言语气流气压信号研究方法

吕士良 西北民族大学中国民族信息技术研究院 中国民族语言文字信息技术教育部重点实验室

一、引言

人类在发音的过程中，与动物发音有很大区别，主要在于人类能够产生用于交际的语言。人类语言的语音、词汇和语法都有着完备的系统性。语音体系中，不同的音色、音高、音长和音强可以区别不同的语音。[1]通过呼吸系统、喉部、口腔和其他发音器官的相互配合，在对气流的调节过程中，对语音的各参数产生影响，进而产生出不同的语音。

在发音过程中，气流从肺部呼出，经过气管到达声门。气流的冲击作用下使声带产生振动，从而产生声门信号。声门信号经过口腔、鼻腔和咽腔的共鸣作用产生不同的音色。最后经过唇部产生出不同的语音，主要包括元音和浊辅音。[2]在此过程中气流在口腔中的阻碍程度、时间、摩擦程度和受阻碍方式，影响着清辅音的发音过程。

气流在发音器官中的变化情况复杂，气流的调节可以造成发音变化。因此语音研究过程中，除了对语言发声和声源信号的研究之外，也应当关注伴随发音过程中产生的气流。实验语音学中的言语空气动力学，主要是对语音产生过程中的气流气压特征进行研究。[3]

二、言语气流和气压信号

语音的差异在生理层面主要是通过调节发音器官和控制气流来实现，语音四要素中音高的调节主要与声带的振动有关，发音时长的控制和声音的强弱与发音生理机制的关系较大。主要包括嗓音的发声、发音中呼吸气流的控制和共鸣腔的调节。喉部作为发音体，主要是在气流的动力下将动能转化为语音能量，肺部呼出的气流成为声带振动的主要动力，同时也为气流摩擦成声和发音的爆破起到了关键作用。[4](见图1)

言语气流信号主要反映了发音过程中气流量的大小和气流的速度。气流量越大、气流速度越快、成阻时间越长会造成发音过程中的强爆破。语音的送气与否作为一种重要的发音方法，在辅音发音中分为送气音和不送气音两大类。任何语音的发音都需要气流参数，元音和浊辅音发音时声带产生振动，同样有气流呼出，只是不具备明显的区别特征。

言语气压信号是发音过程中，气流在发音器官积聚过程中产生压强大小。主要是辅音在口腔内构成阻碍时的压力和无阻碍时的气流强度。通常用水银(汞)柱的高度来表示气压的大小，一个标准大气压等于760 毫米高的水银柱重量。国际上通常用“百帕”作为气压的单位，通过汞柱和水柱的换算，1 千帕等于10 厘米水柱(1kPa=10cmH2O)。言语气压信号同样使用cmH2O 作为计量单位。

除了气流气压信号之外，通过语音、气流和气压信号还可计算出其他相关参数，如呼出气流量、气流速度、最大气流速度、最大气压值、平均气压值、空气动力学功率、空气动力学阻力和发声效率等。[5]

三、实验设备和实验流程

言语气流气压的研究，在国外20世纪30年代就有专门针对声门和气流关系的研究，国内是由在20世纪80年代瑞典皇家理工的学院的方特教授引进。后来我国语音学研究中，采用言语气流气压的研究方法，对普通话、方言和民族语研究中均有成果产出。

目前用于言语气流气压的设备，主要使用能够采集人体呼吸的医疗设备和针对于研究开发的语音设备。主流的设备主要由以下五种：

1.SciconRD Pcquirer：是由美国加州大学洛杉矶分校开发，设备包括采集设备、鼻面罩、口面罩和压力传感器等。设备有相关配套软件，可同时采集5 通道的数据，采集到的各个通道数据采用独立保存的方式，也可统一保存为多通道的文件格式。

图1 言语气流和气压信号图

2.Kaypentax PAS：由美国Kaypentax公司开发，目前通用的型号为PAS6600。该设备主要用于医疗诊断的呼吸测试和评价，信号采集中口流和鼻流不分开，信号采集较为便携。可同时采集语音、气流和气压三通道信号，优点在于配套软件可以自动计算和提取参数，较适用于言语空气动力学研究。

3.glottal ms110：由美国的Glottal 公司生产制造，可以同时采集两通道信号。两通道信号能够随意组合，如口流和鼻流，口压和鼻压。该设备口流和鼻流分开，气流和气压信号通过面罩压力传感器采集。有配套的采集和分析软件，信号采集有时长限制，适用于单音节和较短的语流信号采集和分析。

4.glottal NVS：与glottal ms110 都为Glottal Enterprises 公司研制生产，NVS 设备将口腔和鼻腔两部分信号分开，通过隔板将口和鼻分开，上下为感压麦克风，适用于鼻流和口流的对比研究。

5.Laryngograph EGG-D800：由Laryn gograph 生产，可以采集8 通道信号，口流与鼻流部分开，可测量鼻震动和鼻音能量，并同时采集语音、气流和气压信号。

实验流程主要包括以下几个方面：

(1)制定总体方案：总结现有的研究成果和研究经验，针对实验目的设计实验方案。实验方案设计过程中要充分考虑实验目的，选取合适的发音人。因年龄、性别和肺活量等因素会对实验造成影响，都需要进行充分考虑。

(2)设计发音文本：在设计好实验方案之后，根据研究对象的特征，设计信号采集用的发音文本，如单音节词、多音节词、句子、篇章等。

(3)采集信号：采集过程中，使用气流气压和语音设备进行，为降低实验数据误差，需要对设备进行校准。采集时还需进行简单的发音训练，使发音人了解实验流程和发音时的呼吸控制。根据发音文本控制好采集时间，保证信号采集质量。

(4)信号预处理：信号采集完成后，需要对信号进行分类保存。剔除采集误差较大的信号，筛选质量较好的信号用于后期分析。主要看气流信号是否完整，气压信号是否与发音过程一致。

(5)信号标记：按照研究内容对需要提取的信号进行标记，标记通常采用设备配套的软件来完成。对标记有困难的信号，可以参考语音波形判断语音的起始位置。

(6)提取参数：对标记的信号进行提取所需参数，提取过程中，需要注意标记的元音或辅音位置，按照音位或者音节、句子保存为独立参数文件。

(7)统计分析：参数提取按照研究对象和研究内容完成，建议将提取后的参数保存在Excel 表格中，使用Excel 或SPSS等统计分析软件进行统计分析，最终得出实验结果。