基于praat工具的歌唱声学分析及其在教学中的应用

关 晴

基于praat工具的歌唱声学分析及其在教学中的应用

关 晴

福建幼儿师范高等专科学校艺术系

音乐是有赖于声音振动这一物理现象而存在的，因此人们对声音的本性、声音各个侧面的特性以及声音振动的前因后果的认识和理解，就影响到人类创造音乐时运用物质材料、物质手段的技术、技巧、艺术水平，也影响到人类认识自己的听觉器官对声音、音乐的生理、心理感受与反应的正确与深刻程度。该文主要对歌唱声音共振进行分析，以期为声乐教学实践提供一个量化分析的研究渠道。

音乐声学 共振峰 教学应用

1 概述

“音乐声学”(Musical Acoustics)亦称“音乐音响学”，是着重从声学角度研究音乐音响的科学。音乐声学是声学的分支，关注于研究和描述音乐的物理性质——如何让声音作为音乐作品。音乐声学研究领域的例子如乐器的功能、人声（语音和歌唱的物理学）、旋律的计算机分析，以及在音乐治疗中的临床应用音乐。

当两个不同的音场一起播放的同时，他们的声波互相交流，在空气压力的高点和低点相互加强，从而产生不同的声波。其结果是，任何给定的声波比正弦波更复杂地可以通过适当的频率和振幅（频谱）的许多不同的正弦波来模拟，人类听力设备（由耳朵和大脑组成）通常可以找出这些声音。当两个或多个音调播放一次，空气压力的变化在耳边“包含”各自的间距，人耳和脑分离并解码分成不同的色调。

真正的乐器都是接近周期性的，但泛音的频率稍微不完美，所以波的形状随时间略有变化。由于音乐是有赖于声音振动这一物理现象而存在的，因此人们对声音的本性、声音各个侧面的特性以及声音振动的前因后果的认识和理解，会影响到人类创造音乐时运用物质材料、物质手段的技术、技巧、艺术水平，也影响到人类认识自己的听觉器官对声音、音乐的生理、心理感受与反应的正确与深刻程度。

音乐声学包括一般声学、听觉器官的声学、乐器声学、嗓音声学、音律和谐的声学、室内声学等六大部分。在《中国大百科全书·音乐舞蹈卷》中有关嗓音声学的定义[1]是：“就其涉及人体器官的生理状态而言，嗓音声学也可归属广义的生理声学，但它与听觉器官的生理声学本质上不同，所研究的并非声音感受过程中的，而是发声过程中的生理声学问题。仿照乐器声学的分析方法，人类发声器官亦可从能源、声源、共振、扩散四个结构要素来讨论。”

嗓音接纳的能源来自内脏对肺内空气的压力，但造成压力的运动部位并不在肺而当在下腹(丹田)。声源是由声带(喉)的状态形成的，但紧靠着它的共振腔是从声带到口腔、鼻腔末端之间的管道(咽)，管道的一定口径与长度使空气分子得以充分参与共振，咽与喉的状态配合是发声器官良好工作状态的核心。随后，口腔内的空气分子当然也参与共振，但这已服从于歌词的元音、辅音的吐字，其功能已非旨在增大音量的共振，而是给咽喉传来的音波附加特定元音、辅音所应具备的“频谱共振峰”，随即扩散，把声波送到远处。运用发声器官的技巧必须包括而应加以训练的方面很多，诸如：音域的伸展，真假声的选择互补，换声区的平顺过渡，气息长短缓急的控制，音量强弱幅度的扩大与调节的灵活，音色的变化，吐字的清晰准确，音准节奏的掌握等等。古往今来各民族各地区的不同唱法与不同声乐学派，都备有独特的运声方法，积累了丰富的实践经验，但由于人声器官构造的复杂性，作为一门音乐学学科的嗓音声学至今尚在革创时期[2]。

2 歌手共振峰

Gunnar范特将共振峰定义为“声音的声谱的谱峰”。在语音学和语音，共振峰也被用来指人的声道的声共振。它经常被表示为声音频谱振幅的峰值，使用谱图或频谱分析器测量。在声学上，它指的是一个在声音包络和在声源，特别是乐器中的峰值，以及该声室的谐振。任何房间，可以说有一个共振峰独有的特定的房间，因为声音可能反弹不同在其墙壁和对象的方式。这种性质的房间共振峰通过强调特定的频率和吸收体现。

歌手共振峰的研究始于巴塞洛缪，限于许多历史和技术的原因，尽管巴塞洛缪没有给出相应的歌手共振峰声点，但随后西方国家在关于声乐的研究中给出了歌手共振峰的范围：男性出现在2800～2900Hz，而女性共振峰在3200Hz。

在巴塞洛缪之后，许多学者对歌手共振峰进行了研究，如Aipaerman、克兰德尔、范纳德等。其中瑞典声学专家桑德伯格获得的成就最为杰出，他在论文《歌声的声学》（出版于1977年3月《科学美国人》），是研究歌唱共振峰的重要文件。论文指出：“一流歌剧歌手的声音具有独特的地方，他们不会谈论艺术造诣，只是声音本身可以让一个训练有素的歌手打动观众，他们的声音可以穿透乐团、达到处在宏伟音乐厅另一端的观众的耳朵里，但二流的，或从未受过训练的歌手，那么唯一的可能只是产生嘶哑的效果。这难道只是训练的问题吗？”[3]随后，桑德伯格分析这个问题：发音器官包括肺、喉、咽、鼻和嘴。喉、咽和口腔共同构成了通道，它是一个谐振腔，像喇叭管或钢琴和小提琴。发音者的嘴唇、下巴、舌头和喉咙等确定信道的形状。嘴唇、下巴的变化，舌头的位置，还可以使通道延长或缩短，撅起的嘴唇或咽喉低应力可以使通道捉襟见肘。声带的冲击产生气流声源的声音，它是说唱原始的材料，是一个复合的声音，从音调（频率由振动声带测定）和组合物的泛音，每个谐波倍频程的幅度均匀地削弱12分贝。当共鸣音频率和一个符合腔的频率，声音被放大时的声音的频率与共振频率不符合腔体，声音会衰减。有四个或五个频道这样一个重要的腔，称为共振。共振峰频率是由声道的形状来确定，例如，成年男性的声道约17.5厘米长，其歌唱时第一个峰值一般接近500Hz，第二个共振峰接近1500Hz，第三共振峰接近2500Hz，第四共振峰接近3500Hz。如果信道稍微较长或较短，它的基本频率为稍低或更高。静态压力振荡的振幅在声门的最大值和振幅的嘴唇变得最小，相当于1/4的一个最低谐振峰波长，也就是1/4波长的信道精确地重合。更改通道三个机关的形状，它们是下巴、舌身和舌尖。下巴开启了第一共振峰的频率，起着决定性的作用，它可以通过缩小声门使声道的另一端在嘴唇扩大，第二共振峰和舌头的形状有关，第三共振峰和舌头的位置有关。

3 共振峰产生的原因

桑伯格认为歌手共振峰的产生是由于喉头的降低造成的。当喉头放低时，发声通道的音响适合于产生一个额外的共振峰。通过计算可以得出，假如喉头到咽部的出口面积小于咽部横断面面积的1/6，喉头与发声通道的其余部分在音响上的配合是正当的，它有一个自己的振动频率，这个频率和发声通道的其余部分无关。当喉头放低时，这个1/6的共振频率是可能产生。这种喉头放低使得咽腔底部扩张的做法，使得放低了的喉部共振频率在2500~3000Hz之间，也就是在正常第三和第四共振峰频率之问，这个位置，恰好是歌手共振峰出现的地方。

从人耳的生理效应而言，根据前苏联学者德米特里耶夫的研究，掌握歌手共振峰的歌唱者，鼻副窦参与了共鸣，此时歌唱者颅骨的面骨部有强烈颤动感，好像歌声发白头中。而人耳恰恰对这段频率十分敏感，因而加大此段音量能给听众造成巨大声学效果，而喉肌能力耗费却不大。再者，从人的生理角度考虑，人外耳道的长度接近3厘米。根据共振频率的计算公式，以声音在空气中的传播速度为344米／秒，那么f1 = c/(4l)= 344/(4×0.03)=2867(Hz)，从计算的结果可以看出，外耳道的第一共振频率对2800Hz附近的泛音予以共鸣放大，这使得人耳对2800Hz频率附近的泛音格外敏感，所以，当歌唱者的声音能量集中在此频率区域时，声音极富有穿透性。

4 结束语

音色作为乐音属性的四要素之一，是能够将音高、音强和音长都相同的两个音区别开来的一种声音属性。从音乐声学角度而言，音色的变化与谐音列结构以及起始状态密切相关，人歌唱时发出的声音，主要与谐音列结构有关。歌唱音色的异同与谐音的数量和每个谐音的强度有关。一般的规律为谐音越多，声音越丰满、圆润；高频谐音越多、能量越强，音色听起来越明亮，反之音色则黯淡；中、低频基音如果较突出，音色听起来比较“厚”。

歌手共振峰作为研究歌唱音色的一个重要参量，是指男声出现在2800~2900Hz；女声出现在3200Hz范围的共振波峰。训练有素的歌唱家由于具有歌手共振峰，可以增强歌唱者嗓音的明亮度和穿透力，使得歌声可以穿透大乐队，突出在乐队之上，而不被乐队伴奏或其它音响所淹没。

[1] 庄元．当代中国音乐声学研究述要[J]．中国音乐学，2005(2)：116．

[2] 中国大百科全书·音乐舞蹈[M]．北京：中国大百科全书出版社，1989.

[3] Johan Sundberg．The Acoustics of the singing Voice[J]．Scientific American，1977(3)：82-91．