中小学生汉语普通话单元音特征的动态分析

刘亚丽，孟子厚

(中国传媒大学 传播声学研究所，北京 100024)

中小学生汉语普通话单元音特征的动态分析

刘亚丽，孟子厚

(中国传媒大学 传播声学研究所，北京 100024)

以中小学生群体为研究对象，考察了不同性别及年龄下该群体汉语普通话单元音的发展特点。结果表明：(1)性别及年龄对汉语普通话单元音特征具有一定的显著性影响；(2)随年龄增长，中小学生单元音共振峰频率值逐渐减小并收敛于成年人相对应的单元音位置；(3)不同年龄及性别下的单元音声学三角形趋近于相似三角形。

中小学生；汉语普通话；共振峰；语音习得

1 引言

元音是语音学中最基本的概念之一，共振峰是元音重要的声学特性，其中第一和第二共振峰对元音起到重要作用[1]。针对元音习得问题[2-8]，国内外已开展了一系列儿童元音发展研究。尽管现有研究成果，丰富了元音习得的基础理论，推动了相应研究方向的发展，但不可避免的仍存在一些问题，如对英语元音习得研究较多，汉语普通话元音习得较少、对儿童元音习得研究较多，其它年龄段研究较小。而语言学习是一个动态的过程，不同年龄段的人在语言习得过程中体现不同的特点。并且大多数现有研究选取的实验对象样本数量相对较小，使得实验结果在一定程度上欠缺统计意义。

6-16岁的中小学生群体(小学一年级至初中三年级)，无论是心理认知还是生理上皆处于快速成长成熟的阶段，是语言学习的重要阶段，而当前针对该阶段学生元音的发展变化的研究相对较少。

本文选取这个阶段的中小学生群体为研究对象，测量分析了该群体普通话单元音共振峰频率值，对比了不同性别及年级下，不同单元音的前两个共振峰的发展变化；借助绘制的各年级单元音声学三角形，观察了随年龄的增长，中小学生汉语普通话元音系统的整体分布及相对位置的变化情况。

2 语音样本采录

2.1 录音对象

选取1至9年级(小学一年级至初中三年级)的中小学生作为实验对象，年龄分布在6-16岁，共270人(女生131人，男生139人)。其中，各年级学生平均年龄相差1-2岁左右，G1为1年级，依次类推，详细分布情况见图1。本文的汉语普通话大学生群体的相关数据来自文献[9]。

图1 中小学生各年级详细分布情况

2.2 录音信号

每个学生在安静的室内环境下录制了60个小于音节的独立组合单元(声母、韵母)，选取其中10个单元音作为测量对象，见表1。录音采样率为44.1KHz，16bit量化。

表1 单元音

2.3 样本信号处理

首先经人工听辨语音信号，剔除其中明显发音错误的样本信号。由于小学生群体没有接受过专业训练，有些音不能单独发出，所以要求他们发对应的注音字(见表1)，然后在数据整理时通过人工切分得到所测量的单元音。10个单元音共选取了2776个语音样本，采用语音分析处理软件Praat提取语音样本的前三个共振峰频率值(F1-F3)，并对其进行人工修改和三倍标准差检验得到单元音共振峰频率有效数据。

3 单元音共振峰

经测量得到了9个年级学生男女生单元音共振峰的统计平均值。本文分别列出了1、5和9年级学生的数据，见表2-4。图2-5分别绘制了10个单元音随年级增长的变化趋势。

从表中的数据可以看出，10个单元音的共振峰分布结构各不相同，就同一个单元音而言，女生前三个共振峰普遍高于男生相对应的前三个共振峰。

表2 1年级男女生单元音共振峰统计均值和标准差(Hz)

续表

表3 5年级男女生单元音共振峰统计均值和标准差(Hz)

表4 9年级男女生单元音共振峰统计均值和标准差(Hz)

结合表2-4和图2-5可知，随着年龄的增长，共振峰逐渐降低，但在3、4年级及8年级左右时出现波动，并且不同的单元音表现并不一致。

进一步与文献[9]中的大学生组男女生对比发现，未成年中小学生男女生各单元音共振峰数值显著高于对应的成年组，这与发声生理机制是紧密相关的[5]。

图2 男生单元音F1随年龄的变化趋势

图3 男生单元音F2随年龄的变化趋势

图4 女生单元音F1随年龄的变化趋势

4 单元音声学三角形

声学三角形是按照客观测量得到的前两个共振峰频率绘制的，反映了整个声腔共振特性[1]。为了简单直观的观测各年级下的中小学生单元音特征的动态变化，依据测量得到的三个基础元音[a i u]的前两个共振峰频率值，分别绘制了中小学各年级男女生单元音声学三角形，见图6-7(其中，F1为纵坐标，方向朝下；F2为横坐标，方向朝左；SM为大学生群体，S1为中小学生群体，本文以下同义)。

分析图6和图7可知，单元音声学三角形清晰的展现元音系统随年级及性别的变化情况，具体表现为：

图6 各年级男生单元音声学三角形对比

图7 各年级女生单元音声学三角形对比

① 1年级学生(6岁左右儿童)的单元音整体框架及元音相对位置基本稳定，已经与大学生组相似；

② 在不同性别下，随年级增长相比于大学生组，后高圆唇元音[u]位置较为稳定；央低不圆唇元音[a]和前高不圆唇元音[i]的F1总体增高，F2总体减小，但有阶段性的波动。

进一步分析发现，① 同一性别下，随年龄的增长，单元音声学三角形以[u]元音为稳定点，整体向右上移动逐渐趋近于成年组相对应的单元音位置，且声学三角形面积逐渐减小。② 随年龄的增长，对比男女生单元音三角形发展趋势，女生较之男生元音三角形向大学生组对应单元音位置移动速度较快且更为平稳，体现出了一定的性别差异。③ 随着年龄的增长，在单元音声学三角形变化过程中出现了一定的波动性，男生组表现为8年级单元声学三角形面积大于7年级，以及3年级大于2年级；女生组表现为8年级大于7年级，以及4年级大于3年级。

图8是所有年级男女生单元音前两个共振峰的统计平均值及相对应的大学生组的对比分布。

图8 不同学生组单元音声学三角形对比

分析图8可以看出；① 无论是中小学生组还是大学生组，女生单元音声学三角形大于男生；② 同一性别下，未成年组大于成年组；③ 不同年龄组男女生单元音声学三角形彼此趋近于相似三角形。

以上分析结果表明：未成年学生随年龄增长，单元声学三角形面积逐渐减小且向成年组对应单元音位置收敛，然而在不同的年龄下出现了一定的波动性，说明普通话元音特征呈现出波动性的动态发展趋势，也即单元音习得过程的动态性。

男女生单元音的共振峰结构显著不同，同一性别下不同年龄段学生的共振峰结构也有所差异，但是在听感上可以听辨为是同一元音。此外，各年龄组及不同性别下单元音三角形高度的相似性，体现了元音特征的某种共性，同时也反映出习得过程中元音系统的稳定性。

5 单元音特征分析

文献[9]提出可将单元音前三个相邻共振峰的比值F2/F1和F3/F2作为不变特征，反映单元音系统的共性。本文借鉴该文献[9]的思路，提取不同年龄男女生的单元音前三个相邻共振峰的比值，进一步探讨单元音的不变特征。图9-10给出了9个年级及对比成年组不同性别下的10个单元音前三个相邻共振峰的比值F2/F1以及F3/F2；图11为不同性别下9个年级所有学生单元音前三个相邻共振峰比值的统计平均及对比大学生组分布情况(横轴为10个单元音，纵轴为前三个相邻共振峰的比值)。

图9 中小学男生各年级前三个共振峰之比

图10 中小学女生各年级前三个共振峰之比

图11 中小学男女生平均前三个共振峰之比

结合图9-11分析可知，各年级中小学生男女生的F3/F2和F2/F1彼此十分接近，并与大学生男女生同样十分接近。这种不同年龄及性别下的单元音F3/F2和F2/F1的高度相似性，进一步证实了可将其作为不变特征是有一定的根据和合理性的。同时，从声学参数角度体现了单元音系统的稳定性。

以上实验结果的根本原因与发声生理机制是密不可分的[5]。元音的产生与肺部器官、生带、口腔、鼻腔、咽腔及舌等密切相关，是一个个生理过程的体现，而每一个过程在物理层面就是一系列的声学特征。鉴于中小学生群体正处于快速成长成熟的发育时期，无论从心理认知、知识储备等方面，还是发音器官和感受器官的发展变化等方面，必然会不同程度地制约元音的习得。因此，因年龄、性别及个体成长的差异性引起了单元音习得过程的波动性的动态发展特点，同时人类发音器官的构造的一致性体现了元音系统的稳定性。

6 小结

本文分析了6-16岁中小学生在不同性别下随年级增长汉语普通话单元音特征的发展趋势，主要结果为：

(1)未成年组单元音共振峰频率值高于成年组，且女生组高于男生组；

(2)随年龄的增长，男女生单元音声学三角形面积不断减小且逐渐收敛于成年组对应的单元音位置，且女生收敛速度及稳定性高于男生；

(3)年龄及性别对于单元音特征具有一定的显著性影响；

(4)单元音前三个相邻共振峰的比值F3/F2和F2/F1可作为元音不变特征。

总而言之，中小学生汉语普通话单元音语音习得过程是一个具有一定波动性的动态发展过程，而在动态发展的过程中受人类生理发音器官的一致性制约又保持了元音系统的相对稳定性。

[1]林焘，王理嘉.语音学教程[M].北京：北京大学出版社，2010.

[2]石锋，温宝莹.汉语普通话儿童的元音发展[J].中国语文，2007，(5)：444-479.

[3]Eguchi S，Hirsh I J.Development of speech sounds in children[J].Acta Oto-laryngologica，Suppl，1969，257：1-51.

[4]Lee W S，Zee E.Acoustic development of vowels in children’s speech[C].Proceedings of 2010 7th International Symposium on Chinese Spoken Language Processing (Taiwan)，2010：358-363.

[5]Kent R D.Anatomical and neuromuscular maturation of the speech mechanism：evidence from acoustic studies[J].Journal of Speech and Hearing Research，1976，19：421-447.

[6]Andrew C Y.The Acquisition Process of Cantonese Phonology-A Case Study[D].M Phil Thesis，University of Hong Kong，1992.

[7]Bushy P A，Plant G L.Formant frequency values of vowels produced by preadolescent boys and girls[J].Journal of the Acoustical Society of America，1995，97：2603-2606.

[8]Lee S，Potamianos A，Narayanan S.Acoustics of children’s speech：Developmental changes of temporal and spectral parameters[J].Journal of the Acoustical Society of America，1999，105：1455-1468.

[9]孟子厚.单元音共振峰不变特征的初步分析[C].中国声学学会，2006年全国声学学会会议论文集，2006.

DevelopmentalChangesofVowelSpectralPropertiesforPrimaryandMiddleSchoolStudents

LIU Ya-li，MENG Zi-hou

(Communication acoustics laboratory，Communication University of China，Beijing 100024，China)

To study the developmental changes in spectral properties of the vowels for Mandarin-speaking children，270 children aged from 6 to 16 years old are studied.The result shows that：(1) the vowel formants frequencies decrease gradually and reach adult range with increases in age.(2) The age-related with the same native-language or the native-language-related developmental changes in vowel formant values are inconsistent because of different vowel categories.(3) The vowel triangles area for the vowels in F1-F2 plane gets smaller to converge to adult range with age increasing.(4) The ratios of F2 to F1 and F3 to F2 for the vowels can be used as the unchanged acoustic features to represent the similarities in the developmental changes of the vowel production.

Mandarin vowels；formant frequencies；vowel triangles；acoustic development；Mandarin-speaking children

2013-05-03

国家自然科学基金项目(11174267)

刘亚丽(1984-)，女(汉族)，河北保定人，中国传媒大学博士.E-mail：pear-1984@163.com

TN912.34

A

1673-4793(2013)04-0016-06

(责任编辑：王谦)