基于计算机辅助研究下的世界声乐艺术大师的颤音数据分析

关键词：颤音；歌唱；声乐艺术大师；数据分析

一、颤音的学理阐述

颤音（vibrato）是歌唱家最重要的声乐演唱技术及声音美学特征。从听感角度来讲，演唱中的颤音是声音有节奏的波动，频率约为6—7Hz，有趣的是，该波动频率对人的听力感受是最悦耳动听的，因为听众主观上通常会将频率比较低的波动（3—4Hz）感知为声音的“摆动”，而频率较高的波动（8—9Hz）则被感知为“小羊羔叫”或“豌豆粒洒落”的声音。

学界普遍认为，听众将颤音感知为演唱音色的一个主要特征，（Теплов，1947）并认为其强烈影响对声音的综合审美。歌唱中如果缺乏颤音，声音被感知的特点是生硬、沉闷、死板等，而颤音丰富的声音则被感知为活泼、悦耳、飞扬、深情、细腻、穿透力强等特点。颤音是声乐演唱中表达情感的重要手段之一，不仅是声乐艺术的重要属性，在乐器演奏中也同等重要，如小提琴、大提琴、管乐器等。（Володин，1970，1972，1974）从声学角度来看，颤音是对与声音相关的基本参数（基频、振幅、频谱）的调制。（Морозов，1977，2002）

关于声乐艺术家们演唱中的颤音研究，早在20世纪60年代的苏联，以里姆斯基·科萨科夫命名的列宁格勒国立音乐学院（现俄罗斯圣彼得堡音乐学院）演唱声学研究实验室就将其列入实验室科研工作计划之一，并借助辅助设备对部分声乐艺术大师的颤音进行了研究，（В.Морозов，1967）之后进一步在本论文作者维·莫洛佐夫教授的博士后论文为基础撰写的《声乐演唱的生理物理学基础》（1977）及其后期著作《歌唱共鸣艺术》（2002）中进行了更深入的研究。研究表明，专业歌唱家的颤音波动频率，更准确地说是声音的频率调制振幅系数（以下简称颤音频率）约为5—7赫兹（每秒波动次数），此项研究结果与其他国家的科研文献数据一致。（Seashore，1936;Kwalwasser，1980;Sundberg，1987等）

二、科研实践目标及任务

以世界知名声乐大师及夏里亚宾为研究对象，获得各声部歌唱颤音完美度的客观指标；选择客观指标，用于改进和完善当前开发的判断青年歌手声乐天赋的计算机程序；进一步了解歌唱中颤音的起源和生理机制。

（一）检测方法与程序

声乐演唱中颤音技术的美学价值不仅取决于它的波动频率，还取决于其他一系列参数。以往对颤音的研究通常都是在模拟设备（声谱分析仪、声级自动记录仪等）上进行的，这对于颤音现象的研究相对有限。现在的计算机技术为研究颤音提供了全新的研究方法。根据科研任务，俄罗斯科学院技术团队自主开发的计算机程序能够自动识别歌声以及器乐声音（弦乐、管乐、电子音乐等）中颤音的以下特征并进行统计和分析：

1.所选声音片段及相对应的音符频率（Hz）——以音分（cent）为单位的音高记号。

2.颤音波动频率，以赫兹为单位。

3.颤音波动频率的平均值（%）以及相对应的差值（%）。

4.以赫兹和音分为单位的颤音调频深度。

5.颤音调频的差值（以音分或赫兹为单位）。

6.所选声音片段中的颤音半周期数。

7.相位性，即颤音波动过程中调频（FM）和调幅（AM）极值的相位关系。

8.为分析颤音所选择歌手声音片段的持续时间，以毫秒（msec.）为单位。

借助以上检测方法与程序，本研究团队对包括世界各国著名声乐艺术大师在内的一批专业歌手的演唱资料和声音（主要来自录音、唱片等介质）进行了相应的声音样本提取以及声学数据分析。

（二）检测对象

本次研究的检测对象有：伊万诺维奇·夏里亚宾（ИвановичШаляпин）、贝尼亚米诺·吉利（БеньяминоДжильи）、恩里科·卡鲁索（ЭниркеКарузо）、卢恰诺·帕瓦罗蒂（ЛучаноПаваротти）、普拉西多·多明戈（ПласидоДоминго）、玛丽亚·卡拉斯（МарияКаллас）、蒙特塞拉特·卡巴耶（МонтсерратКабалье）、叶列娜·奥布拉佐娃（ЕленаОбразцова）、塞西莉亚·芭托莉（ЧичелияБартоли）、德米特里·霍沃罗斯托夫斯基（ДмитрийХворостовский）、亚历山大·阿尔德尔（АлекандрАрдер）、伊莉娜·阿尔希波娃（ИринаАрхипова）、弗拉基米尔·阿特兰托夫（ВладимирАтлантов）、瓦列里亚·巴尔索娃（ВалерияБарсова）、伊莉娜·博加切娃（ИринаБогачева）、维罗妮卡·波莉森科（ВероникаБорисенко）、尼古拉·盖达（НиколайГедда）、鲍里斯·格梅里亚（БорисГмыря）、尼古拉·戈雷舍夫（НиколайГолышев）、尼古拉·贾乌罗夫（НиколайГяуров）、杰娜·基米特罗娃（ГенаДимитрова）、扎拉·多鲁哈诺娃（ЗараДолуханова）、伊利亚·伊奥西弗夫（ИльяИосифов）、娜杰日达·卡赞采娃（НадеждаКазанцева）、叶夫根尼·基布卡洛（ЕвгенийКибкало）、伊万·科兹洛夫斯基（ИванКозловский）、蒂特·库吉克（ТийтКуузик）、马里奥·兰察（МариоЛанца）、瓦伦蒂娜·列夫科（ВалентинаЛевко）、谢尔盖·列梅舍夫（СергейЛемешев）、帕威尔·利西齐安（ПавелЛисициан）、伊琳娜·马斯连尼科娃（ИринаМасленникова）、列奥卡季亚·马斯连尼科娃（ЛеокадияМасленникова）、塔玛拉·米拉什金娜（ТамараМилашкина）、马克西姆·米哈伊洛夫（МаксимМихайлов）、马里奥·德尔·摩纳科（МариоДельМонако）、叶夫根尼·涅斯杰连科（ЕвгенийНестеренко）、安娜·涅特列布科（АннаНетребко）、费吉里乌斯·诺雷卡（ВиргилиусНорейка）、娜杰日达·奥布霍娃（НадеждаОбухова）、乔治·奥茨（ГеоргОтс）、阿德丽娜·帕蒂（АделинаПатти）、伊万·彼得罗夫·克劳泽（ИванПетров-Краузе）、亚历山大·皮罗戈夫（АлександрПирогов）、马克·雷森（МаркРейзен）、贝拉·鲁登科（БэлаРуденко）、琼·萨瑟兰（ДжоанСазерленд）、列昂尼德·斯梅坦尼科夫（ЛеонидСметанников）、瓦西里·斯梅斯洛夫（ВасилийСмыслов）、朱塞佩·德·史帝法诺（ДжузеппеДиСтефано）、雷纳塔·泰巴尔迪（РенатаТебальди）、鲍里斯·赫里斯托夫（БорисХристов）、约瑟夫·施密特（ЙозефШмидт）、鲍里斯·什托科洛夫（БорисШтоколов）、谢尔盖·雅科文科（СергейЯковенко）。

（三）歌唱声音样本提取

研究颤音（人声频谱）的必要条件是必须选择一段没有伴奏的纯人声，从听觉体验来讲，虽然伴奏（钢琴、管弦乐队、合唱团）会令人愉悦，但这对颤音相应声学参数的测量和分离会造成很大的干扰，而颤音的美学品质正取决于这些具体的参数。由于从歌唱家演唱的声乐作品中选择“纯”音符（无伴奏）存在一定的困难，故在研究声音的主要部分时，本次研究仅从以上每位声乐大师的声音样本中有针对性的提取了1—3个音符。其中，享誉世界的俄罗斯男低音歌唱家夏里亚宾的演唱资料最为丰富，其为本次研究提供了很多不同的声音样本，例如在《露琪努什卡》（«Лучинушка»），《小笨蛋》（«Дубинушка»），《不是秋天的小雨》（«Неосенниймелкийдождичек»），《十二个盗贼的传说》（«Легендаодвенадцатиразбойниках»），《小夜晚》（«Ноченька»）等著名俄罗斯艺术歌曲中的元音音符（不同音高）。以及从《波斯之歌》（«Персидскойпесни»）、浪漫曲《彷徨》（«Сомнение»）、《埃雷姆卡之歌》（«ПесниЕремки»）等作品中分离出来一些夏里亚宾演唱时的元音。此次研究主要通过自主开发的计算机检测程序，对以上55位世界级声乐艺术大师的296个歌唱元音（主要是A，O）声音样本（其中有198个元音来自夏里亚宾，约占研究总数的2/3）进行了分析研究。

三、实测参数及研究结果

（一）实测参数及理论分析

夏里亚宾与各声部类型声乐艺术大师的颤音实测数据见表1。

表1中的第1行显示，测量音符平均高度按从低到高的顺序，选取不同声部音域范围内较为响亮的音高，男低音si、男中音mi1、男高音sol1、女中音bmi2、女高音fa2、抒情花腔女高音bla2、夏里亚宾la；

表1中的第2行表明颤音的频率随着音高由低到高的变化逐渐增强，所有男生声部的平均值为5.92±0.53Hz，所有女生声部的平均值为6.54±0.81Hz；

夏里亚宾的颤音波动频率平均值为6.86±0.27赫兹，比所有男生声部的平均值高出17.6%，甚至比女生声部的平均值还高出5.03%；需指出的是，夏里亚宾演唱声音中的高频率颤音，从数据对比上看与其他男生声部差异略大，但实际从声音的审美听觉角度上丝毫没有产生异常的感觉。相反，他的颤音被世界公认为是一种极其自然、完美、平稳且符合高级艺术审美需求的大师级声音。由此可见，夏里亚宾极其特殊又完美的歌唱技术及美学效果在很大程度上是由颤音中的其他参数共同促成的。特别是在第3行（横向）中显示，夏里亚宾的颤音波动差值（不均匀度）仅为4.6%，明显低于男低音组（5.5%）、男中音组（5.0%）、以及女高音组（5.0%）和抒情花腔女高音组（4.9%）这四个声部。

第4行显示，夏里亚宾演唱声音的另一个美学要素是，颤音的调频（音高）深度平均值与其他声部相比是最小的，只有90.6音分，也就是说小于半音。而其他男低音的颤音调频平均值为139.8音分，接近1.5个半音。在笔者看来，正是因为这一因素，夏里亚宾演唱时声音非常的平稳、均匀，且可随意自由流动，从听感上来讲，他的颤音只有非常细微的波动。在第4行中还表明，随着声部类型及音高由低到高的上升，颤音的调频参数趋于下降。

第5行显示，所有声部的颤音调频差值几乎相同：大约15—16音分。与其他歌手相比，夏里亚宾（18.0音分）的颤音调频差值略高，该现象可解释为他的演唱声音情感表现力、灵活性较强。

第6行显示，对于各声部类型的颤音分析，均选择了元音片段。各声部颤音半周期数平均数值范围为10.4—27.1个（夏里亚宾13.1），该数据为我们提供了合理的统计标准。

第7行展示了声乐教学科学方法中一个非常有趣尚且未被探索的现象，即颤音的调幅（AM）与调频（FM）之间的极值（最小值和最大值）相位关系。研究表明，对于每位歌手，都有可能发现AM和FM之间的同相关系，表现为AM和FM最大值和最小值重合；反相关系，AM最大值对应于FM最小值，反之亦然。例图3、图4都说明了这些现象。通过数据显示，男生声部的普遍特征是同相位颤音占主导地位：男低音组为最大值（0.64），男中音组为最小值（0.11）。对于所有女生声部，特征则是反相位颤音占主导地位（女高音-0.47）。夏里亚宾的颤音，在AM和FM之间具有轻微的（-0.11）反相位关系，与其它的颤音参数一样，夏里亚宾的所有颤音参数与所研究的男生声部存在显著区别。目前，根据初步证据表明，反相颤音比同相颤音具有一定的美学优势，当然，这还需专门进行更深入的统计研究。

（二）声音检测示例图

选定语音片段的图表记录和自动测量颤音参数示例，如图1（声音样本：伊万诺维奇·夏里亚宾）和图2（声音样本：伊莉娜·博加切娃）所示。

图1的该声音片段来自夏里亚宾演唱的《不是秋天的小雨》，“愉快的日子，欢乐的日子飞得很远......”唱词片段。在音符re1上的渐强，元音“O”落在“отлетели”这个词上。

上段——以波形图和振幅包络的形式，表示以分贝（dB）为单位的语音强度变化图。左侧刻度表示声音变化强度。颤音的调幅表现为声音强度随颤音波动频率几乎不可察觉的周期性变化。

下段——音符音高变化图（左侧显示音阶音高）。颤音调频表现为声音高度相对于平均值的显著周期性变化。

图2的该声音片段来自伊莉娜·博加切娃演唱的咏叹调《达俐拉》的最后一段。为准确分析颤音，将时值较长的高音（g2）分为两段：主要部分（声音2）用垂直实线表示，附加部分（声音1）用垂直虚线突出显示。图中的计分板显示了计算机程序自动测量的颤音参数（根据主要片段，音调2）。

图3的该声音片段来自夏里亚宾演唱的《不是秋天的小雨》，“愉快的日子，欢乐的日子飞得很远......”片段。在音符re1上的渐强，元音“O”落在“отлетели”这个词上。一个典型且具有代表性的反相位颤音的例子。可以清楚地看到，最大声音强度（即颤音调幅，AM）对应于最低音高（即颤音调频，FM）。声音的最大强度由向上的箭头指示，最低音高由向下的箭头指示。

图4的该声音片段来自鲍里斯·克里斯托夫演唱《多年》，“……和东正教保加利亚人民”片段中元音“O”落在“Народу”（人民）这个词上，音高为#do1。，其中最大声音强度（向上箭头）对应于最高音高（向上箭头）。

（三）颤音的形成机制

通过研究表明，颤音相位的同相或反相取决于元音的类型、音符的音高、声音的强度，也就是说，最终取决于颤音的形成机制，从颤音形成的机制来看，它包括来自各发声器官如喉部、咽部、舌头、下巴、嘴唇等部位的联合共振（这些部位通过媒体＼屏幕上歌唱家的演唱可经常看到，他们不是“在录音下”进行，而是在真正的现场表演）。现有证据表明，部分歌唱家呼吸器官中的某些部位也参与了颤音的形成，特别是气管支气管平滑肌（非自主性），以及可能已经被任意控制的横膈膜，都参与了颤音的形成。平滑的气管支气管肌肉是指缓慢收缩的所谓的强直肌，它在呼气时收缩，在吸气时放松，从而使呼气时肺容积减少，吸气时肺容积增加，对应于吸气与呼气交替频率为0.5—1.5周期/秒（Hz）以及更频繁的呼吸频率。

需特别指出的是，演唱中的颤音频率（5—7Hz），通过平滑呼吸肌的参与可轻松达成，然而平滑的呼吸肌同时能够以更高的频率进行收缩和放松，如生活中可观察到的自然、无意识的笑声（频率可能更高），当然还有自然的（非有意识）颤音。夏里亚宾的演唱，便以这种无意识的颤音被著称为最顶级的声乐大师及“世界低音之王”，他的颤音就像与生俱来的一样，不受音高转换以及语言发音清晰度的影响，该特征在他的歌声语谱图上可清楚的看到。（Морозов，2002）

现有研究数据表明，体腔中呼吸、发音的整体进程，具有其特殊的固有共振频率，正好对应颤音（5—7Hz）频率等数据。因此，维·莫佐洛夫在其著作《歌唱共鸣艺术》中，提出了一个假设，即，无意识的自然共振（共鸣）源于天赋秉异的天才型歌手。

至于颤音AM和FM的同相性与反相性，该现象的起源很可能与发声部位喉头、咽喉、舌头、下巴、口腔和鼻咽腔，以及上述气管支气管平滑肌、甚至横隔膜等呼吸系统有节奏的活动（振动频率）以及相互之间的平衡、协调性有关。在颤音波动过程中，这些所有部位都在有节奏地工作，但有些部位，例如，声门上部（喉头）的活动节奏可能滞后于或超过颤音产生时气管支气管的活动节奏，这便会导致颤音FM和AM调制极值之间的相位关系发生变化。

顺便指出，通过大量的研究，本团队还发现了一种偶尔会产生的特殊现象，暂且可称之为“相位间的”颤音，即AM与FM相互之间的比率既不是同相颤音的0º，也不是反相颤音的180º，而是特殊的90º。我们在鲍里斯·格梅里亚、贝尼亚米诺·吉利等著名声乐大师的声音研究中观察到了这一点。然而，这种“相位间的”的颤音非常罕见，有时还会与同相颤音同时出现在同一个音符范围内，如马里奥·德尔·摩纳科在歌剧《小丑》序幕中演唱的那样。

关于颤音FM和AM极值之间各种相位关系起源机制的假设还需要进一步的实验研究。例如，使用X射线透视仪，可以看到歌唱过程中咽喉部与气管直径（如果有的话）、横膈膜轮廓之间有节律的活动，以及动力学关系和相位比值关系。还有喉头和已经提到的口咽腔各部分之间的动力学关系和相位比值关系。还可使用其他方法（体积描记法、声门电图描记器、自计气压计等）结合录音和计算机程序，对颤音AM和FM之间的相位关系进行综合评定。

四、结论

维·莫洛佐夫教授领导的俄罗斯科学院心理研究所的科研团队，通过本项研究工作，独立开发了一种检测歌唱颤音的方法和计算机数据分析程序，并借助该方法，研究了来自世界各地声乐艺术大师的294个歌唱元音的颤音。通过表1的统计数据揭示了男低音、男中音、男高音、女中音、女高音、抒情花腔女高音声部的颤音声学参数特征。结果表明，夏里亚宾与其他所有男生声部相比，在颤音主要参数统计数值方面有显著差异。另外需指出的是，此次研究是俄罗斯国内声乐科学技术史上首次对颤音AM和FM的相位关系进行研究。本次研究结果对不同声部类型声乐大师歌唱声音中颤音形成的可能性和生理机制得出一定的结论。

研究还表明，良好的颤音技术会提高和优化演唱声音在音乐（乐队）伴奏背景下的飞跃性、穿透力、抗噪性和清晰度。初步数据显示，较同相颤音而言，反相颤音能赋予歌唱声音更高级的美学品质。以上研究结果已输入俄罗斯科学院的计算机数据库，用于未来改进和完善判断年轻歌手声乐天赋的计算机检测程序，以及其他科研实践工作。