呼吸生理在言语声学中的应用研究

张金爽 胡阿旭 于洪志

(西北民族大学 中国民族语言文字信息技术重点实验室 甘肃 兰州 730030)

1.引言

呼吸对人类生存和言语交流起着至关重要的作用，既产生和释放能量又为言语提供动力。语音生理的研究一直是语言学研究的一个重要方面，因为语音生理机制研究是语音学的理论基础[1]。关于呼吸生理的研究多见于医学方面，公元二世纪的希腊医生、解剖学家Galen大概是我们所知道的语音科学的最早的亲自实践者，他发现了回归神经在大脑中的本源[2]。

随着科学技术飞速发展，各种呼吸生理高端设备引入到言语产生的研究中, 在语音生理研究方面，声带发声研究已采用喉头仪（EGG）、肌电仪（EMG）、高速摄影；发音研究已采用鼻流计、动态腭位仪（EPG）、电磁发音仪（EMA）、CT三维成像、高速核磁共振（MRI）声道成像技术等；言语呼吸的研究则主要采用呼吸带和气流气压计。北京大学孔江平率先采用呼吸绑带采集胸围或腹围的变化来研究语音的韵律特性[3]。随后一些学者利用仪器对呼吸和韵律做了研究，并取得了成果。

本文介绍言语呼吸生理机制和呼吸生理仪器呼吸带、气流气压计的使用，并从实验语音学的角度对两种仪器在语音学研究进行论述，为呼吸和韵律的关系以及语音多模态的研究打下基础。

2.言语呼吸生理机制

人类语言产生的过程主要受中枢神经控制，呼吸部分也不例外。由中枢延髓产生神经冲动，而后传入脊髓和由颈段脊髓神经元加入的膈神经，从而控制胸腔肌肉和膈肌[4]。呼气时胸腔体积减小，压力增加，气体自肺部呼出以保持压力平衡。呼吸过程中，气体要经过喉、气管、支气管、细支气管，直至肺泡，在肺泡中完成生命所必须的氧气和二氧化碳的交换[5](如图1)。

呼吸时所用的肌肉叫呼吸肌，呼吸肌分为吸气肌和呼气肌。吸气肌主要是膈肌、肋间外肌和胸锁乳突肌，呼气肌主要有肋间内肌和腹肌，另外还有辅助呼吸肌包括颈部、背部及肩部肌肉膈肌向上隆起位于胸腔和腹腔之间（如图2）。吸气时膈肌收缩，隆起部分中心下移，胸腔和肺容积增大，平静吸气时可下移1-2厘米，深吸气时可达7-10厘米，正常呼吸，膈肌所起的作用占全部吸气肌的60%～80%[5]。

呼吸时由呼吸肌带动肋骨运动，人肋骨12对，左右对称，后端与胸椎相关节，第1-7称为真肋；第8-12肋称为假肋，第11、12肋前端游离，又称浮肋（如图3）。 肌肉和骨骼一般呼吸状态下，吸气时,肋间外肌收缩,肋骨向上向外运动, 胸廓体积增大；呼气时,肋间外肌舒张,肋骨向下向内运动, 胸廓体积减小（如图3）。

ixon（1987）的研究表明，胸腔壁是一个由两部分组成的系统，各部分运动的自由度不同，胸廓的前后径、左右径均加大，呼气时做相反方向的运动，使胸腔容积减少[6](如图4)。Baken et al.（1979）的研究表明，胸腔和横隔膜的变化都对呼吸有贡献，但它们的运动方式并不完全一样,人们是通过调整腹腔来适应表达词重音的需要[7]。语言学家Stetson认为说话过程中主要是胸腹部的大肌肉在起作用，气流中有较小的肋间内肌所产生的较小的冲动,这种冲动与音节相连，即额外增加的肋间内肌收缩与音节重读相关[5]。

当前我国语言学界和医学界十分重视对正常语音和病理语音的研究,已有一定的规模和成绩[8]。研究表明，安静时的呼吸和说话时的呼吸方式并不相同，安静时呼吸的呼气相和吸气相大致相同，而说话时的呼气相远远大于吸气相；呼吸频率方面，安静时每分钟呼吸16-20次，说话时每分钟呼吸8-10次[9]。近年来，北京大学建立了一个基于呼吸信号的汉语普通话韵律数据库，同步采集的信号有语音信号、呼吸信号和嗓音信号（EGG）。从呼吸信号本身来看，它对汉语普通话的语音教学和朗读风格的研究等都有实际应用价值[10]。

3.呼吸带信号研究

3.1 呼吸带使用

一条呼吸带分为压电传感器、松紧带、电缆三个部分。目前语言学研究采用澳大利亚埃德仪器公司生产的MLT1132压电呼吸带传感器（如图5），MLT1132需要该公司生产的生物电信号采集器及Chart软件配合使用。将第一条呼吸带环扎于被试胸部，上缘至腋下五厘米；若使用两条呼吸带，另一条呼吸带环扎于被试腹部，上缘在肚脐位置，不能接触下肋，以免胸腹呼吸信号混淆[11]。

信号采集使用的主要设备是麦克风、喉头仪和呼吸带传感器。用录音软件Chart5采集四个通道的信号：一通道为语音信号，二通道为嗓音信号，三通道为胸部呼吸信号，四通道为腹部的呼吸信号（如图6）。通过肌电脑电仪，把由呼吸导致的电压值变化反映在二维图谱上，横轴是坐标，纵轴是振幅，振幅的变化对应呼吸的变化。呼吸曲线上升表示吸气，下降表示呼气。

3.2 呼吸信号的处理

实验室通过建立言语呼吸信号分析平台实现了对呼吸信号进行自动或手动标注、参数提取和系统分析等多种功能，为言语产生和语音韵律层级等更深层次的研究提供了良好的技术支持[12]。基本处理步骤为：1）对第3通道的呼吸信号进行归一化处理；2）对归一化后的呼吸信号进行平滑滤波；3）自动标记波峰和波谷；4）呼吸信号的手动标记；5）呼吸信号标记保存。

3.3 利用呼吸信号进行语音学研究

谭晶晶对不同文体朗读时的呼吸重置特点进行研究，分析出体诗、词小说、散文、新闻等呼吸重置时长和重置幅度之间显著正相关[13]。李永宏对藏语情歌和新闻的朗读时的呼吸重置进行研究，研究表明呼吸重置时长和幅度有着高度的一致性和相关性，呼吸重置的大小由多种因素决定[14]。张锦玉对语篇朗读时的停延率和呼吸特征进行试验，语篇朗读时的停延起伏线呈现不规整，呼吸参数在不同韵律层级下存在显著差异，与相应位置的停延呈现出较高的相关性，二者呈现出交错对应的关系[14]。

4.气流气压信号研究

4.1 气流气压计使用

气流气压计(Phonatory Aerodynamic System)包括带有双手柄的面罩，气流面具，压力传感器，测试管和麦克风以符合人体工学的标准组合在一起(见图7)。PAS集图像数据和听觉分析数据为一体，测量的参数主要包括：平均发音气流率，声压级、基频、肺活量、声门阻抗、声门下压力和效率等。同时还有一套与硬件设备相配套的软件设备，通过波形将所采集到的音高、声压、气压、气流信号显现出来[15]（见图8）。采集时将气压入口管置于发音人口中，并保持面罩与脸部贴紧保证面罩不漏气，最好在隔音效果良好的专业录音室。

4.2 气流气压计信号处理

气流气压计的信号处理较为简单,信号采集后可根据需要提取参数，如平均声压，发声时间，气流量，平均气流率，空气动力学阻力等，之后可对参数进行归纳和总结，最后可分析出各个气流气压参数和声学参数之间的关系。

4.3 利用气流气压计进行语音学研究

近年来气流气压计在语音学研究取得了一些成果，如LEE Wai-Sum研究的北京儿化韵实验分析，观察口流和鼻流的变化而解释儿化之后的一些变化[16]。曾婷对湘乡方言[n][l]进行气流与声学分析,显示[l]和[n]趋于合并的历史发展方向[17]。Yuk-Man Cheung做了关于香港话韵律的实验分析,揭示香港话的基频和口流的相关性并找出基本呼吸单位[18]。胡阿旭对汉语普通话的辅音、元音、音节、声韵母的对应关系的声学和气流气压信号分析，得出气流率和声门阻力与发音部位器官之间的关系[15]。

5.小结

本文介绍了言语呼吸研究的生理基础，并论述了呼吸带和气流气压计的使用及在语音学方面的研究。气流气压计可测声门压、气流量，呼吸带可测呼吸呼吸的幅度和重置，二者若结合研究言语发声，效果会更加明显，但目前还未见到二者结和研究的成果出现。随着新精尖仪器的出现，多模态语音研究将逐渐兴起，多种仪器结合研究的方法也将被采纳，从而带动语音学研究向更广阔的领域发展。

[1]孔江平.中国语音学研究的历史与现状[C].北大语音乐律实验室论文集,2007

[2]王理嘉.实验语音学与传统语音学[J].语文建设,1989,(1)

[3]李永宏,孔江平,于洪志.现代语音学仪器及生理语音学研究[J].生命科学仪器,2008,(9)

[4]中华医学会组织编著.呼吸内科学高级教程[M].人民军医出版社,2010,10

[5]姜泗长,顾瑞主编.言语语言疾病学[M].科学教育出版社,2005,8

[6]Thomas J. Hixon. (1987)Respiratory Function in Speech and Song. College-Hill Press. San Diego

[7]Ron J. Baken et al.(1979)Chest wall movements prior to phonation. Journal of Speech and Hearing Research,22,862-872

[8]鲍怀翘.普通话语音生理和声学分析简介[J].听力学及言语疾病杂志,2004(3)

[9]吴宗济,林茂灿主编.实验语音学概要[M].高等教育出版社,1989.1

[10]孔江平.语音多模态研究和多元化语音学研究[J].中国语音学报,2008(3)

[11]吴君如.呼吸带说明[R].语言乐律研究报告,2008

[12]陈琪,于洪志,李永宏,郭蕾.言语呼吸信号分析平台的设计与实现[J].计算机应用，2009 (9)

[13]谭晶晶.汉语普通话朗读时的呼吸节奏研究[D].北京大学硕士研究生学位论文,2008(5)

[14]张锦玉.普通话语篇停延与呼吸特征初探[R].第九届中国语音学学术议.2010,(5).

[15]胡阿旭.基于气流气压信号的汉语普通话声韵母研究[D].西北民族大学硕士研究生学位论文,2010(6)

[16]LEE Wai-Sum. 2001. A Phonetic analysis of the er-huayun儿化韵 in Beijing mandarine proceedings of the 5th national conference on modern phonetics. Beijing:Tsinghua University.

[17]曾婷.湘乡方言[n]和[l]的气流与声学分析[R].第七届中国语音学学术会议暨前沿问题国际论坛.

[18]Yuk-Man Cheung.2004.An Aerodynamic Analysis of Intonation in Hong Kong Cantonese. Speech Prosody 2004.