乐音协和性感知的脑电信号分析

丁 凡，何 穆

（1.中国传媒大学传播声学研究所，北京 100024；2.北部湾大学，广西 钦州 535011）

0 引言

音乐是一种表达情感的听觉艺术。作曲家通过不同音高的排列组合，可以表达出千万种不一样的情感。音程作为音乐最基本的元素，只需要两个乐音的组合就可以营造出协和与不协和的感觉［1］。不论从诱发情感的多样性来说，还是对不同人群判断诱发情感的一致性，音程都是音乐中较合适的研究对象。这种情感的诱发是通过听觉、神经学和心理学共同作用的。各个学科也做出了一些音程协和性理论的解释，如音乐学的和声理论和心理学的音乐期待理论［2］。这些解释大多都是从主观感知的角度出发，缺少客观的数据加以说明［3］。脑电信号作为人脑神经元活动的综合表现［4］，可以从客观层面观察由于听觉协和与不协和所引起的大脑皮层能量变化的趋势，是一种理想的客观检测方法。

本实验利用脑电信号分析技术，对12 名被试听不同协和性的音程时脑电波功率的变化进行记录与分析，最后得出被试在听不同协和性音程时脑电波的变化规律。此外，实验也为听音时心理情绪变化提供了客观生理数据。

1 实验设计

实验刺激信号是小二度、小三度、增四度、大三度、纯五度和纯八度6 种乐音音程。其中，前3种音程为较协和音程，后3 种是较不协和音程。协和程度的关系为纯八度纯五度大三度小三度小二度增四度［5］。乐音音程都使用大提琴录制，根音基频110 Hz，各信号的基频具体如表1 所示。每个音频信号时长5 s，两信号中间间隔5 s 静音段。实验开始后，预留30 s 静音段让被试调整状态，并记录其在无任何刺激下的脑电作为参考值。刺激信号开始后，要求被试闭眼，以减少视觉刺激对脑电波的影响。实验在消声室进行，选用监听音箱作为乐音播放设备（频响范围50～15 000 Hz），距离人耳处声压级为（78±2）dBA。被试者为12 名中国传媒大学传播声学研究所的研究生，平均年龄（22±1.5）岁，惯用手都为右手，均接受过听音训练（可以听出音程的协和性区别）。

表1 试验用的音频信号各频率

脑电信号通过NCERP 系列脑电记录仪记录，共连接Fp1、Fp2（对应左右额区）、F3、F4（对应左右顶枕区）、T3、T4（对应左右颞区）、头中央参考点Cz 和接地点GND 共8 个电极导联位置。电极导联位置，如图2 所示。电极位置的选择参考Brodmann 头部导联位置功能。这些位置具有各种听觉和情感功能，如Fp1和Fp2区域是处理非语言类刺激和听觉幻想的作用［6-7］。连接时使用导电膏将阻抗调节至10 kΩ 以下，数据记录采样频率为128 Hz。通过NCERP 系列脑电仪记录的脑电波节律（脑电波功率谱密度函数）有θ波段（4～8 Hz）、α波段（8～14 Hz）、β（LF）波段（14～20 Hz）和β（HF）波段（20～35 Hz）共4 种。

2 数据处理

数据处理包括原始脑电信号数据的处理和得到的脑电波数据统计分析。原始脑电信号通过Matlab EEGLab 工具箱进行滤波、去伪迹以及参考校正等手段，得到安静闭眼环境与听音程状态下各个脑部地区功能区各波段的功率谱密度。后续统计分析主要通过方差检验与相关样本t检验检验听各种音程信号时脑电波各波段功率的变化情况，前提已检验了12 名被试各状态下各频段脑电波功率谱为正态分布。图2～图5 为Fp1位置的正态分布结果，其余导联位置相似。其中，方差检验与相关样本t检验的显著性水平统一设定为p＜0.05，统计分析选用SPSS 软件。

3 结果分析

实验测量了12 名被试前额区（Fp1、Fp2）、顶枕区（F3、F4）和颞区（T3、T4）3 个脑功能区各个频段的脑电波功率谱密度。将听音程时记录到的各位置各频段脑电波功率谱密度与安静闭眼状态记录到的进行相关样本t检验，结果如表2 所示。

3.1 前额区

由表2 可知，听音程信号相较于安静状态下在额区的脑电波变化较为明显。无论是听哪种音程，Fp1与Fp2位置的α波功率都会有显著性增加，β（LF）与β（HF）有增加的趋势但增加的效果呈减小趋势。在Fp1处有5 种音程的β（LF）有显著性增加，即小二度、小三度、大三度、增四度和纯八度；在β（HF）仅有3 种音程有显著性增加，即小二度、大三度和增四度。同样，Fp2处有4 种音程的β（LF）有显著性增加，β（HF）为2 种音程有显著性增加。纵向对不同协和度的音程进行比较，对安静闭眼状态、协和音程以纯八度为例，不协和音程以增四度为例，进行方差检验分析，以验证其对各频段脑电波的影响作用是否相同，结论如表3 所示。

由表3 可知，安静状态、听协和音程以及听不协和音程时的脑电波具有显著性差异。在Fp1区的θ、α和β（LF）波段有显著性差异，在Fp2波段则只有θ波段有显著性差异，类似于Rebecca 等人研究的一般人在对音乐感知时左脑能量强于右脑的结论［8-9］。对3 种协和音程与3 种不协和音程分别相互进行相关样本t检验，结果如表4～表7 所示。协和与非协和的脑电波差异主要表现在α和β（LF）波段。相较于听协和的音程，听不协和音程时的α和β（LF）波功率有增大趋势。特别是最协和的纯八度，相较于最不协和的增四度显著性最明显。

表2 6 个地区各频段听音状态与安静状态脑电波功率t 检验结果表

表3 Fp1、Fp2 区域3 种状态不同频段脑电波方差检测

表4 协和与非协和音程θ 节律t 检验

表5 协和与非协和音程α 节律t 检验

表6 协和与非协和音程β（LF）节律t 检验

表7 协和与非协和音程β（HF）节律t 检验

3.2 顶枕区

类似于前额区的分析方法，对顶枕区做相同的分析。如表2 所示，与安静状态相比，顶枕区各波段总体也是呈增长趋势，且随着脑电波频段的增加，整体增长形势下降的规律愈加明显。例如，F4区域6 种音程的θ波段都有显著性增加，α波段则只有纯五度无显著变化，β（LF）波段的纯五度、小二度和小三度都无显著变化，β（HF）则只有纯八度有显著性差异，其他音程均无显著变化。纵向对安静状态、听最协和的纯八度、听最不协和增四度进行方差检验，结果如表8 所示。F3区域θ波段和α波段有显著性差异，F4区域仅α波段有显著性差异。相关样本t检验互相比较3 种协和与3 种不协和音程，发现听协和音程比不协和音程在α波段处功率有增大趋势，其他频段处未出现明显趋势。

表8 F3、F4 区域3 种状态不同频段脑电波方差检测

3.3 颞 区

由表3 可以看出，颞区的变化相较于前额区和顶枕区增加的不太明显。除了有几种音程在θ和α波段有显著性增加外，两种波段都没有显著性变化。T4区域的α波也只有在听大三度时有显著性差异。对安静时、听协和的纯八度与听不协和的增四度3种状态进行方差检验，结果如表9 所示。3 种状态下无论哪个频段的脑电波功率都没有显著性差异，即无论音程协和与否都不会使脑电波功率有增大或减小的趋势。

表9 T3、T4 区域3 种状态不同频段脑电波方差检测

4 结语

此次实验选择乐音音程作为刺激诱发脑电信号变化，探究音程情感色彩对脑电信号的影响。实验发现，相较于平静状态，不同乐音音程对不同频段的脑电波平均功率变化有显著性影响。无论是协和或非协和音程，乐音音程会使被试前额区和顶枕区域的θ、α和β（LF）波段平均功率产生显著性增加的趋势；听不协和的音程比听协和的音程在α 波段和β（LF）波段的平均功率也会有显著性增大的趋势；颞区对协和与非协和音程不敏感，各频段脑电波平均功率无显著性变化。

音乐与情绪的关系已被研究了很长的时间，随着脑电技术的出现与发展，用大脑的脑电信号研究音乐可以揭示出人们聆听音乐的脑部处理音乐的方式，从而对音乐影响情绪的机理作出进一步的客观解释。此方法在情绪检测及智能调节方面都有很大的潜力，在音乐治疗等领域也有着很大的价值空间。