歌唱呼吸特征的实验研究

张锦玉

一、引 言

声乐艺术是文学语言和音乐语言有机结合的产物，歌唱中的语言是在生活语言的基础上提炼、加工、发展而来的，语言是声乐的基础［1］1，13，语言和音乐密不可分。不管是音乐语言还是文学语言，它们均包含相似的物理性质、生理性质和社会性质。［2］从语音学角度来看，语言和音乐都是由人类发声器官发出的语音现象，它们之间既有相同之处，又有差异之处。首先在生理上，言语和歌唱都由众多呼吸肌群参与，都是由大脑皮质语言区的语言和歌唱神经中枢所控制，由发音器官和共鸣器官相互协调而发声。［3］87-89但是，说与唱在口咽腔动作特点、气息运动情况、呼吸肌群的对抗状态等方面又是不同的。［1］13-21，［3］31

从声学角度来看，言语和歌唱都由随时间展开的连续事件构成，并且可通过相同的参数，如音高、时程、响度等来表示其音韵学特征；口语韵律边界的基频移动、时程信息、边界前音节延长以及停顿的插入实现等参数也是音乐的边界标记。［4-6］不过，受韵律、语法、语义等影响的言语在音高、时长、轻重等方面往往有一套特殊的规则，如 “音高下倾”［7］、轻重音规则［8］，［9］97-198，［10］161，这些声学规则对于受旋律控制的歌唱则不起主要作用。此外，歌唱与说话的音域也不同，日常说话的音域窄一些，而歌唱中假声的使用使音域拓宽很多，大体上是两个或两个半八度，个别可以达到三个八度或更宽。［3］118

认知神经科学的研究也证明了言语和音乐在认知加工上的相似点：原来被认为是反映语言中句法加工的Broca区，在音乐认知中也被激活［11］；语言中常出现的P600以及早期左侧负波在音乐中也有体现［12］；而对语言和音乐中短语边界的认知加工研究也表明，口语中反映语调短语中止的CPS（closure positive shift，中止正漂移）在音乐旋律边界的感知中也被诱发出来，说明人们对音乐和语言短语边界的加工有相似的潜在过程［4］。

可见，歌唱和言语既有区别又有联系，研究歌唱时的呼吸特征并将其与言语呼吸作比较不但可以揭示不同发声状态下人类呼吸的变化特征，而且也有助于为歌唱教学提供一定的参考。

二、实验说明

1.实验材料和被试

本实验的材料为歌曲 “向天再借五百年”中的一段 （见图1）。该歌曲为4／4拍旋律，实验语料共包含16个小节。

图1 实验材料词谱

参加该实验的被试共5名，均为男性，年龄在24—27岁之间。被试均无呼吸疾病和言语障碍，录音时均未患有影响发音的感冒等疾病。实验前，被试要充分练习本段实验材料，歌唱达到熟练程度后，再以正常速度歌唱，此时即进行语音和呼吸记录。

2.实验仪器及数据采集

本实验数据的采集分为声学数据和呼吸数据两部分，呼吸数据的采集利用美国BIOPAC公司生产的MP150数据采集系统3.0版。语音文件的录制与呼吸数据的采集同步进行。录音使用Audacity软件录制。之后，使用Praat软件和Acqknowledge软件对材料进行标注，并对声学数据和呼吸数据进行提取。

3.参数说明［3］

图2是一段呼吸曲线，曲线中的上升段表示吸气，下降段表示呼气。利用Acqknowledge软件，我们可以得到某段呼吸的峰值坐标Pn（Tp，Cp），峰前谷值Vn-1（Tvn-1，Cvn-1），峰后谷值Vn（Tvn，Cvn）。那么，本实验使用的主要参数均可由以上坐标数据计算得出。即：

由于不同被试呼吸幅度的绝对值不同，因此本文中的呼吸幅度均换算为Feng Shi等提出的呼吸度 （H值）［13］，即：

H＝ （P-Vmin）／ （Pmax-Vmin）

其中，P为某点的呼吸幅值，Pmax为最大峰值，Vmin为最小谷值，H即为该点的呼吸度。H值越大，呼吸度越大，呼吸幅度也越大；H值越小，呼吸度越小，呼吸幅度也越小。

我们还发现，呼吸曲线的斜率可以综合反映呼吸中时间与幅度的关系以及呼吸的变化情况，因此本文将呼吸斜率作为考察的敏感指标和主要参数。吸气斜率和呼气斜率分别用Ki和Ke表示，公式为：

Ki＝Ci／Ti＝ （Cp-Cvn-1）／ （Tp-Tvn-1） Ke＝Ce／Te＝ （Cp-Cvn）／ （Tvn-Tp）

其中吸气曲线均为上升状曲线，其斜率为正，斜率值越大，吸气速度越快，坡度越陡；呼气曲线均为下降状曲线，其斜率为负，斜率值越小，呼气速度越快，坡度越陡。为了方便，本文均采用斜率的绝对值进行比较。

图2 呼吸曲线示例

呼吸参数计算完成后，使用Excle、SPSS软件对不同类别参数分别进行统计、作图。

三、歌唱呼吸的特征分析

1.歌唱呼吸曲线的形状及特点

正如说话有节奏群一样，歌唱也有节奏。不过，说话时的节奏受句法、韵律、语义等因素的控制；而歌唱的节奏主要受旋律的控制，我们称之为 “旋律群”。但是，旋律群与歌曲的节拍单位 （即小节）并不完全对应，受歌唱者生理因素以及歌唱表达的需要，旋律群往往是可以跨越不同节拍单位的。比如，在本研究中我们发现，歌唱材料共包括16个小节，而根据被试歌唱的实际状况，旋律群实际上只有8个，它们跨越甚至切分了乐谱中的小节。如图3中，横线下的 （1）、（2）……表示歌唱中的旋律群，它们都跨越了不同的小节，而且将第2、6、10、14小节分割开来，使之归属于不同的旋律群。可见，旋律群实际上是在乐曲节拍单位的规约下，根据表达的需要，对节拍单位进行拆分整合的结果。

人类发声时主要的动力都来源于呼吸，歌声的发出和旋律的实现更是离不开呼吸的调节。因此，歌唱中的旋律群必然与呼吸单位有着密切的联系。从五位被试的呼吸曲线来看，呼吸曲线严格按照乐谱上的旋律分为八个明显的呼吸段落。这些呼吸段落多数是比较大的呼吸单位，一般对应于呼吸群①呼吸群是呼气段表现为全呼吸的段落，呼吸段是呼气段表现为半呼吸的段落，呼吸节是呼气段表现为微呼吸的段落。［13］，也有一部分对应于呼吸段，但基本没有呼吸节这类比较小的呼吸单位。就单个呼吸段落来说，它是一个旋律单元的呼吸体现，一个旋律群内的音节都出现在一个呼吸群之内。因此旋律群的边界也是呼吸群的边界，它们的对应很整齐。由图4可见，不同被试歌唱时的呼吸曲线一致性较强，大多数都表现为单峰型曲线，比较整齐。

图3 旋律群与节拍单位对应图

图4 某两位被试歌唱时的呼吸曲线

2.歌唱呼吸的吸气参数分析

在日常说话中，句与句之间要停顿，句子内部不同部分之间也需要根据韵律、语法、语义、语用等因素加以停顿。与言语停顿相似，歌唱中的停顿多数是由换气 （也即吸气）引起，也可能是由屏气引起；所不同的是，歌唱停顿是受旋律控制的。歌唱中的换气一般是在一个乐句之后进行，有时为了加强语气、渲染气氛，在某一字或某一音上也要停顿换气。［1］137换气在呼吸曲线上对应于上升的部分，下面我们将具体考察歌唱过程中换气的各呼吸参数及其特征。

首先，从停顿的位置来看，歌唱中的停顿不一定严格出现在韵律边界或语法、语义边界，而是常常出现在完整乐句后、换气符号、休止符、较长节拍的末尾或旋律群的边界处，有时也根据歌唱表达的需要出现在某一特定的字或音之后。如图5，“风雨”是 “面对”的宾语，朗读时，停顿必然在 “风雨”之后；而在歌唱中，受旋律的影响，换气出现在 “风雨”之间，“雨”归属于第二个旋律群。同理，后一句 “我的”在朗读时应与前面 “苍天赐给”归属于一个节奏群；而在歌唱中，“我的”则由于旋律的约束而被分开，“我”属于前一个旋律群，“的”属于后一个旋律群。可见，歌唱换气、停顿主要是受旋律和情感表达影响的，尽管有时也参考语义的因素，但总的来说与语言学层面的关系较远。

图5 某位被试歌唱换气 （吸气）位置图

表1 歌唱吸气参数表

从时长上看 （见表1），吸气过程的持续时间基本在0.55s—0.85s之间。具体来看，小旋律群 （奇数旋律群）后的吸气时长短于大旋律群 （偶数旋律群）后的吸气时长，前者大致分布在0.55s—0.70s之间，后者则大致分布在0.70s—0.85s之间，它们分别相当于言语朗读时呼吸段和呼吸群层级的吸气长度。这与旋律群节奏、语义和情感的完整性、连续性有关。

从吸气幅度上来看，呼吸幅度一般都很大，基本都在0.40以上，全呼吸①峰谷差的H值在0.5以上的为全呼吸，0.2-0.5之间的为半呼吸，0.2以下的为微呼吸。［13］较多。歌唱中的吸气幅度也与旋律群的大小有关，大旋律群之后的吸气幅度较大，小旋律群之后的吸气幅度较小，前者H值多在0.50以上，后者基本在0.40—0.50之间。对歌唱中的吸气时长与幅度的相关分析显示，两者在0.01的水平上显著正相关，r＝0.573＊＊，sig.＝0.000，说明当吸气时长大时，吸气幅度也大；当吸气时长小时，吸气幅度也小。

从斜率上看，歌唱吸气斜率多半在0.7以上，陡升②Ki在0.8左右的为陡升型曲线，Ki在0.6左右的为缓升型曲线，Ki在0.3左右的为平升型曲线。［13］所占比重很大，吸气速率很快。快速率的吸气既满足了快速补充气体的要求，又满足了歌唱连续性及减小停顿的要求。总的来看，吸气斜率也与旋律群的大小存在一定关系，大旋律群后的吸气斜率大，小旋律群后的吸气斜率小。对吸气斜率与吸气时长、幅度的相关性分析表明，斜率与时长无显著相关关系 （r＝0.056，sig.＝0.750），而与吸气幅度在0.01的水平上存在显著的正相关关系，r＝0.833＊＊，sig.＝0.000。

此外，我们还发现，乐谱重复的旋律群，如旋律群1与5、2与6、3与7，它们后面出现的吸气段的各项参数都比较接近 （见图6）。这说明，被试在唱相同旋律群的时候，采取的吸气策略是大致相同的，这反过来也保证了相同旋律群所表现出的整齐性和重复性。

3.歌唱呼吸的呼气参数分析

（1）歌唱呼吸的呼气时长分析。

图6 各旋律群后吸气参数示意图

影响歌唱呼吸时长的因素非常多，如生理因素、旋律因素、情感因素等，其中旋律和节拍是非常重要的，节拍长则字长长，呼气时间也长；节拍短则字长短，呼气时间也短。比如：在前四个旋律群中， “山、伏2、线、原、国、南”等处在韵律短语和语调短语边界处的字并未如朗读时那样发生延长，而是受到旋律节拍的影响，呼气时长表现大不一样。另外，乐曲中轻声字受节拍支配，有时甚至会长于非轻声字。

由实验数据可知，一般说来，半拍的字长约在0.2s—0.4s之间，一拍在0.3s—0.5s之间，一拍半在0.5s—0.65s之间，两拍在0.6s—0.8s之间，三拍在0.8s—0.9s之间。可见，不同节拍之间字的呼气时长不一定是整数倍的关系，而是存在一定范围的交叠，但总的来说，各拍节字长的分布还是集中在某一特定区域内的，彼此间可以大致区分开来。此外，我们还发现，由于受到旋律的支配，相同节拍下的字的呼气时长基本一致，且旋律中的字长比例也随着节拍的变化而变化，比较规整。我们进一步对相同旋律群内的字的呼气时长作相关分析，结果显示，具有相同节奏的奇数旋律群在0.01的水平上显著正相关，相关性系数均在r＝0.750以上；具有相同节奏的偶数旋律群也在0.01的水平上显著正相关，相关性系数均在r＝0.600以上。这说明，相同旋律群内字的呼气时长一致性很强，所表现出的时长变化也是一致的。

从旋律群的呼气时长上看，它们大概分布在2.5s—3.5s之间 （见图7）。具体来看，奇数旋律群的呼气时长较短，各旋律群的时长非常接近，平均为2.58s；偶数旋律群的呼气时长较长，各旋律群的时长也非常接近，平均为3.16s。奇数旋律群与偶数旋律群之间的呼气时长差异则是由实际拍数的不同而造成的。这表明，歌唱呼气的时长是受旋律控制的，相同旋律下的呼吸群呈现出倾向于稳定、等长的特征。

（2）歌唱呼吸的呼气幅度分析。

就歌唱时各音节的呼气幅度来看，它们也随旋律节拍的变化而有不同的表现。大体说来，音节的节拍越长，它所对应的呼气幅度越大；音节的节拍越短，它所对应的呼气幅度越小。一般来说，半拍音节的平均呼气幅度约为0.04，一拍约为0.10，一拍半约为0.12，两拍约为0.16，三拍约为0.22。相邻节拍单位的呼气幅度可能存在一定的交叠，但总体上还是各有分布，彼此可以区分开来。

受到旋律的支配，相同节拍下音节的呼气幅度趋向一致，且旋律中音节呼气幅度的比例也随着节拍的变化而变化，比较整齐；相同旋律群内所表现出的音节呼吸幅度变化也是一致的。奇数旋律群具有相同的节奏旋律，它们的呼气幅度变化规律较为一致；偶数旋律群也具有相同的节奏旋律，它们的呼气幅度变化也比较一致。相关分析显示，奇数旋律群在0.01的水平上显著正相关，相关性系数均在r＝0.700以上；偶数旋律群在0.01和0.50的水平上显著正相关，相关性系数分别在r＝0.600和r＝0.450以上。这说明具有相同旋律的旋律群，其内部音节呼气幅度的一致性很强。

图7 各旋律群的呼气时长图

由于旋律群是由旋律群内部的各音节构成的，所以某旋律群所对应的呼气幅度也就大致等于该旋律群内各音节的呼气幅度之和。从旋律群的呼气幅度上看，它们的H值大概分布在0.4—0.8之间 （见图8）。具体来看，奇数旋律群的呼气幅度较小，各旋律群的幅度比较接近，平均呼气幅度为0.424；偶数旋律群的呼气幅度较大，各旋律群的幅度分布较为离散，彼此间相差有一定的幅度，但偶数旋律群的幅度全部大于奇数旋律群的幅度，平均为0.655。奇数旋律群与偶数旋律群之间的幅度差异也与歌唱时的实际拍数有关。这表明，歌唱呼气的幅度也是受旋律控制的，相同旋律下的旋律群呈现出倾向于稳定、等幅的特征。

（3）歌唱呼吸的呼气斜率分析。

图8 各旋律群的呼气幅度图

总的来看，旋律群各音节在呼气中没有陡降型呼气曲线，缓降和平降居多，其中又以斜率为0.1—0.25的缓降型曲线为主，约占总数的78.8%。从节拍与呼气斜率的关系上看，两者关系不明显。但是，歌曲中各音节的呼气斜率却与音节所处的位置有关：大致说来，一段旋律中前边音节的斜率较小，越往后越大。呼吸群边界处末音节的呼气斜率较大，前面的相对较小。

此外，在歌唱呼吸中，相同旋律群的呼气斜率变化有相似的表现。相关分析结果显示，奇数旋律群彼此间有较强的一致性，表现为：在0.01的水平上，各奇数旋律群呼气斜率的相关系数都在r＝0.550以上；而偶数旋律群彼此间的一致性弱一些。因此，总体来看，与呼气时长和幅度不同，相同节拍下各音节的呼气斜率没有较固定的值；但是，受到旋律的支配，相同旋律群内所表现出的音节呼吸斜率变化有一定的相似性，比较整齐。

对整个旋律群呼气斜率的考察表明，总体来看，各旋律群的呼气斜率基本在0.15—0.25之间，属于缓降型呼气曲线，小于朗读时呼吸群的平均斜率 （见图9）。具体来看，奇数旋律群的呼气斜率较小，各旋律群的斜率相对比较接近，范围都在0.20以下，平均呼气斜率为0.168；偶数旋律群的呼气斜率都大于其前部的奇数旋律群，各旋律群的斜率分布较为离散，部分大旋律群的呼气斜率在0.20之上，甚至高于0.25，其平均呼气斜率为0.210。这表明，歌唱呼气的斜率与旋律群的大小、位置及旋律完整性有关，相同旋律下的旋律群呈现出较为一致的呼气特征。

图9 各旋律群的呼气斜率图

四、歌唱呼吸与言语呼吸的对比分析

Feng Shi等 （2010）、笔者 （2012）曾探讨过呼吸在话语节律中的表现及其与韵律、语义的关系。［13-14］我们认为，话语呼吸节律与自然呼吸节律不同，呼气和吸气曲线的各参数以及曲线类型均与韵律单位等级有着密切的关系，说明话语呼吸的升降变化是人们在说话时话语结构、话语意义以及情感表达的伴随现象。尽管歌唱呼吸与言语呼吸都受思想、意识和感情的控制，但歌唱呼吸受乐曲旋律的影响而表现出与一般言语发声呼吸不同的特点。

1.歌唱与言语呼吸曲线形状的比较

图10 歌唱、平静、言语三种任务下的呼吸曲线图 （自上而下）

由图10可见，歌唱呼吸曲线的形状特点是整齐的单峰型曲线，这与平静呼吸曲线有相似点，但呼气相与吸气相的时长比例却不同：平静呼吸时的呼气与吸气的时长比例较为接近，而歌唱呼吸的呼气相明显长于吸气相。与言语呼吸曲线相比，歌唱和言语呼吸曲线都表现为呼气相长于吸气相。但其不同在于：首先，言语呼吸曲线中的呼吸群峰型多样，有单峰型也有多峰型，而歌唱呼吸曲线的呼吸群更多地表现为单峰型，且比较整齐；其次，不同被试在歌唱时的呼吸曲线形状比言语时的一致性更强，说明受旋律控制，被试歌唱呼吸的自我发挥空间受到限制，不似言语时多变；再次，受乐曲中旋律重复现象的影响，歌唱呼吸中若干个大旋律群的呼吸曲线具有准周期性重复的特点，而言语呼吸曲线中则没有这种情况；最后，歌唱中的呼吸群、呼吸段一般比较固定地对应于乐曲中的某个旋律群，这在言语呼吸中非常少见。

此外，歌唱旋律群与朗读节奏群的另一个明显不同在于：它并不是与韵律、语法、语义结构完全对应，而是受乐曲旋律的支配。因此，韵律、语法、语义等语言学层面的规则一般较少影响到旋律组块的划分，音乐层面上的旋律群与语言层面上的节奏群是不一定对应的，“跨界”的现象也比较常见。

2.歌唱与言语呼吸过程及参数比较

由表2可见，言语和歌唱状态下的吸气参数是有差异的。具体表现在：（1）从吸气时长上看，歌唱呼吸群和呼吸段的长度都短于朗读，说明歌唱换气的时间被压缩得更短；（2）从吸气幅度上看，歌唱呼吸群低于朗读，而歌唱呼吸段高于朗读，说明较朗读状态来说，歌唱吸气幅度在各呼吸段落间更为接近；（3）从吸气斜率上看，歌唱呼吸群与朗读基本相等，呼吸段大于朗读，说明歌唱换气时的吸气速率较快。可见，歌唱吸气的参数反映了歌唱时的吸气特点，即吸气时间短、速率大、幅度稳定，这保证了歌唱过程中气流的稳定、充足和歌唱的连续性。

表2 歌唱与朗读呼吸参数比较（朗读呼吸的数据来自于参考文献［13］）

在呼气过程中，歌唱呼吸群时长比朗读呼吸群的时长长出1秒，呼吸段时长几乎是朗读时的2倍。这说明，受旋律和表达的控制，歌唱的发声时长要远远长于朗读的发声时长，这样才能保证歌唱的流畅性和连续性。从呼气幅度上看，歌唱呼气幅度与朗读呼气幅度相近，歌唱呼吸群稍小于朗读，歌唱呼吸段大于朗读。这与两者在吸气幅度上的表现是一致的。因此，从呼气和吸气两方面来说，歌唱吸气幅度比朗读时的变化性小，各旋律群间的呼吸幅度更为稳定。在呼气斜率上，歌唱的都小于朗读的，基本都表现为缓降。歌唱呼气斜率的数据分布比较集中，其规律性、一致性更强，这保证了一段旋律中呼吸的平衡性和持续性。所以，较之朗读，歌唱时的呼气特点为：呼气时间长、速率小、幅度稳定。

由上述呼吸参数可知，一般说来，与言语朗读相比，等量的字数在歌唱时的呼气时长更长，而吸气时长更短；在斜率上，吸气时歌唱大于朗读，呼气时歌唱小于朗读。这说明歌唱吸气时要吸得快而轻，呼气时要呼得慢而稳。［15］从呼吸幅度整体上看，歌唱略大于朗读，说明歌唱时吸入的气流并非越多越好，而关键在于如何利用；此外，歌唱时吸和呼之间是相互影响、互为支撑的，所以两者的关系也要协调好，否则会出现吸气不足或呼气衰竭的现象。［16-17］

五、结 语

歌唱与言语一样，都是在意识控制之下、驱动呼吸而进行的发声行为，呼吸的调节和气息的运用对于歌唱是至关重要的。一方面，潜在的旋律等因素驱动意识，控制不同呼吸形式的产生；另一方面，不同的呼吸策略和过程又生成了不同声学特征的旋律段。本文的研究为声乐教学提供了客观的数据和参考，并对前人的歌唱呼吸教学理论进行了验证，结果发现：歌唱的节奏受旋律控制，体现为旋律群，一个旋律群对应于一个呼吸段落；较之言语朗读，歌唱时的吸气时间短、速率大、幅度稳定，而呼气时间长、速率小、幅度稳定，呼吸曲线分别以陡升型和缓降型为主；歌唱中音节的呼吸时长、幅度等都与其所对应的节拍有关，不同节拍具有相对固定且可以相互区别开来的时长、幅度范围；受旋律的支配，乐谱重复的若干旋律群之间在时长、幅度、斜率等呼吸参数上都是比较接近的，其变化规律也基本一致。可见歌唱呼吸是受歌曲旋律所控制的，旋律明显地影响着呼吸策略的选择。

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