歌唱的声学原理

2023-07-15华天礽

音乐艺术(上海音乐学院学报) 2023年1期

华天礽

内容提要：歌唱的声学原理研究涉及人的发声器官、歌唱声的声源、声道共鸣、歌唱家的演唱技巧、唱法和发音原理等。对歌唱实践来说，由于其主要运行机制发生在人体内部，要认识其声学原理存在不少困难。歌唱声学原理的研究对歌唱实践有着重要的意义。

歌唱是所有音乐活动中最自然的一种活动。对专业歌唱家而言，不仅要求其具有精确控制音高的能力、音色的变化，以及能与交响乐队抗衡的音量，而且要深入理解所唱的歌曲，并能以自己的演绎向听众表达。为了解歌唱者发音的声学原理，科学家一直在对专业和业余的演唱者展开研究，尽管这个领域还有许多问题有待探索，但已经可以对传统声乐训练中的一些基本原则作声学上的阐述。

一、人的发声器官

人的声带、喉、咽、口腔及鼻腔的情况如图1所示。这些器官在发声时的作用过程如图2所示。

图1 人的发声器官简图①

图2 人的发声器官作用过程②

当肺部充气以后，演唱者压缩肺部里面的空气，使其形成气流向气管运动。气管的末端是声带，通过一小段管子进入咽部。在喉的底部，有黏液的声带位于两边，中间像条裂缝一样分开，如图3所示。

图3 声带解剖学图片③

声带的分开和拉紧由喉部的肌肉控制。在平常呼吸时，两条声带是分开的，可以自由地流通空气，见图3（a）。在歌唱或说话时，两条声带靠近、拉紧，见图3（b）。有压力的气流通过这个声门，由于柏努利效应使它在喉的底部一开一闭。这样从肺部出来的气流就使声带产生有规律的振动。

在喉部产生的振动通过咽部，在咽腔、口腔和鼻腔发生共鸣，最后从口腔和鼻腔发声。这些通道（声道）有它自己的、有特色的共振频率，决定着歌唱的音质。通过嘴唇开口的调节，下颚的位置，舌头的形状、位置等，歌唱者（或说话者）可以选择特定的组合，使人声中的某些频率得到加强，形成共振峰。

在关于发声器官的讨论中，这里主要集中在声乐演唱上。

演唱的音高是由声带振动的频率决定的。声带的运动几乎与声道的形状没有关系（男声的情况有例外，我们以后讨论）。语言中各个特定的元音，是由声道的变化产生3到4个特定的共振峰形成的。这种语音共振峰与相应元音的对应关系，与演唱的音高无关。在研究发声器官的声学原理时，首先集中在声源（即声带）上，然后是声道共鸣，最后讨论一些特定的技术，使我们可以了解歌剧独唱演员的演唱技巧。

二、歌唱声的声源

（一）声带的自持振动

演唱时声带的振动在许多方面与铜管乐器吹奏时的嘴唇相似，主要的差别在于：对铜管乐器来说，管子的共鸣对嘴唇的运动有很大影响；而演唱时，声道的共鸣对声带的振动没有什么影响。

当声带闭合时，肺里的空气压力可以使声带分开。根据柏努利原理，由于气流运动，使压力减小，加上声带肌肉的张力，就会使声带再次关闭。而当它关闭时，气流被切断，柏努利效应就消失，有压力的气流则再次将声带冲开。这样反复运动使声带产生振动。

要使声带振动能够持续下去，产生持续的声音，就必须补充能量，这个能量的来源就是肺部气流的压力和柏努利效应。对这个问题的分析表明：气流速度，以及相应的柏努利效应是在声带分开达到最大点以后，才达到它最大值。

（二）声带的频谱

在歌唱时，声带能否完全关闭是很重要的。因此所产生的波形图如图4（a）所示：这是一连串有规则的类似三角形的波形。这个波形的基本频率决定着这个音的音高，其频率由声带振动部分的质量和张力决定。男性的声带通常比女性的更大、更厚，这就是男声和女声音色差别的主要原因。在演唱最低音时，声带相对较松弛，几乎整个声带都在振动。若要把演唱的音提高，就要把声带的肌肉拉紧，使它变长、变薄。在演唱的高音区，只有声带的边缘部分在振动，且振幅很大。

图4 声带振动的波形与频谱（标准化为基频为0 dB，250 Hz，中间的线表示，每高一个八度，下降12 dB）④

对图4（a）声带振动波形图所作的频谱分析表明，这种振动包含了一组分音，这组分音的振幅随着频率升高而迅速下降。桑德伯格（Sundberg，1973）所做的测量表明，一个训练有素的歌唱家，用中等音量（mezzoforte）演唱时，其频谱每上升一个八度，振幅下降12 dB，见图4（b）；如用弱音音量（piano），那么，这个曲线下降迅速；而用强音音量（forte）时，曲线下降较缓。这表明，当音量增加时，高次分音比基音增长得迅速。⑤

由于声道共鸣有赖于声带振动提供的原材料，因此，在声带振动的频谱里，不管用什么音量，都能提供充分的高次分音就显得很重要。如果声带太松弛，在振动周期里不能真正地闭合，那么所产生的波形就缺少尖锐的角，这样就会发出许多未经训练的演唱者所特有的那种“呼吸声”音色，这在轻声演唱时更甚。综上所述，歌唱训练就是要使演唱者在每个振动周期，不管在什么音量，都能拉紧声带，使其闭合，保持有产生尖锐波形的控制能力。所以在歌唱训练中，关闭声带是很重要的。

（三）声源的效率

在演唱技术中，呼吸的控制极为重要。当肺部吸满空气后，演唱者当然想尽可能有效地运用气流，使其产生声音。要产生声音，还包括运用和调节喉、咽、胸部的肌肉。如果喉部的肌肉太松弛，不仅它所产生波形的频谱会缺少高频，而且气流通过声门的速度会增加，使人无法保持一个较长的音；相反，如果声带太紧张，则冲开二条闭合声带所需的气压也要增加，喉部里外肌肉也需额外地用力。

1967年鲁宾（Rubin）等科学家通过特殊的装置测量了压力和气流通过声门时的速度。⑥他们观察到，随着音的提高，下声门的压力随之增加，这是因为声带的张力增加了。当音高不变，而音量增加时，压力同样增加。在这两种情况下，气流速度都保持不变。这样，演唱者可以通过增加肌肉张力来提升声源强度，而不必使用更多的呼吸气流。

当然也有低效的方法。演唱者故意从平常的、有效的发声方法，转为急用呼吸气流的发声法，即为了保持音量不变，压力稍有增加，然而气流通过声门的速度比正常的演唱方式快了4倍。另一个常见的低效方法是，演唱者故意增加声带的张力，超过它的最佳值，迫使下声门空气压力增加。在这种情况下，气流的控制变差，声音输出的强度变得更不规则。综上所述，好的呼吸控制和放松的咽喉，对有效地发声是必要的。

三、声道共鸣

如果人的声音直接从声带发出，不经过声道，那么它的声音是很粗糙的。当声音经过声道，它就变化了。如果有的声音成分与声道的某个共鸣频率接近，那么它就会被加强，振幅变大；如果它离开声道的共鸣频率很远，那它就会被压抑。演唱的艺术在很大程度上取决于演唱者把声道调节成理想的形式，使未加工的原始声源变成我们所希望的音色和音量（见图5）。

图5 声道最初的3个驻波（声道长175 mm，声压的波幅用灰色线表示）⑦

（一）作为圆柱体管子的声道

在演唱大多数元音时，软腭会压住咽喉的后部，关闭鼻腔的进口通道。这样声道就可以被看作是一段长而薄的管子，它在经过喉、咽和口腔时，会有相当大的变化。这段管子的长度通常男性为175 mm，女性为150 mm。当然具体到每个人，会有很大的差异。一根管子的共振频率，在很大程度上取决于管子的外形，不妨把人的声道进行简化，把它看作是一段直径相同的圆柱形管子，在喉部是封闭的，而在嘴唇处开口。

在图5中，把声道最初的3个驻波的共鸣图形画了出来。每一个图形在闭口处都是声压的波腹，而在开口处是声压的波节。如果我们把它的长度定为175 mm，那么它第一个（最低）共鸣频率的波长为4×175=700 mm（0.7 m）。空气在温暖声道里的速度为每秒350 m，这样第一个共鸣频率就是f1=350/0.7=500 Hz；第二个共鸣频率是它的奇数整倍数3，即f1×3=500×3=1 500 Hz；第三个则是f1×5=500×5=2 500 Hz。

（二）声道的变化和共鸣频率的变化

声道横断面的变化使共鸣频率也发生变化，变化的方向取决于变化的地方位于驻波的什么位置（见图6）。例如，声道的收缩正好在驻波气压的波节，那么共鸣的频率就会降低；相反，如果在同一地方（气压的波节）声道扩张，共鸣的频率就会升高。

图6 声带频谱（下），声道共鸣（中）及最后发出声音的频谱（上）⑧

有三个主要器官能改变声道的形状，这些器官是下巴、舌头和舌尖。张开下巴可以使声门的声道缩小，而使在嘴唇那边的声道扩大。这对第一共鸣频率起决定作用：张开下巴它的频率就提高；第二共鸣频率受舌体的影响；第三共鸣频率受舌尖的影响。各个器官的变化使两个最低共鸣频率受到很大的影响，一般成年男性第一共鸣的频率范围约在250～750 Hz，第二共鸣频率范围约在700～2 500 Hz。当我们在说话或歌唱时，运动上述器官，实际上是在调整驻波的共鸣频率；每个器官的形状有一套与之相适应的共鸣频率，而它又与一个特定的元音有联系；听觉依靠这些特定的共振峰来听辨元音。

四、歌唱家的演唱技巧

对大多数没有受过歌唱专业训练的人来说，其演唱时的发声方法与日常说话时的状态非常接近。若要有胜任演唱歌剧主要角色的能力，需要经过长期的艰苦训练，其中要学习许多特别的技巧。这些技巧于是成为科学家研究的对象，其中的声学原理现在已被深刻认识。

（一）遮盖声（掩盖唱法）

歌唱家和一般人在发声器官的组成部分和功能上完全相同。但细心辨析歌唱家的嗓音可以发现，他们在说元音时和唱元音时的发音方法略有不同，而这正是很关键的地方。例如在唱元音“i”时，听上去更像“ü”；唱“e”时会变为更开口的“e”，像英文中的“Heard”音。总的印象是唱的时候总是比说的时候音色“更暗”，好像一边打哈欠一边说话似的，声乐教师通常称它为“遮盖”⑨。

在歌唱时，不仅音色改变，发音方法也变化了。如果在歌唱时“打开”了，喉头就会下沉，通过X射线显示，在咽部与真正的声带和假声带之间的空间扩大了。大多数声乐教师认为扩大的咽部对歌唱很重要。为了使喉头降低，他们建议学生打哈欠，然后用同样的打开感觉歌唱。

较暗元音的歌唱音色会在歌唱的元音频谱中明显反映出来。例如，可以用英语中的“who’d”这个元音，在说与唱时两个较低的共鸣频率比较一下：第一个较低的共鸣频率，说话时与歌唱时相同；而在2 500～3 000 Hz相对于说话时的能量，演唱时的能量明显要大得多。频谱中这个频率的提升是受过训练的专业男声的典型特征，它与所演唱元音的音高或音量无关。它作为高质量歌唱声音的标志，被称为“歌唱共振峰（the singing formant）”⑩。

（二）歌唱共振峰

人声可以产生的最大音量，其功率约为1瓦。然而，一个男高音或女高音在演唱瓦格纳歌剧中的高潮时，在整个交响乐队的伴奏下，其声音还是可以被听众听到。为什么他们的声音不会被乐队掩盖住？

答案在于，交响乐队与歌剧演员所发出声音的平均频谱具有不同的形态。交响乐队发出的声音，其能量主要集中在500 Hz周围的区域，在此以上的音域，随着频率的升高，交响乐队的声音输出能量会急剧下降。

如果对人的说话声或未经训练的人歌唱的声音作同样的分析，其频谱中声音能量的分布情况与交响乐队的几乎完全一样。这样要使一个演唱者或演说者用天然的声音发声，而不被交响乐队遮蔽的话，只有采用扩音机，才能使他们的输出功率大于交响乐队。

一名男高音演员在一个很强的交响乐队的伴奏下演唱的长时间平均频谱见图7。由图7可见，直到约2 000 Hz这两者的频谱还很接近，然而在2 500 Hz周围，这两条线就有了明显的差别，男高音的声音输出增长了15 dB。尽管男高音发出的声音功率要小于交响乐队，然而在2 500 Hz周围，男高音在听觉上却能产生比交响乐队所有乐器还要大的声音，说明男高音在这个频率区域的分音，是不可能被交响乐队遮盖的。此外，男高音演唱时的颤音（vibrato）也会有助于听众在全部声音中，听辨出人声的音色。

图7 男高音与交响乐频谱曲线⑪

美国著名声学家巴索洛缪（W.T.Bartholomew）于1934年率先发现男高音在2 500～3 000 Hz存在一个很强的共振峰，⑫这个附加的共振峰不管你唱什么词，总是保持在这个频率。因为这是受过训练的歌唱家演唱的频谱特点，所以被称为“歌唱共振峰”。

（三）歌唱共振峰的来源

这个位于正常人声第三和第四共鸣频率之间的附加歌唱共振峰是如何产生的？经过桑德伯格（J.Sundberg）多年的研究发现：分析下降喉头后所产生的共鸣空间的声学特性，很容易解释歌唱共振峰的来源。如果喉头下沉，它与咽腔连接处的面积小于截面积的1/6时，喉头就无法很好地与其他共鸣空间适配。在这种情况下，喉头在声学上就脱开独立了，拥有自己的共鸣频率，这个频率与其它共鸣空间（咽腔、口腔）没有关系。通过下沉喉头的X射线照片可以确定这个空间的共鸣频率，它在2 500～3 000 Hz，这正是歌唱共振峰出现的地方。⑬

下沉的喉头不仅引发了歌唱共振峰，而且还是说话音色和歌唱音色差别的主要原因。喉头下沉使下咽部扩大，从声学上来说，使声道共鸣空间增加，因此除了与喉头相关的歌唱共振峰，所有的声道共鸣频率都降低了。而最明显的是那些主要由咽部长度决定的共鸣频率，所以元音“i”和“e”的第二共鸣频率演唱的时候就向下移动，听上去像元音“ü”，以及像英文的“heard”。

为什么歌唱家要用降低喉头来产生歌唱共振峰，而且宁可使元音音色变暗？如果考虑歌唱家工作时的声学环境，就很容易明白。专业歌唱家经常在大型交响乐队的伴奏下演唱，他演唱的声音不能被交响乐队盖住。交响乐队声音平均频谱的能量主要集中在500 Hz左右，在此以上频率的声音能量会很快下降。人说话时频谱的声音能量分布与此相近，如果歌唱家演唱时频谱的声音能量分布也与此一样，那他演唱的声音就会被强大得多的交响乐队声音所淹没。

受过训练的歌唱家的声音频谱与交响乐队或普通说话的主要差别在于歌唱共振峰，数百年美声唱法的实践使歌唱家了解了这种演唱技巧。带有歌唱共振峰的歌唱声音，可使演唱的声音一直能被听众听到，因为歌唱共振峰所具有的频率，是交响乐队较薄弱的；而且它还可以使音乐会的听众想象歌唱家其它被乐队所淹没的低频部分声音。歌唱共振峰这个特殊频谱的能量分布也可以使歌唱声从录音或唱片的背景噪声中脱颖而出，因为这些噪声的能量分布与交响乐队的声音相似。

歌唱共振峰的频率可谓恰到好处。它足够高，可以轻易超越交响乐队的声音；但又不是太高，以致歌唱家无法驾驭。它不需要消耗很多声音能量，也不需要更高的空气压力，它纯粹是一种能将声音放大的共鸣效应。其所付出的代价是，演唱者和听众必须接受一种比说话音色更暗的元音。当然并不是所有的音乐人都接受歌唱共振峰，对于流行歌手来说就很难接受，放弃自然的发音，而用像歌唱共振峰那样较暗的元音。至于音量不够，那就用扩音机来解决。

（四）歌唱共振峰的应用

歌唱共振峰是由演唱者声道（喉头）的结构决定的，所以不同声部的歌唱共振峰频率各不相同。

根据德国音乐声学家迈耶（J.Meyer）的著作，“男低音歌唱共振峰的频率约位于2 300～2 500 Hz；男中音约位于2 500～2 700 Hz；男高音约位于2 700～2 900 Hz，由声道的长短决定。女声歌唱共振峰的典型频率稍高一些，女中音约位于2 900 Hz。”⑭

巴索洛缪（Bartholomew）认为：

1.女声的歌唱共振峰频率更高，在3 200 Hz范围之内，这与喉的尺寸较小相适应；

2.花腔女高音有时没有高的歌唱共振峰，但因其嗓音干净灵活而被认为是好的嗓子；

3.在高音女声中，随着音的升高，高的歌唱共振峰明显倾向于消失。⑮

部分声学家认为，对有些女中音的声音来说，歌唱共振峰占有更重要的地位。但看来女高音不使用这种技术。⑯女高音通常比男高音高一个八度，在3 000 Hz周围的分音本来就很强，能穿越交响乐团的声音，如再使用歌唱共振峰，额外增强高频分音，就容易产生一种使人无法接受的刺耳音色。

歌唱共振峰是歌唱家在强大的伴奏下演唱时的一件有用武器，但在合唱时，声音的融合是首要的，这样就应减弱歌唱共振峰，强调低分音。

（五）歌唱中的元音

女性在歌唱时下颚的姿态与说话时完全不同。说话时，她下颚的姿态仅与所说的元音相适应，其元音也低于演唱时的音高。当女高音演唱时，随着音的升高，下颚的张开度也越大。这就意味着，女高音演唱中元音的第一共振峰必须与她所演唱的音高相适应（这可以通过测量证实）。如果她所演唱音的音高高于元音的第一共振峰，就必须进行调节，就会出现下颚张开这种现象。

从语音声学的角度来说，每个元音都有其固定的共振峰模式。人们在说话时调节咽腔、口腔和舌头的位置，就是在调节不同语音的共振峰，以发出不同的元音。

作为元音调节在音乐上的应用，现以莫扎特的歌剧《魔笛》中的一段为例，进行分析（见谱例1）：

男高音塔米诺最开始的两个元音［a］和［i］分别要用C4和F4发音。图8画出了这两个元音（［a］和［i］）的频谱曲线及相应的共振峰位置。第一个元音［a］，其第一共振峰靠近C5，第二共振峰靠近C6，这样在演唱元音a时，就突出了C4音的第二和第四分音，这样元音［a］听上去就很清晰。转到第二个元音［i］，男高音要用F4演唱。元音［i］的第一共振峰在E4，第二共振峰在B6。男高音在唱F4时，与元音［i］的第一共振峰接近，所以听众也就听清了元音［i］。

图8 男高音塔米诺演唱的最初2个元音［a］、［i］共振峰的频谱和频率，以及与所演唱的音C4（含泛音列）和F4（含泛音列）之间的关系⑱

女高音帕米娜唱的2个音：第一个音是用C5唱元音［a］。元音［a］的第一、第二、第三共振峰与C5音的第一、第二和第五分音接近（见图8）。这样这个元音可以清晰地听出来。第二个音要用A5唱元音［i］。但是，通常元音［i］的第一共振峰在，女高音在演唱A5时，根本无法发出这个音。当然元音［i］的第二、第三共振峰位于A5音的第二、第三分音，还是可以产生的，但是缺了元音［i］的第一共振峰，就使听众很难分辨元音［i］了。

对歌剧女高音的研究表明，当演唱的音提高时，元音的共振峰图形通常有很广泛的移动。⑲特别是，当元音第一共振峰的频率低于演唱者的音高时，元音第一共振峰的频率可以升高到与这个音高同样的高度。这种变化的情况见图9［i］元音演唱时的虚线：元音第一共振峰的频率被调整到与演唱的音高一样，基音被加强，声音听上去就有力了。

图9 女高音帕米娜演唱最初2个元音［a］、［i］共振峰的频谱和频率，以及与所演唱的音C5（含泛音列）和A5（含泛音列）之间的关系。［i］边上的实线表示通常元音的频谱，虚线表示经过调节以后元音的频谱⑳

演唱者是如何调节元音第一共振峰的呢？我们已经知道，可以用降低腭、打开嘴的方法来提高元音第一共振峰的频率。桑德伯格（Sundberg）对一个女高音作了观察，当她用C4唱元音（u）时，嘴张开11 mm；当音升高到F5，嘴的张开增加了一倍，㉑这样实际效果就把元音共振峰的频率升高了，保持与演唱音高的一致（见图10）。

图10 女高音在演唱一个高音时，其音高会高于所演唱元音的第一共振峰，此时由于所唱的音得不到元音第一共振峰的支持，发音会很弱。打开下颚会提高元音第一共振峰的频率，用这种方法就可以把元音第一共振峰的频率提升到演唱的音高，演唱的基音加强了，发音有力㉒

另外，把嘴往水平方向伸展开，也有助于提高元音共振峰的频率。因为它能有效地缩短人的声道。这就是为什么在演唱高音时，声乐教师不断地提示要“微笑”的原因。

女高音用此方法解决元音共振峰频率与演唱音高之间的问题，从而使她们在演唱任何音高上的元音时都能保持一样的音量。这种经济的演唱技术不仅限于女高音，如果在演唱一个音高超过元音第一共振峰的音时，女中音、男高音甚至男中音也可以使用这种技术。㉓

要学会这种技术确实很难，因为它对相关脸部的肌肉和下颚的打开程度有很高的要求。许多声乐教师要求学生放松下巴，建议：“在演唱之前，必须先在内心想到那个音。”这个技术要求准确地调节下颚，还要“想象”一定元音和音高的发音方法。

（六）头部和胸部的共鸣

本文主要集中讨论了由喉腔、咽腔和口腔构成的声道共鸣。在头部和胸部也有一些部位在音色修饰上起了一定的作用，其中最重要的是鼻腔。在元音的发声中，连接咽腔与鼻腔的通道由于软腭的升起是关闭的。如在演唱元音时，打开这个通道，通常就会产生令人不快的所谓“通过鼻子演唱”的声音。然而，鼻腔的共鸣在产生辅音“m”和“n”时非常重要。因为这时嘴是关闭的，声音主要通过鼻孔向外传播。

在颧骨和头盖骨中，还有一些空的通道，称为“窦”，这些地方的共鸣是否对嗓音音色有作用还存有争议。有些声乐教师认为这些窦对“头部共鸣”起作用，通过对高分音的加强，使音色明亮。但也有歌唱家用一半水注入颧骨窦，用纱布填充鼻窦，以阻止它的共鸣。全体专家在听其演唱后，都认为音色未受影响（范纳德，Vennard，1967，这个实验是由对科学感兴趣的歌唱家自愿完成的）。㉔

尽管还需要做进一步的研究，但由上述实验可知，窦腔的共鸣对音色的直接作用是很小的。那些归因于“头腔共鸣”的明亮音色，是由足够长而尖的声带振动与声道共鸣相结合的结果。但对窦腔共鸣有强烈感觉的演唱者来说，这毫无疑问是确实存在的。可作为肯定其已有的声带和声道准确调节的信号，对演唱起到重要的指导作用。

演唱者感到另一个有力的内部响应是胸部。张开或闭合声带在喉部上、下产生压力的变化，肺部的压力变化可使胸廓内外运动。桑德伯格所作的测量表明，胸廓振动的振幅与声带振动基音的振幅接近。振动最强的地方靠近胸骨。桑德伯格估计，包在胸骨上的皮下组织中对振动敏感的细胞，可以感受到这种微小的位移（1毫米的千分之几）。这种细胞敏感度的频率约为300 Hz。这与下面的事实相符，即胸部振动一般只能在音高低于G4且大声演唱时才能感受到。㉕

尽管胸廓振动也许对直接促进歌唱音量输出的作用太小，但它可提供另外一个内部信号，以助于对声音的控制。在歌剧中大音量演唱时，演唱者在声带关闭时会增加摩擦，这样就会提高频谱中高频的强度。如果这种“压迫”型的歌唱过度，声音就会变得粗糙，缺乏本体。这样频谱中的基频就会太弱，无法激发胸廓的振动，胸部振动的感觉就会消失。所以一个强烈的胸部共鸣感觉对演唱者来说就是一个信号，表明声带的振动是正确的。

关于头部和胸部共鸣的另一个解释可以用范· 登· 伯格（J.Van den Berg）和巴索洛缪的解释来概括。1959年，范· 登· 伯格对29个离体喉（人喉）进行了实验和研究。范纳德（W.Vennard，1909—1971）与他在1959—1960学年合作时，根据范· 登· 伯格所展示的材料归纳出喉功能的五个要素。由第五个要素可知，人在整个音域中嗓音的两种基本音色，被称为“胸声”“头声”，其差别，归根到底是由声带两种不同的调节和工作状态造成的，而不是像有些人凭主观感觉所说的声音在“胸腔”或“头腔”里共鸣的结果。巴索洛缪（W.Bartholomew）1940年就指出，声带有两种振动方式：第一种用于较低的音，通常称之为“胸声区”。在这种方式中，声带较厚，振动时声带就像一对小枕头或是像一个较软的双重弹簧。第二种方式用于较高的音，通常称为“头声区”。在这种方式中，声带变得比较薄，而且是拉紧的。在这种振动中，大概只有每根声带的边缘在振动。

综上所述，人声中的“胸声区”和“头声区”，取决于声带振动的不同方式，而不是其它。这一点，已为越来越多的人所接受和认同。㉖

五、美声唱法与歌唱发音原理

美声唱法如果从17世纪阉人歌手的实践开始计算，到20世纪经历了近四个世纪。在这个漫长的发展过程中，对美声唱法和歌唱发音原理的探索均取得了成就。美国迄今为止研究歌唱机理及技巧方面的集大成者范纳德曾做出十分精当、明确的概括：“17、18世纪强调呼吸，19世纪着重于共鸣，20世纪研究喉。”㉗从歌唱发音原理的角度来看，这正反映了歌唱发音最基本的三个组成部分：呼吸（声音的能量）→喉（声音的振动）→共鸣（声道的共鸣）。

歌唱发音原理的研究基于美声唱法的实践，它的根本目标是揭示美声唱法的原理。虽然直到今天，还不清楚大脑是如何控制发声器官的，但既有的关于歌唱发音原理的研究成果，还是为声学界和许多声乐研究者所公认的。

呼吸提供歌唱中基本的能量，也最早受到演唱者的重视。在阉人歌手时代的声乐教学中提到和强调最多的是呼吸，因为它最容易被观察和感觉到，对发声的影响也直接而明显。在训练中备受关注的是在一个长音上先渐强、后减弱的核心技巧（messa di voce即控制、支配嗓音）。18世纪后半叶贝拉（J.A.Berard,1710—1772）等人从钻研解剖学入手，对歌唱的呼吸和声带的功能等进行理论上的概括，提出歌唱者应挺胸收腹，呼吸应缓慢且有控制；人的声音是声带发出的，音域一般可达两个八度。1835年曼什坦（H.Manstein,1806—1872）更明确地肯定了歌唱时应该运用胸腹呼吸法，使头声区、胸声区平滑地连接起来，求得音色的统一。㉘

在本文第二部分第三节的讨论中，分析了呼吸控制的重要性。保持气流的稳定、控制气流、有效的运用气流，是呼吸控制的要义。

19世纪西方美声唱法研究的代表人物是加尔西亚（M.Garcia,1805—1906）。加尔西亚高度重视音色，认为优美的音色是“歌唱中最宝贵的因素”。为此，他提出“声门冲击”（coup de glotte）的学说。所谓“声门冲击”是让歌唱者在歌唱时先平静地吸好一口气，在起唱前的一刻先闭合声门，再一下用气把闭合的声门冲开，形成声音。㉙这实际上是强调作为声源体喉的作用，使两条声带能很好地闭合，在气息的紧密配合下形成合乎声学要求的振动，发出合乎规范的优质嗓音。

当了解了本文第二部分第二节的讨论，就能理解加尔西亚“声门冲击”学说的声学原理，是在强调声带闭合的重要性。因为声乐演唱中音色产生的基础，是声带的振动。在声带振动中有足够丰富的高频分音，是声道共鸣产生丰富优美音色的基础。如果在声带振动中本身就缺乏高频分音，那么在这样演唱的音色中是不可能出现这些分音的。要使声带在振动中能产生足够的高频分音，就要求声带在振动过程中能完全关闭。只有完全关闭的声带才能使声带振动时产生的波形比较尖锐，包含较多的高频分音。这样我们就能从声学原理上理解声带关闭对于演唱音色的重要性。

1855年加尔西亚发明了喉镜，为研究喉在声乐中的作用提供了一个重要工具。另外，19世纪法国著名男高音歌唱家杜普雷（G.Duprez,1806—1896）提出了“掩盖唱法”（又名：“关闭唱法”）。这是他为增大高音区的音量而摸索出的一种唱法，其关键是放低喉头，变暗元音，使高音区的声音具有胸声区饱满浑厚的效果。杜普雷本人曾用此法在1837年4月巴黎的一次演出中，首次以丰满强劲、带有胸声的声音唱出了一个持续8拍的高音C，从而引起轰动并得到大作曲家柏辽兹的赞赏。㉚

相信看过本文第四部分的读者，对“下降喉头，变暗元音”的原理对专业歌唱的意义应该有所了解。现在看来杜普雷也许是最早提出这个问题的歌唱家。

20世纪对歌唱共振峰的研究是对喉在声乐歌唱原理中的作用研究的继续。根据倪瑞霖教授的研究，1927年莫斯科大学物理学教授谢尔夫金（S.N.Rzhevkin）和卡赞斯基（V.S.Kazansky）首次发现，在受过训练的歌唱家嗓音中，存在一个500 Hz左右的共振峰，即“低的歌唱共振峰”。而高的歌唱共振峰之所以发现不了，是因为当时机械示波器的性能不济。

高的歌唱共振峰是美国声学家巴索洛缪（W.T.Bartholomew）在1934年率先发现的。他进而指出：“这个在优秀嗓音中总是存在着的高频泛音，其来源无疑是喉本身。”

专业歌唱家的演唱中存在高的和低的歌唱共振峰这种现象，得到了声学界、嗓音科学界和声乐教学界的承认和支持。20世纪五六十年代的一些声乐论著，如于松《歌唱嗓音论》、阿斯彼隆德（D.L.Aspelund,1894—1947）《歌手及其嗓音的发展》、德米特里耶夫（L.B.Dmitriyev）《歌唱中的元音》、范纳德《歌唱的技巧》等对比都做了充分的论述。㉛桑德伯格（J.E.F.Sundberg,1936—）从1968—1975年对歌唱共振峰进行了长期的研究。他1977年发表的《歌唱的声学》揭示了歌唱共振峰产生的机理，在于下沉喉头后所形成的喉腔独立的共鸣，而这个共鸣的频率正是歌唱共振峰的频率。桑德伯格关于歌唱共振峰形成机理的学说发表至今已有近50年，这个学说得到了学界普遍的认可。

从19世纪杜普雷提出“掩盖唱法”，到20世纪揭示歌唱共振峰的机理，实际上都揭示了一个简单的事实，即在美声唱法中，用下降喉头，使之产生独立的共鸣（即歌唱共振峰），对歌剧演唱的重要性。迄今为止还没有看到令人信服的理由可以否定这个经过100多年艰辛探索所得到的科学结论。

结语

对歌唱实践来说，由于其主要运行机制发生在人体内，要认识它存在不少困难。正因如此，我们才应重视科学的研究成果，明确努力的方向，把力用在刀刃上。关于歌唱原理的研究，目的正在于此。加尔西亚在他89岁时总结道：“真正发声中应该做的事是去呼吸，去运用声带，以及在口中形成声音。歌唱家除此之外什么也不用做。”㉜呼吸→声带（喉）→在口中形成声音（声道共鸣），这正是歌唱最基本的构成。

音乐声学是研究声音的科学，科学就是揭示事物的客观规律。尽管人类认识客观世界的路程永无止境，但是对人类经过艰难探索所认识到的客观规律，应该加倍珍视。客观规律的价值与力量无可言喻。

（倪瑞霖先生是上海音乐学院资深教授，对声乐艺术史和美声唱法机理有着深厚的研究。笔者与倪教授相识数十年，对他的学识深为折服。倪瑞霖教授于2019年3月突患疾病去世，令人无比痛惜。谨以此文纪念倪瑞霖教授。）

注释：

①M.Campbell and C.Greated,The Musician’s Guide to Acoustics,New York: Schirmer Books,1987,p.472.

② 同①。

③同①，第473页。

④ 同①，第475页。

⑤ 同①，第476页。

⑥ 同①，第476页。

⑦ 同①，第479页。

⑧ 图片来源：Johan Sundberg,Die Singstimme,Die Physik der Musikinstrumente,Heidelberg:Spektrum der Wissenschaft,1988.

⑨ 约翰· 松特伯格：《歌唱的音响学》，蒋英译，载中央音乐学院：《外国音乐参考资料》，1979年第1期，第42页。