了解新疆維吾爾自治區(qū)的學生學習普通話以及其掌握聲調的現(xiàn)實情況，通過定量實驗的研究方法，對維吾爾族大學生在學習普通話的過程中語調掌握的狀況進行研究，也為少數(shù)民族普通話學習中自然度語音合成與高精度語音識別技術的發(fā)展提供一定的參考。

1 實驗設計

1.1 被試情況

本實驗中總共有60名被試，其中有50名維吾爾族人(25男，25女)，他們都是新疆大學學生，年齡在20～26歲之間，他們的母語是維吾爾語，漢語普通話是他們的第二語言。另外10名是漢族人，來自北京，他們的普通話比較標準，平均年齡是23歲。

需要研究的是維吾爾族人的普通話聲調的偏誤及產出，也就是研究處在不同的普通話學習階段的維吾爾族人的普通話聲調的特點。因此根據(jù)這50名維吾爾族人的普通話熟練程度將其分成三組，作為處在不同的學習階段的維吾爾族被試。維吾爾族人的普通話熟練程度(分數(shù))是根據(jù)中國少數(shù)民族漢語水平等級考試(MHK)口語測試平臺得到的。

維吾爾族50個人中，普通話熟練分數(shù)范圍是45～90分，他們的分數(shù)發(fā)布類似一個正態(tài)分布，其平均分是69分，標準差是11。因此我們在分組的時候，選取了在平均分的上下二分之一的標準差作為分界點，將50人分成男、女各3組。最后的分組情況是：低水平組(Uyghur Chinese Beginner Learners, UCB)被試的分數(shù)：45<低水平組(Beginner)<= 60；中水平組(Uyghur Chinese Intermediate Learners, UCI)被試的分數(shù)：60<中水平組(Intermediate)<=75；高水平組(Uyghur Chinese Advanced Learners, UCA)被試的分數(shù)：75<高水平組(Advanced) <=90。詳細的分組情況見表1所示。

表1 被試分組的詳細情況

1.2 語音采集情況

實驗中使用的語音是在專門的錄音室中采集的，使用設備有筆記本、外置聲卡、麥克風和相互連接的數(shù)據(jù)線。使用外置聲卡能夠調節(jié)聲量大小、降低噪聲、監(jiān)控爆破音情況等。軟件采用Matlab編寫錄音程序。被試的閱讀材料是漢語單音節(jié)詞，每個被試需要錄500個單音節(jié)詞。語音采集頻率是16 kHz。錄制的漢語單音節(jié)詞列表盡可能地覆蓋了基本漢語聲調。例如，“a、ka、bu”的陰平(T1)聲調；“de、mo、di”的陽平(T2)聲調；“a、ru、e”的上聲(T3)聲調；“a、ke、bu”的去聲(T4)聲調等。除去輕聲后每個聲調的個數(shù)為：低水平組(男女各6人)，T1：249，T2：319，T3：221，T4：239；中水平組(男女各10人)，T1：149，T2：191，T3：134，T4：144；高水平組(男女各9人)，T1：226，T2：291，T3：198，T4：216；標準組(參照組，男女各5人)，T1：340，T2：353，T3：362，T4：375。

1.3 語音數(shù)據(jù)處理

采集完被試的語音后，將采集的維吾爾族人和漢族人的普通話語音進行自動標注，本研究中采用的自動切分系統(tǒng)可以將語音切分到音素級，并且限制在20 ms的誤差范圍內，該自動切分系統(tǒng)的準確性是93.92%[9]。自動標注以后，我們對50個人的音頻再次進行手動人工校對，準確率達到97.22%。根據(jù)已標注的單音節(jié)語音，以被測試者的發(fā)音基頻為依據(jù)，選出每個被試調域的最大值和最小值，其中3%～5%的位置為最小值，95%～97%的位置為最大值，之后將被試的聲調進行轉換，最終變成五度制。10位漢語母語者和不同水平(高水平、中水平和低水平)的50位維吾爾學習者的4類聲調轉換成5度值和各聲調時長以及音強，然后，與漢語普通話母語者和維吾爾學習者的聲調一階差分、聲調時長分布模式以及相似度進行比較。

2 聲調的一階差分分析

通過一階差分，能夠得出漢語聲調在日常習得過程中的特征，還能夠將漢語方言聲調的特征區(qū)分出來[10]。同時一階差分得出來的值可以將F0(基頻)曲線的變化直接呈現(xiàn)。此外，每個人的音域都有所差異，這是因為受到先天因素和后天語調習得因素的影響。所以，我們要將音域的差別消除，主要的方法就是將F0值進行轉化，變成一階差分值[11]。因此，通過維吾爾族學習者聲調的一階差分，進一步可以找出他們產生偏誤的原因。

圖1 MC&UCA&UCI&UCB陰平聲調(T1)曲線的一階差分

(Note: In this figure and all the following figures and tables of this paper, MC represents native Mandarin speakers, UCA represents high-level Uygur learners, UCI represents middle-level Uygur learners, UCB represents low level Uygur learners; M means male, F means female, T1 is yin-ping tone, T2 is yang-ping tone, T3 is rising tone and T4 is falling tone)

圖2 MC&UCA&UCI&UCB陽平聲調(T2)曲線的一階差分

圖3 MC&UCA&UCI&UCB上聲聲調(T3)曲線的一階差分

圖4 MC&UCA&UCI&UCB去聲聲調(T4)曲線的一階差分

圖1～4是漢語普通話母語者與各個水平階段的維吾爾族學習者按照不同聲調的一階差分圖(圖中M表示男性，F(xiàn)表示女性；MC代表漢語普通話母語者，UC代表維吾爾族普通話學習者，UCA代表高水平組維吾爾族學習者，UCI代表中水平組維吾爾族學習者，UCB低水平組維吾爾族學習者；T1-陰平，T2-陽平，T3-上聲，T4-去聲)。通過圖1～4，可以比較漢族人和維吾爾族普通話學習者的聲調調形的不同，主要關注在拐點。圖1是T1的一階差分圖，從圖1中可以看出，漢語母語者和維吾爾族人的T1在調形上沒有很大的差別。

圖2是T2的一階差分圖，從圖2中可以看出維吾爾族女性學習者(UCB_F, UCI_F, UCA_F)調型類似于標準普通話者(MC_F, MC_M)的調形，但是MC的最高峰在尾部，整體圖形呈現(xiàn)出拋物線狀，而UCF和UCM并不是這樣，他們的最高峰都出現(xiàn)在中部，這說明維吾爾族學習者在原聲調曲線上的斜率要大于MC，UC的T2從中部出現(xiàn)急劇的下降趨勢。原聲調的拐點是軸對應于軸0點的位置。從圖2中可以看出，UC的基頻平均值比MC的平均值要大(UC大約是4，MC大約是2)，可見維吾爾族學習漢語的拐點要相對靠后。從值也可以看出差異：維吾爾族學習者，當=4時=0；而漢語母語者，當=2時=0。這說明學習音節(jié)過程中，拐點的位置不同，維吾爾族人的拐點位置在軸的40%位置處，而漢族人在20%處就已經(jīng)出現(xiàn)了拐點。

圖3是T3的一階差分圖。從圖3中可以看出，UC_F曲線在=4的時候都能夠與=0相對應，這表示維吾爾女性在學習漢語時的拐點出現(xiàn)位置與漢語母語者出現(xiàn)的拐點位置相同。而男性(UC_M)的曲線對應=0位置的軸的值約為3，與漢語普通話母語者有所不同。此外，從軸的最高值可以看出，維吾爾族人為22，而漢語母語者為14，比漢語普通話母語者大將近一半。

圖4是T4的一階差分圖。對于女性發(fā)音人而言，維吾爾族學習者的調型與漢語普通話母語者很接近，而男性發(fā)音人有很大的差異，并且從斜率上看，維吾爾男性被試的斜率要高于漢語母語者，從原聲調曲線圖中可以看出，維吾爾族的男性漢語學習者的T4下降非?？?。

為了將一階差分在解釋聲調走向趨勢上做出更清晰的解釋，我們將對不同水平的維吾爾族學習者男女(UCA, UCI, UCB)和漢語普通話母語者(MC)的一階差分圖(圖5～13，圖中英文字母含義與圖1～4相同)分別進行詳細的分析。

圖5、6分別是男性和女性漢語普通話母語者聲調曲線的一階差分圖。由圖5可知，MC_M的T2一階差分曲線中，對應=0位置的值約是3，T3的是4.2，T2和T3的一階差分曲線的調形差異性很大。T1一階差分對應的=0時值為4，T4為5.4。由圖6可知，MC_F的T1和T4也有差別。T1的一階差分=0時的值為6，T3為4.6，T4為7。此外，MC_M與MC_F在本文研究的四類聲調都有差異，這種差異主要是體現(xiàn)在一階差分曲線上。

圖5 漢語普通話母語者聲調曲線的一階差分(M)

圖6 漢語普通話母語者聲調曲線的一階差分(F)

圖7、8分別是男性和女性高水平組維吾爾族學習者聲調曲線的一階差分圖。從圖7～8可以發(fā)現(xiàn)，T1和T2的調型很相似，對應=0位置的值都是4，與MC不同。T3一階差分的對應=0位置的值分別是3(UCA_M)和4.2(UCA_F)，與MC_F的調型和拐點很接近。T4的位置也與MC有很大的差異，說明T1&T2&T4的拐點有偏誤。

圖7 維吾爾族學習者聲調曲線的一階差分(UCA_M)

圖8 維吾爾族學習者聲調曲線的一階差分(UCA_F)

圖9、10分別為男性和女性中水平組維吾爾族學習者聲調曲線的一階差分圖。從UCI的一階差分圖可顯示，UCI的T1和T2的調型很相似，UCI_M的T1、T2的拐點和MC_M的相同，一階差分對應=0位置的值都是3，表示沒有偏誤。而T3、T4的拐點和調型有很大的差異，UCI_M習得有困難，有偏誤。UCI_F的T3的一階差分中，=0時，的對應值大約為4.2。T3的最大值約為28，比MC的最高值要大，這主要體現(xiàn)出UCI_F在T3的末尾處的斜率要更好，因此T3曲線在末尾處具有更高的上升可能。

圖9 維吾爾族學習者聲調曲線的一階差分(UCI_M)

圖10 維吾爾族學習者聲調曲線的一階差分(UCI_F)

圖11、12分別是男性和女性低水平組維吾爾族學習者聲調曲線的一階差分圖，從圖中可以看出，T1和T2在調形上具有相似性，=0時對應的值為3，與MC_M的相同；而UCB_F的一階差分的對應=0位置的值是4，MC_F的值約是2.6。

UCB_M的T3一階差分對應=0位置的值約是6，T4一階差分對應=0位置的值約是4，分別比MC_M(約1.8，1.5)大，說明UCB_M的T3、T4末尾的斜率比較小。

圖11 維吾爾族學習者聲調曲線的一階差分(UCB_M)

圖12 維吾爾族學習者聲調曲線的一階差分(UCB_F)

不過，UCB_F的最大的值相比MC_F的值約大1倍，表示T3末尾的斜率比較大，曲線末尾的上升趨勢更大，說明UCB_F的T3有偏誤。UCB_F的T4調型和末尾的值跟MC_F很相似。

由以上的各類聲調的一階差分圖可推測出，三組維吾爾族人學習普通話的聲調都有困難。兩種語言的音系、語調和重音等特性影響了第二語言中聲調特性。這種聲調系統(tǒng)的差異導致了維吾爾族人學習普通話的聲調出現(xiàn)困難。

3 聲調時長和音強聲學分析

3.1 聲調時長分布模式

時長就是時間長短的意思：如MC念的“媽”“麻”“馬”“罵”里的時長分別為：90、75、111、68 ms；將它分為最長、次長、次短和最短四個等級。聲調是一個持續(xù)的音段，每個聲調都有一定的時長。不同發(fā)音人的絕對時長值差別很大，有時甚至同一個人的不同單詞的時長之間也存在著很大的差異。

因此，對絕對時長進行了歸一化處理。歸一化的目的，就是使不同發(fā)音人之間的時長更具有可比性。我們采用朱曉農[12]的“跨聲調均值”的方法進行時長歸一化，該方法是以所有聲調時長的平均值作為基準，設為單位“1”，再用各聲調的時長除以平均時長，便得到了各聲調的相對時長值。規(guī)整公式為

表2和圖13分別是UC和MC歸一化處理后的(男，女)單字聲調相對時長表和比較圖。(M代表男性，F(xiàn)代表女性)。

表2 普通話母語者和維吾爾族學習者單音節(jié)詞聲調相對時長

圖13 普通話母語者和維吾爾族學習者單音節(jié)詞聲調相對時長分布圖(M,F)

對不同性別的UC和MC聲調時長的歸一化結果表明，(1) 普通話母語者或者不同水平的維吾爾族學習者(男性和女性)在去聲(T4)的歸一值很接近，差別主要表現(xiàn)在上聲、陰平、陽平上。(2) 對于男性發(fā)音人來說，在陰平上不同水平的維吾爾族學習者的相對時長很接近，男性普通話母語者(MC_M)在四聲時長的跨度為0.43，而不同水平的維吾爾族學習者在四聲的跨度值分別為：UCA_M：0.44，UCI_M：0.52，UCB_M：0.54，說明陰平和上聲的時長優(yōu)勢在普通話母語者中比較明顯。(3) 對于女性發(fā)音人來講，中水平和低水平的維吾爾族學習者(UCI_F、UCB_F)的陽平時長(T2)和UCB_F在陽平的相對時長值接近于普通話母語者。在四組發(fā)音人中，高水平維吾爾族學習者的時長跨度最大，為0.67，中低水平維吾爾族學習者的時長跨度相對較小，分別為：中級：0.55，低級：0.64；而普通話母語者的時長跨度最小，為0.28。因此，在女性發(fā)音人中，高水平維吾爾族學習者的時長優(yōu)勢更明顯。(4) MC和UC都具有相同的時長分布模式T3>T1>T2>T4，但是，表2清楚地顯示，在四聲中維吾爾族學習者(UC)時長跨度值都大普通話母語者，并且差異比較大，相似性較小。

3.2 聲調時長相似度分析

我們需要進一步對MC與UC的聲調時長的差異性、以及不同級別的維吾爾族人之間的差異性進行分析，在這個過程中我們引入時長模式相似度。式(2)的e指數(shù)提供了客觀的數(shù)據(jù)來表現(xiàn)維吾爾族學習者和漢語母語者聲調時長模式的相似度。

e指數(shù)距離公式[13]：

表3是以MC(5男，5女)的時長分布為參照，計算出的時長分布相似度。我們可以看到，無論是高水平、中水平或者低水平的女性UC，與MC之間的相似度很高，分別是0.97, 0.98, 0.98。同時，UC(UCA,UCB)女性發(fā)音人與MC男性發(fā)音人的時長分布模式相似度比起UC(UCA,UCB)男性和MC男性發(fā)音人的相似度均要高(0.83>0.71，0.86>0.75)。對UC而言，并不是MHK考試成績分數(shù)越高，時長分布模式與漢語母語者越接近，二者之間的對應關系是模糊的，并不清晰。

表3 漢語普通話母語者與維吾爾族學習者時長分布模式相似度

3.3 聲調的音強特征分析

對60位發(fā)音人的樣本進行測量統(tǒng)計后，我們得到了MC和UC單字調音強格局(如圖14所示)。這里做聲調音強(能量)實驗是為了探討音強曲線的形狀在四聲中有什么不同，以及觀察能量在音調中的作用。漢語聲調的音強曲線形狀為前強、中強、后強、平臺、雙峰五種類型[14]。

圖14 普通話母語者和維吾爾族學習者聲調音強分布模式

從整體上看，無論是男性還是女性發(fā)音人，MC和UC各類音調音強曲線有明顯差異。MC起點音強都是65 dB以上，終點為55 dB以上，都高于UC。

具體來看，MC和UC的音強曲線在各類聲調上的表現(xiàn)不同。在陰平調(T1)中，男性MC的音強曲線為平臺型，起點為69 dB，中間較平，末尾呈下降趨勢，終點為64 dB。男性高、中、低水平UC學習者的音強曲線差異不大，整體上低于男性MC，為前強型。女性MC的音強曲線為前強型，起點較高，末尾處下降趨勢較為明顯。女性UC的音強曲線為平臺型，首尾較低，中間較平。

在陽平調(T2)中，男性MC和女性MC的音強曲線存在差異。前者的音強曲線為后強型，第1～4個點較低，第5～8個點逐漸上升，最高點達到71 dB。后者為平臺型，起點略低，中間較平，末尾處下降較明顯，最低達到58 dB。男性和女性UC都為平臺型，其中男性不同水平學習者的內部差異較小，三條曲線集中在50 dB左右。女性學習者的平均音強高于男性學習者，并且存在一定的內部差異，其中高級水平學習者的音強曲線最高，中級水平學習者的音強曲線最低。在上聲調(T3)中，所有發(fā)音人的音強曲線都為雙峰型，第一個峰值出現(xiàn)在第2點，第二個峰值出現(xiàn)在第9點。MC的音強最大值為69 dB，最小值為63 dB。在去聲調(T4)中，MC和男性UC的音強曲線為前強型，第2～5個點處的音強較高，第5點后音強下降明顯，其中男性UC的最低點達到36 dB，女性MC的最低點為56 dB。女性UC的音強曲線為平臺型，第7～10個點下降明顯，最低點達到42 dB。

經(jīng)分析可見，MC和UC的音強曲線主要體現(xiàn)為高低上的差異，曲線的形狀比較一致。男性發(fā)音人和女性發(fā)音人的音強差異在各個聲調上的表現(xiàn)不同。男性MC和女性MC的差異主要體現(xiàn)在T2(后強型 VS 平臺型)和T3(拱度小 VS 拱度大)上。男性UC和女性UC的差異主要體現(xiàn)在T1(前強型 VS 平臺型)和T4(前強型 VS 平臺型)上。高、中、低水平UC的音強曲線較為一致，差異較小。

4 結論

本研究主要分析了10位MC和50位UC(根據(jù)MHK考試成績分成低水平、中等水平、高水平三類)在聲調學習數(shù)據(jù)中的一階差分模式，對UC的聲調偏誤進行了聲學和實驗對比分析。根據(jù)各類聲調的一階差分圖可推測出不同水平的三組維吾爾族人學習普通話的聲調都有困難，對聲調有偏誤。

兩種語言的音系、語調和重音等特性影響了第二語言中聲調特性。這種聲調系統(tǒng)的差異導致了維吾爾族人學習普通話的聲調出現(xiàn)困難。與此同時，維吾爾語是無聲調、有重音的語言，而重音不起區(qū)別語義的作用。維吾爾語語流中通常會把韻律詞放置于重音之前，而韻律詞所含音節(jié)的音高絕大部分是中平調或是平調，同時隨后的重音則運用中升調，而句子快結束時又采用降調。所以，維吾爾族學習者在運用平調、降調和升調時都可以在維吾爾語中找到能夠對照的調型。在聲調時長上MC和UC有差異，從10位MC的聲調時長特征可以看出，這10位被試的聲調時長模式具有高度的一致性，均為T3>T1>T2>T4。

從實驗結果來看，UC呈現(xiàn)出類似的特征，但是，UC在四聲的跨度值遠大于MC。而且MC和UC在能量上也有明顯的差異。參考MHK考試成績將其漢語水平分為低水平、中等水平和高水平，但是這樣分類并不能體現(xiàn)與聲調時長模式之間的相關性?？傮w說來，MHK考試成績與單字調發(fā)音是有相關性的，一般來說MHK成績高，單字調發(fā)音要更好，但是這種關系并不是絕對成立的。因此，將MHK成績作為維吾爾族人漢語水平的唯一標準并不科學，還需要開發(fā)其他的評定標準，特別是與口語相關的標準。

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Tone investigation of non-native Chinese speakers based on acoustic features

Gulnur Arkin, Askar Hamdulla

(Institute of Information Science and Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046, Xinjiang, China)

Starting from the practical application requirements of ethnic minorities to improve the capabilities in the mandarin speech synthesis with high naturalness and the high precision mandarin speech recognition, this paper makes a comparison of the first order difference, the time length and similarity of tones between 50 Uyghur students in the junior, intermediate and advanced stages and 10 native mandarin speakers from the perspective of experimental phonetics. The experimental results of the first order difference model, the tone duration and other prosodic parameters are analyzed, and the relationship between Uyghur students' Chinese tone errors and MHK scores is obtained. It can be found that the three groups have difficulty in learning Mandarin tones, and the characteristics of phonological, intonation and stress of the two kinds of languages affect the tone characteristics in the second language. The tonality feature and tone duration of Uyghur learners and some important rules and conclusions are summarized. The present research can help strengthen phonetic teaching among ethnic minorities and provide more effective empirical data for speech synthesis and speech recognition of the Chinese spoken by ethnic minorities.

first order difference; tone errors; contrastive analysis; Uyghur learners; duration

H107

A

1000-3630(2018)-06-0571-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.06.011

2017-06-22;

2017-08-15

國家973項目 (2013CB329301)；國家自然科學基金項目(61063023)資助項目。

古力努爾·艾爾肯(1988－), 女, 新疆伽師人, 博士研究生, 研究方向為語音信號處理。

艾斯卡爾·艾木都拉,E-mail: askarhamdulla@sina.com