言语空气动力学技术及应用

**章 绪 论 语音学是语言学的主要分支学科，主要研究语音的本质和产生机制。随着科学技术的发展和经济水平的提高，越来越多的生理仪器被运用于语言研究当中，言语生理研究已成为语音研究的一个重要方面。言语气流在发音过程中起着重要作用，在实验语音学言语空气动力学研究中，通过采集发音时的气流和气压等信号来探索发音器官的变化，尤其是声带、声腔等不易被观察到的发声器官已成为一种有效的实验手段。言语空气动力学作为一门阐释言语发声动力的学科，对解释言语发声机理和推进语言声学的进一步深化研究具有重要理论价值。 **节 实验语音学研究概况 一、实验语音学的产生概况 语音学作为语言学的一个重要分支，主要研究人类语音的发声机制，以及语音在传递和接收过程中的特性及其变化规律。语音学按照研究内容的不同，可以分为声学语音学、生理语音学和认知语音学，分别研究语音的物理现象、生理现象和感知现象。语音学涉及的学科领域有很多，主要有语言学、医学、声学、心理学和计算机科学等。语言是人与人之间相互沟通、相互交换思想感情的工具，是人类交流的主要手段。语言以人体的呼吸器官发声为基础，通过各发音器官的相互调节产生语音，*终成为一种重要的交际和思维工具。语言在人类进化的历程中扮演着重要角色，在人类社会的发展中发挥了重要作用。人类和动物的主要区别之一是，人类有语言能力，而动物不具备。具备语言能力作为人类的一大重要特征，主要取决于人类的发音器官。在语言产生之后，经过漫长的发展，用于记录语言的文字系统产生了，为记载语音和研究语言奠定了基础。 语言研究具有悠久的历史，西方语音学研究从印度开始，早在两千多年前就有古希腊和古罗马学者从哲学角度对语言问题展开了辩论。20世纪是语言学迅速发展的时期，语言学家索绪尔（Ferdinand de Saussure）的语言学思想对现代语言学的发展具有重要影响，他将语言看作一种符号系统，成为现代语言学的理论基础。哥本哈根学派受索绪尔语言学思想的影响，L. 叶尔姆斯列夫（Louis Hjelmslev）认为，音系行为所关系到的模式与范畴不受语音的制约，并认为应当将语言从物理层面的声音和心理层面的语义中抽象出来，并排除社会和语言历史演变因素的制约，重在研究语言内部结构。布拉格学派在接受索绪尔理论的同时，将语言的结构和功能相结合，提出语言是多动能的结构体系。布拉格学派从功能的观点出发，认为语言是为一定目的服务的表达手段，根据表达对象的不同，语言的功能可分为交际功能和诗歌功能。布拉格学派建立的音位学说，为语音学研究奠定了良好的研究基础。音位体系被定义为可以用来区别词汇意义和语法意义的音位对立的综合。后来，结构主义学派强调研究语言的结构与系统，并在语法和语音结合的基础上建立了语素音位，语素音位是指由出现在语素变体的音位所组成的语音单位。20世纪50年代，美国语言学家诺姆 乔姆斯基（Noam Chomsky）运用转换生成理论研究语言，以语法研究为目的，并对生成音系学进行研究。以乔姆斯基为代表的转换生成学派，强调对人类的语言能力进行解释，其研究影响了包括语言学在内的多个学科领域，如计算机、人工智能、心理学、生物学和神经科学等学科领域。 随着语音学近年来的迅速发展，该学科与其他相关学科的联系更为深入，研究手段和研究方法也更为广泛和多样。在语音学研究过程中，越来越多的研究者借助计算机、医学、心理学和其他相关领域的仪器设备来研究语音产生的过程、语音发声的生理特征、语音的声学特性和人脑对语音的感知，由此逐渐形成了实验语音学这门综合性的边缘学科。实验语音学借助实验仪器分析语音的物理现象和言语产生的发音生理，从语音的本质解释语言学中的各种问题，从而丰富了语言学的学科内容、促进了语言学相关领域的学科发展。实验仪器在语音研究中的应用，在前人研究语音的基础上有了很大提升，“前人操术弗精，工具不备，或蔽于成见，或囿于方音，每致考古功多，审音功浅。自近代语音学兴，而后分析音素，可用音标以济汉字之穷；解决积疑，可资实验以补听官之缺；举凡声韵现象，皆可据生理物理讲明。从兹致力，庶几实事求是，信而有征矣”（钱玄同等，2009）。随着计算机科学的发展，实验语音学的研究手段和方法不断丰富，从而促使声学语音学从定性的主观描写向定量的客观分析转变。实验语音学研究领域大致可划分为三个方面，分别是声学语音学、生理语音学和感知语音学。其中，声学语音学研究声音在空气中传播的物理特性，对提取的声学参数进行分析量化；生理语音学研究言语产生的生理机制，从言语呼吸气流的产生、声带的振动、发音器官的肌肉活动情况和声腔对语音的调节等方面研究语音；感知语音学研究语音经过空气传播并进入人耳之后，通过听觉神经系统被感知的整个过程。实验语音学在发展过程中，早期主要借助一些物理仪器对语音的物理属性进行研究，如用圆筒模拟共鸣腔来产生元音。还有一些语言学家按照研究需要自己设计语音研究仪器，*为典型的就是刘复在法国学习时期研制的声调推算尺，用于当时对语音音高的研究。后来在语音生理研究方面，研究者利用医学设备对语音产生的生理特征进行研究，如用X射线技术研究舌位运动和口腔空间大小变化的情况等。随着计算机的普及和信息技术的发展，为满足语音工程学科的需要，实验语音学的研究转向物理声学领域，从而保证了语音识别的准确率和语音合成的自然度。声学语音学利用计算机，通过实验设计采集语音信号，语图仪和动态声谱仪将可听到的声音变为可以观察到的语图，为分析语音提供了很大的便利。同时，生理语音学方面也有了很大的进展，研究者可通过声门摄影、声门信号采集等方法对声带振动情况进行研究。磁共振技术和脑电系统的出现为语音研究又提供了一系列新方法，从而丰富了感知语音学和神经科学研究。近年来，很多可用于语音研究的医学设备开始出现，还有一批医学设备专门被用于语音研究设备的研发，给实验语音学的研究提供了更多的新方法。尤其在语音生理研究方面，电子声门仪（electroglottograph，EGG）、声门高速摄影、磁共振可用于研究语音产生时的声带振动和发音器官的运动情况；气流气压计、呼吸带传感器和鼻流计可用于研究在发音过程中的气流、呼吸以及口鼻流的变化情况；动态电子腭位仪器（electropalatography，EPG）、电磁发音仪（electromagnetic articulograph，EMA）、B超检测仪可用于研究在发音过程中共鸣腔的调节和舌腭接触情况；脑电记录仪、事件相关电位（event-related potentials，ERP）技术、眼动仪、肌电采集系统和功能磁共振系统可用于研究语音产生过程中的神经机制、大脑对语音的理解、大脑对语义的加工等方面。因此，从语音学发展来看，实验语音学作为一门交叉学科，不仅给语音学研究带来了新的方法和手段，还极大地促进了相关学科领域的整体发展。 二、汉语实验语音学研究概况 中国先秦时期的“小学”是早期关于语言文字的学问，从文字、音韵和训诂学三个领域研究语言。春秋战国时期的名辩思潮开始从语言的本质出发对语言进行研究，主要探讨了语言的功能，以及词义与客观事物之间的关系。汉语语音研究*早可以追溯到音韵学研究，音韵学作为“小学”学习内容之一，与现代意义上的语音学不同，汉语音韵学是研究汉语历史语音的一门传统学科，而语音学则是一门研究各种语言的语音及其各个方面的现代科学。*早的汉语现代语音研究起始于1924年，刘复先生在北京大学国文系建立“语音乐律实验室”，标志着中国的现代语音学进入了系统、科学的研究阶段。其中具有代表性的著作为刘复的《四声实验录》，它是中国*早使用语音实验仪器来研究汉语方言声调的著作，其中包括12个地方的方言。后来，罗常培、周殿福和吴宗济先生使用语音实验仪器来研究语音，先后出版了《临川音系》《普通话发音图谱》等著作。1978年，中国社会科学院语言研究所在语音实验小组的基础上成立了语音研究室，北京大学中文系由林焘先生主持恢复建立了语音实验室。1979年夏，美国华裔语言学家王士元先生应邀在北京大学讲授实验语音学课程。20世纪90年代，北京大学中文系语音实验室举办了**届“现代语音学研讨会”，成为我国历史上**次全国性的语音学大会，对我国语音学的发展起到了积极的推动作用。20世纪70年代到21世纪初，相关学者出版了很多语音学著作，对普通话生理和声学进行了大量的研究，如《汉语普通话单音节语图册》《实验语音学概要》等著作，标志着我国的实验语音学已有所发展并逐渐走向成熟。近年来，我国的语音学已经发展到一个比较繁荣的时期，研究领域广，研究方法新，涵盖了声学语音学、生理语音学、语音工程、语音韵律、认知语言、心理语音、司法语音、语音教学、方言语音和民族语音研究等领域。 在汉语语言学的发展过程中，为了探求语音的本质，诞生了实验语音学。在汉语语言学学科之中，实验语音学同样是一个重要分支，与传统语音学的口耳相传不同，其试图利用实验手段，研究人类语言从说到听的整个过程。在研究过程中，研究者提出了很多前所未知的语音现象，进而对传统语音学的理论和解释予以证实和修正。汉语实验语音学的研究范围一般有三个方面：研究人的语音产生机制，包括声带的振动、呼吸的过程、肌肉的活动和声腔在发音时的变化情况，属于生理语音学；研究语音的发出、语音在空气中传播的物理特性，属于声学语音学；研究语音被人感知、人对语言进行理解和加工，属于感知语音学。在实验语音学的发展过程中，早期的语言学家借助医疗器械，如喉镜、X射线和假腭等来分析人发音的动作，以及使用浪纹计、录音机来研究语音的声学特性，后来应用了更多的实验仪器，如腭位照相、语图仪和X射线等，来研究言语产生的生理机制和声带的声学特性。随着近年来科学技术的发展，大批专门用于语音研究的设备出现了，而且借助了医学研究的高端设备，给实验语音学的发展带来了强大的动力。在研究言语产生的生理机制方面，常使用的语音设备有电子声门仪和声门高速摄影，这两种设备用于研究人在发声时的声带振动情况；PAS，用于研究发声时呼吸过程中气流和气压的变化情况；动态电子腭位仪，用来研究发音过程中的舌腭接触情况；电磁发音仪，用于研究发音器官的运动情况；等等。为研究人类语言的认知和神经机制，研究者常使用事件相关电位技术、眼动仪、肌电仪（electromyogram，EMG）和生物电放大器等设备，使实验语音学的研究从生理和声学的层面扩展到言语认知研究的层面。作为一门交叉学科，实验语音学具有重要的理论价值和应用价值，其研究对语音教学、语音合成、语音识别、声纹司法鉴定和言语病理学等学科有着重要的影响。 第二节 言语空气动力学研究概况 一、言语空气动力学的概念 与其他动物相比，人类能够产生用于交际的语言。这种能够用于交际的语言不再是简单的吼叫声，而是由呼吸系统和各发音器官相互配合产生的。语言中的任何一个音的产生都是一个复杂的生理过程，都是通过各发音器官的协调作用产生的。语音产生过程中，气流发挥了重要的作用。声带的振动离不开肺部呼出气流的参与，气流对声带的冲击作用也是声带振动的重要因素之一。由于人类发音器官具有局限性，人类必须通过不同的发音方法对发音过程中的气流进行调节和控制，才能够产生其所能听到的不同音色的声音。 通常情况下，除了对声学本身的物理特性进行研究之外，对语音的研究主要是对声源的研究，如对声带振动模式和声门开合情况的研究等，往往忽略了对伴随声音的气流的研究。因此，为了全面研究语音的特征，除了对声音本身的研究和声源的研究之外，还应该对伴随语音产生时的气流特征进行研究。研究语音产生过程中气流的模式及其参数特征的学科被称为“言语空气动力学”。 空气动力学属于力学的分支学科，主要是研究物体在与空气相对运动时的受力情况、气流的流动规律和与之相伴随的物理、化学变化过程，目前主要被应用于航空工业和航天技术等领域。对空气动力学的研究*早出现在17世纪中后期，如荷兰物理学家克里斯蒂安 惠更斯（Christiaan Huygens）计算出物体在