噪声干扰下健康成人发声空气动力学分析

傅德慧 黄永望

近年来，随着检测技术和测量方法精确性及实用性的改善，发声时空气动力学变化逐渐成为嗓音医学领域的研究热点之一。正常成人舒适发声及响亮发声时，空气动力学改变及性别差异的研究鲜见报道。因此，本研究对健康成年受试者在无噪声及有噪声干扰下的发声状态进行了空气动力学检测，报告如下。

1 资料与方法

1.1 研究对象 随机选取37例健康成年受试者，男18例，年龄19 ～47 岁，平均31±8.9 岁；女19例，年龄22～48岁，平均33±11岁。所有受试者喉部正常，无烟酒嗜好，无咽喉、呼吸系统、神经系统等影响呼吸功能的疾病及病史，听力及嗓音正常，未经过专业发声或歌唱训练。

1.2 研究方法 采用美国KAYPENTAX（凯益—宾得）公司的言语发声空气动力学系统6600（Phonatory aerodynamic system 6600，PAS 6600），对受试者在无噪声及有噪声环境下进行发声空气动力学检测，采集声强、音频（pitch）、平均气流率（mean airflow rate，MFR）、声门下压（subglottic pressure，SGP）、空气动力功率（aerodynamic power，ADP）、声门阻力（glottal resistance，GR）、发声效率（vocal efficiency，VEF）等7项指标结果。

应用空气动力学指标变化率，即噪声干扰后与噪声干扰前各指标自身变化的百分比，比较男、女空气动力学变化程度的性别差异，以声强变化率为例，公式如下：

数据采集前先进行系统校对，对患者进行简单训练，使其能够自然的按照指令发声，配合检查。

1.2.1 无噪声干扰舒适发声（comfortable speech，CS）时空气动力学检测 受试者在环境噪声＜25 dB（A）的检查室内，取自然、舒适的坐位，于检测仪上连接口内管，受试者戴严面罩，口内管置于舌上方中央，保证橡胶管末端与门齿距离约1cm，避免牙齿及舌堵住口内管。然后在自然舒适的发声状态下，以1.5～2个音节／秒的语速连续发5～7个／pa／音节，同时记录声音、气流、气压信号。

1.2.2 噪声干扰下响亮发声（loud speech，LS）时空气动力学检测 采用FONIX 公司生产的FA－18数字听力计（FA－18Digital Audiometer）产生频率为1 kHz、响度为70 dB SPL 的言语噪声（speech noise），为受试者提供发声过程中的噪声干扰。受试者佩戴耳机，耳机内播放言语噪声，让受试者在舒适状态下，在能够听清自己声音并感觉所发声强度与无噪声干扰舒适发声时的发声强度“相同”的情况下，以1.5～2个音节／秒的语速连续发5～7个／pa／音节。同法记录声音、气流、气压信号。

1.3 统计学方法 通过SPSS Statistics 19.0 统计软件对数据进行t检验、非参数秩和检验。

2 结果

2.1 两种状态发声时空气动力学指标的性别差异 无噪声干扰下舒适发声时，女性发声音频、声门阻力明显高于男性，平均气流率、空气动力功率则明显低于男性，差异均有统计学意义（P＜0.05）；男、女之间声强、声门下压、发声效率之间差异无统计学意义（P＞0.05）（表1）。

70dB SPL 噪声干扰下响亮发声时，女性发声平均气流率、空气动力功率均小于男性，声门阻力明显高于男性，差异有统计学意义（P＜0.05）（表1）。

两种发声状态下，除音频变化率性别差异有统计学意义（P＜0.05）外，其他空气动力学指标变化率差异均无统计学意义（P＞0.05）（表2）。

表1 男、女受试者两种发声状态下发声时空气动力学各指标检测结果（±s）

表1 男、女受试者两种发声状态下发声时空气动力学各指标检测结果（±s）

注：＊相同发声状态同一指标与男性比较，P＜0.05；＃与噪声干扰下（LS）同性别同一指标比较，P＜0.05

性别 例数发声状态声强（dB SPL）音频（Hz）平均气流率（L／s）声门下压（cmH2O）空气动力功率（W）声门阻力［cmH2O／（L／s）］发声效率（×10－6）女 19CS 85.00±6.53＃ 232.19±24.73＊＃ 0.11±0.06＊7.94±0.06＃0.10±0.07＊＃ 76.25±22.36＊＃ 850.95±949.30＃LS 95.06±7.84 206.26±28.37 0.12±0.08＊15.15±6.21 0.20±0.153＊ 151.05±85.53＊ 3 394.28±2 579.20男 18CS 85.28±6.46＃ 148.64±36.13＃0.23±0.11＃7.09±2.73＃0.18±0.16＃33.68±19.90＃781.88±1416.22＃LS 94.04±7.61 187.48±44.56 0.28±0.14 11.54±4.55 0.37±0.29 47.40±33.14 2 478.76±2 470.96

表2 男、女受试者两种发声状态下空气动力学指标变化率（%，±s）

表2 男、女受试者两种发声状态下空气动力学指标变化率（%，±s）

注：＊与女性比较，P＜0.05

性别例数声强音频平均气流率声门下压空气动力功率声门阻力发声效率女19 11.99±7.17－9.49±19.57 10.64±133.00 92.26±57.49 114.31±99.54 90.59±86.23 798.67±1 2 09.77男18 10.35±5.59 27.45±22.93＊ 28.08±52.81 65.91±44.39 130.12±167.05 40.0 7±44.77 665.77±1 099.74

2.2 两种发声状态下同性别空气动力学指标变化 女性响亮发声较舒适发声时，声强、声门下压、空气动力功率、声门阻力均显著升高，音频显著下降，差异均有统计学意义（P＜0.05）；平均气流率改变无统计学意义（P＞0.05）（表1）。

男性响亮发声较舒适发声时，声强、音频、平均气流率、声门下压、空气动力功率、发声效率、声门阻力均明显升高，差异有统计学意义（P＜0.05）（表1）。

3 讨论

发声是一个复杂的过程，在气流推动下声带周期性地振动是发声的基本条件，气流与声带之间的相互作用关系也一直是嗓音医学中的研究热点，空气动力学检查就是针对该方面的简单、易行、准确的研究检测方法。

本实验涉及的空气动力学指标包括平均气流率、声门下压、空气动力功率、发声效率、声门阻力。空气动力学检查是基于唇中音阻断法原理对发声空气动力学指标进行测量，除了气流率和声门下压可以直接采集外，其他指标均是在此基础上，结合声强或音频推算而得。平均气流率为发声过程中平均单位时间内通过声门的气流量；声门下压是指发声过程中，声带下方区域内的压力，是促使以及维持声带振动的重要作用力；空气动力功率又可称为发声功率（phonatory power）或声门下功率（subglottic power），与声门下压、平均气流率密切相关，为两者的乘积；声门阻力为声门上下压力差与平均气流率的比值，反映声带组织对通过声门气流的阻力，是影响声门下压的重要因素；发声效率为经口辐射而出的声功率与经肺产生的空气动力学功率的比值，人类的发声效率不高，发声时的声功率仅占可获得的空气动力功率的0.0001～0.01，高发声效率易导致声带损伤［1～3］。

3.1 性别与发声空气动力学的关系 本研究结果显示舒适发声时，女性平均气流率明显低于男性，与Zhuang等［4］的检测结果相近，女性声门阻力明显高于男性，而声门下压、发声效率不存在性别差异。平均气流率和声门阻力的性别差异与男女间解剖和生理特性差异有关，男性声带明显长于女性［5］，因此女性声门面积明显小于男性；平均气流率、声门下压、声门阻力三项空气动力学参数与声门面积之间存在密切联系；在声门下压一定的情况下，增加声门面积，则平均气流量增加、声门阻力降低［6］；由于女性声门面积小于男性，而声门下压又不存在明显性别差异，因此女性发声的平均气流率低于男性，而声门阻力高于男性。

从文中结果看，响亮发声时，女性的平均气流率和空气动力功率仍较男性小，声门阻力较男性高，但音强和音频与男性几乎无差异。除音频变化率外，其他指标变化率无明显差异，说明在噪声影响下，男、女性空气动力学指标变化程度，即发声调整程度相近。这些结果提示，同样的发声效率和发声状态下，女性能够用来维持发声的空气动能明显小于男性，因此需要通过紧张声带、增加声带的闭合力度等一系列措施来增加声门阻力，将空气动力能充分转化为声能，达到同样的发声效果，这可能也是女性嗓音疾病高发的原因之一。

3.2 噪声对发声空气动力学的影响 在噪声环境下，说话人改变发音状态以补偿噪声的现象，称为朗伯特效应（Lombard effect），此时说话人所发出的语音可称之为响亮发声（loud speech）。自发现朗伯特效应以来，许多学科针对其专业特点进行了大量的相关研究，在言语、语言学方面的研究提示，受试者在噪声环境下言语音量增加、频谱能量分布改变、句间距增加、语速减慢［7］，发声初肺容量增加而发声末肺容量降低［8］。本研究结果显示在噪声影响下健康成人发声空气动力学的指标明显改变，噪声下，女性声强、声门下压、空气动力功率、声门阻力和发声效率升高，但是音频下降，平均气流率无明显改变。男性各项空气动力学指标均显著提高。可见在同样的噪声环境下，男、女性响亮发声的习惯不同。

据杨宝琦等［9］的研究，平均气流率与音调和声强之间无相关关系，提示在一般的发声状态下，提高音调和声音响度对提高平均气流率并无作用。本研究结果显示，在70dB SPL噪声干扰下，女性发声强度增加、音频下降、平均气流率改变不大，而男性此三者均有改变。

本研究结果可见，噪声干扰下男女声门阻力均显著提高，但男性响亮发声时声门阻力仍较女性舒适发声时声门阻力小，结合男、女间平均气流率变化的差异，提示男性响亮发声的代偿能力较女性强。但即便如此，由于受试者的发声效率均超过正常范围，声带损伤的风险增加。可见如长期处于噪声环境下，以响亮发声代偿噪声干扰的人群出现声带损伤的几率更大，女性尤为明显。

1 Sarvashima M，Kiritani S，Sehimoto S，et al.The airway interruption technique for measuring expiratory air pressure during phonation［J］.Ann Bull RILP，1983，17：23.

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3 Jiang J，Stern J.Receiver operating characteristic analysis of aerodynamic parameters obtained by airflow interruption：a preliminary report［J］.Ann Otol Rhinol Laryngol，2004，113：961.

4 Zhuang P，Sprecher AJ，Hoffman MR，et al.Phonation threshold flow measurements in normal and pathological phonation［J］.Laryngoscope，2009，119：811.

5 石义生.中国人喉声襞及室襞的测量［J］.中华耳鼻咽喉科杂志，1984，2：82.

6 Jiang J，Lin E，Hanson DG.Vocal fold physiology［J］.Otolaryngol Clin North Am，2000，33：699.

7 Zhao Y，Jurafsky D.The effect of lexical frequency and Lombard reflex on tone hyperarticulation［J］.J Phon，2009，37：231.

8 Winkworth AL，Davis PJ.Speech breathing and the Lombard effect［J］.J Speech Lang Hear Res，1997，40：159.

9 杨宝琦，程俊萍.空气动力学在测试呼吸与发声关系中的临床应用［J］.听力学及言语疾病杂志，2000，8：152.