言語氣流氣壓信號研究方法

呂士良 西北民族大學(xué)中國民族信息技術(shù)研究院 中國民族語言文字信息技術(shù)教育部重點實驗室

一、引言

人類在發(fā)音的過程中，與動物發(fā)音有很大區(qū)別，主要在于人類能夠產(chǎn)生用于交際的語言。人類語言的語音、詞匯和語法都有著完備的系統(tǒng)性。語音體系中，不同的音色、音高、音長和音強(qiáng)可以區(qū)別不同的語音。[1]通過呼吸系統(tǒng)、喉部、口腔和其他發(fā)音器官的相互配合，在對氣流的調(diào)節(jié)過程中，對語音的各參數(shù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而產(chǎn)生出不同的語音。

在發(fā)音過程中，氣流從肺部呼出，經(jīng)過氣管到達(dá)聲門。氣流的沖擊作用下使聲帶產(chǎn)生振動，從而產(chǎn)生聲門信號。聲門信號經(jīng)過口腔、鼻腔和咽腔的共鳴作用產(chǎn)生不同的音色。最后經(jīng)過唇部產(chǎn)生出不同的語音，主要包括元音和濁輔音。[2]在此過程中氣流在口腔中的阻礙程度、時間、摩擦程度和受阻礙方式，影響著清輔音的發(fā)音過程。

氣流在發(fā)音器官中的變化情況復(fù)雜，氣流的調(diào)節(jié)可以造成發(fā)音變化。因此語音研究過程中，除了對語言發(fā)聲和聲源信號的研究之外，也應(yīng)當(dāng)關(guān)注伴隨發(fā)音過程中產(chǎn)生的氣流。實驗語音學(xué)中的言語空氣動力學(xué)，主要是對語音產(chǎn)生過程中的氣流氣壓特征進(jìn)行研究。[3]

二、言語氣流和氣壓信號

語音的差異在生理層面主要是通過調(diào)節(jié)發(fā)音器官和控制氣流來實現(xiàn)，語音四要素中音高的調(diào)節(jié)主要與聲帶的振動有關(guān)，發(fā)音時長的控制和聲音的強(qiáng)弱與發(fā)音生理機(jī)制的關(guān)系較大。主要包括嗓音的發(fā)聲、發(fā)音中呼吸氣流的控制和共鳴腔的調(diào)節(jié)。喉部作為發(fā)音體，主要是在氣流的動力下將動能轉(zhuǎn)化為語音能量，肺部呼出的氣流成為聲帶振動的主要動力，同時也為氣流摩擦成聲和發(fā)音的爆破起到了關(guān)鍵作用。[4](見圖1)

言語氣流信號主要反映了發(fā)音過程中氣流量的大小和氣流的速度。氣流量越大、氣流速度越快、成阻時間越長會造成發(fā)音過程中的強(qiáng)爆破。語音的送氣與否作為一種重要的發(fā)音方法，在輔音發(fā)音中分為送氣音和不送氣音兩大類。任何語音的發(fā)音都需要氣流參數(shù)，元音和濁輔音發(fā)音時聲帶產(chǎn)生振動，同樣有氣流呼出，只是不具備明顯的區(qū)別特征。

言語氣壓信號是發(fā)音過程中，氣流在發(fā)音器官積聚過程中產(chǎn)生壓強(qiáng)大小。主要是輔音在口腔內(nèi)構(gòu)成阻礙時的壓力和無阻礙時的氣流強(qiáng)度。通常用水銀(汞)柱的高度來表示氣壓的大小，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓等于760 毫米高的水銀柱重量。國際上通常用“百帕”作為氣壓的單位，通過汞柱和水柱的換算，1 千帕等于10 厘米水柱(1kPa=10cmH2O)。言語氣壓信號同樣使用cmH2O 作為計量單位。

除了氣流氣壓信號之外，通過語音、氣流和氣壓信號還可計算出其他相關(guān)參數(shù)，如呼出氣流量、氣流速度、最大氣流速度、最大氣壓值、平均氣壓值、空氣動力學(xué)功率、空氣動力學(xué)阻力和發(fā)聲效率等。[5]

三、實驗設(shè)備和實驗流程

言語氣流氣壓的研究，在國外20世紀(jì)30年代就有專門針對聲門和氣流關(guān)系的研究，國內(nèi)是由在20世紀(jì)80年代瑞典皇家理工的學(xué)院的方特教授引進(jìn)。后來我國語音學(xué)研究中，采用言語氣流氣壓的研究方法，對普通話、方言和民族語研究中均有成果產(chǎn)出。

目前用于言語氣流氣壓的設(shè)備，主要使用能夠采集人體呼吸的醫(yī)療設(shè)備和針對于研究開發(fā)的語音設(shè)備。主流的設(shè)備主要由以下五種：

1.SciconRD Pcquirer：是由美國加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)，設(shè)備包括采集設(shè)備、鼻面罩、口面罩和壓力傳感器等。設(shè)備有相關(guān)配套軟件，可同時采集5 通道的數(shù)據(jù)，采集到的各個通道數(shù)據(jù)采用獨立保存的方式，也可統(tǒng)一保存為多通道的文件格式。

圖1 言語氣流和氣壓信號圖

2.Kaypentax PAS：由美國Kaypentax公司開發(fā)，目前通用的型號為PAS6600。該設(shè)備主要用于醫(yī)療診斷的呼吸測試和評價，信號采集中口流和鼻流不分開，信號采集較為便攜。可同時采集語音、氣流和氣壓三通道信號，優(yōu)點在于配套軟件可以自動計算和提取參數(shù)，較適用于言語空氣動力學(xué)研究。

3.glottal ms110：由美國的Glottal 公司生產(chǎn)制造，可以同時采集兩通道信號。兩通道信號能夠隨意組合，如口流和鼻流，口壓和鼻壓。該設(shè)備口流和鼻流分開，氣流和氣壓信號通過面罩壓力傳感器采集。有配套的采集和分析軟件，信號采集有時長限制，適用于單音節(jié)和較短的語流信號采集和分析。

4.glottal NVS：與glottal ms110 都為Glottal Enterprises 公司研制生產(chǎn)，NVS 設(shè)備將口腔和鼻腔兩部分信號分開，通過隔板將口和鼻分開，上下為感壓麥克風(fēng)，適用于鼻流和口流的對比研究。

5.Laryngograph EGG-D800：由Laryn gograph 生產(chǎn)，可以采集8 通道信號，口流與鼻流部分開，可測量鼻震動和鼻音能量，并同時采集語音、氣流和氣壓信號。

實驗流程主要包括以下幾個方面：

(1)制定總體方案：總結(jié)現(xiàn)有的研究成果和研究經(jīng)驗，針對實驗?zāi)康脑O(shè)計實驗方案。實驗方案設(shè)計過程中要充分考慮實驗?zāi)康模x取合適的發(fā)音人。因年齡、性別和肺活量等因素會對實驗造成影響，都需要進(jìn)行充分考慮。

(2)設(shè)計發(fā)音文本：在設(shè)計好實驗方案之后，根據(jù)研究對象的特征，設(shè)計信號采集用的發(fā)音文本，如單音節(jié)詞、多音節(jié)詞、句子、篇章等。

(3)采集信號：采集過程中，使用氣流氣壓和語音設(shè)備進(jìn)行，為降低實驗數(shù)據(jù)誤差，需要對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。采集時還需進(jìn)行簡單的發(fā)音訓(xùn)練，使發(fā)音人了解實驗流程和發(fā)音時的呼吸控制。根據(jù)發(fā)音文本控制好采集時間，保證信號采集質(zhì)量。

(4)信號預(yù)處理：信號采集完成后，需要對信號進(jìn)行分類保存。剔除采集誤差較大的信號，篩選質(zhì)量較好的信號用于后期分析。主要看氣流信號是否完整，氣壓信號是否與發(fā)音過程一致。

(5)信號標(biāo)記：按照研究內(nèi)容對需要提取的信號進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記通常采用設(shè)備配套的軟件來完成。對標(biāo)記有困難的信號，可以參考語音波形判斷語音的起始位置。

(6)提取參數(shù)：對標(biāo)記的信號進(jìn)行提取所需參數(shù)，提取過程中，需要注意標(biāo)記的元音或輔音位置，按照音位或者音節(jié)、句子保存為獨立參數(shù)文件。

(7)統(tǒng)計分析：參數(shù)提取按照研究對象和研究內(nèi)容完成，建議將提取后的參數(shù)保存在Excel 表格中，使用Excel 或SPSS等統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，最終得出實驗結(jié)果。