1. 暨南大学 华文学院, 应用语言学研究院, 广州 510610;
2. 北京大学 中国语言文学系, 中国语言学研究中心, 北京 100871
收稿日期: 2016-06-20
基金项目: 国家社会科学基金重大项目（10 & ZD125，16ZDA211）
作者简介: 杨锋(1978-), 男, 副教授
通信作者: 孔江平, 教授, E-mail:jpkong@pku.edu.cn
摘要：该文主要研究汉语普通话不同文体朗读时的胸腹呼吸特性。实验同步录制了4位播音员朗读的语音和胸腹呼吸信号，选取近体诗、词、新闻和散文这4种文体语料90篇，使用自主编写的呼吸分析程序，提取了吸气相和呼气相的呼吸重置幅度、时长、斜率、面积等参数。实验结果表明：言语状态下的胸腹呼吸与自然呼吸不同；不同文体朗读时的胸腹呼吸特点不同，诗、词朗读中的各级呼吸重置分布更具规律性，新闻和散文朗读中胸腹呼吸重置可分为3级，对应出现在段首、复句首和分句首位置；朗读中主要以胸腹联合式呼吸为主，胸腹呼吸二者的作用不同。该研究对汉语韵律研究和言语产生具有重要意义，为言语产生的呼吸生理建模提供参考。
关键词： 实验语音学 言语产生 呼吸控制
Chest and abdomen breathing while reading literature in Mandarin
YANG Feng1, KONG Jiangping2
1.Institute of Applied Linguistics, College of Chinese Language and Culture, Jinan University, Guangzhou 510610, China;
2.Research Center for Chinese Linguistics, Department of Chinese Language and Literature, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract:Chest and abdomen breathing characteristics were studied while reading Mandarin Chinese literature. The speech and breathing signals were recorded from four annoucers while reading 90 passages with different styles, including modern poems, ci, news, and essays. The extracted breathing parameters were the breathing reset amplitude, duration, slope, and area during the inhalation and exhalation phases. The results show that the breathing strategy during speech differs from that during natural breathing with different chest and abdomen breathing patterns for different styles of prose. Systematic breathing resets occur while reading poems and ci. Three levels of breathing resets are identified while reading news and essays at the paragraph-initial, main clause-initial and subordinate clause-initial positions. The chest and abdomen breathing are coordinated during all the reading activities, but each has its distinct functions. These results are of significance to prosody and speech production and provide a basis for articulatory modeling of breathing in speech production.
Key words: experimental phoneticsspeech productionbreathing control
呼吸是言语产生的动力，语言的进化得益于呼吸器官的进化和人类对呼吸器官的灵活控制能力[1-2]。对呼吸的研究是研究言语产生的一个重要方面，但由于言语过程中呼吸器官运动的复杂性和研究设备所限，对言语呼吸特性的研究并未深入展开。
Ladefoged等的研究表明呼吸与韵律相关，具有实现重音和感知语调的重要作用[3-9]。不同的言语状态中，呼吸器官运动方式不同[10]。朗读中存在呼吸规划，与篇章语法结构相关[11]。
国内吴宗济等最早利用气流气压信号对汉语进行研究[12]。近些年不少****对汉语普通话朗读时的腹呼吸重置特点进行了研究[13-15]，但对普通话朗读呼吸的分析只使用到了腹呼吸信号，未研究胸腹呼吸二者的特点、作用和关系。也有文献对言语胸腹呼吸机制进行了初步探索[16-17]，但对不同文体朗读的胸腹呼吸缺少大数据量的分析，尚未建立汉语言语呼吸模型。
本文同步录制了大量汉语普通话近体诗、词、新闻和散文4种文体语料朗读时的胸呼吸、腹呼吸和语音信号，对胸、腹呼吸信号和语音信号进行同步分析，研究不同文体朗读时的胸腹呼吸规律、胸腹呼吸二者的作用和相互关系。
1 实验说明1.1 语料和发音人本文同步录制4名播音员朗读的语音、胸呼吸和腹呼吸信号，语料包括近体诗30篇、词20篇、新闻20篇、散文20篇，语料尽量挑选发音人熟悉的、200字左右的篇章。4位播音员年龄在25~35岁之间，2男2女，受过良好的播音训练。
1.2 信号采集本实验的录音工作在北京大学中国语言文学系语言学实验室录音室内进行。录音使用的采集设备是AD Instruments PowerLab PL3516 16通道高速记录仪，使用Chart5同步采录4个通道的信号：第1通道为通过麦克风和调音台采集的语音信号，第2通道是通过电子声门仪(EGG) 采集的嗓音信号，第3通道为通过呼吸带传感器采集的胸呼吸信号，第4通道为腹呼吸信号。采样频率均为44 kHz。胸呼吸带系在腋下10 cm处，腹呼吸带系在肚脐上方。
录音使用的话筒是Sony ECM-44B，调音台是Behringer XENYX502。电子声门仪是KAY6103。胸腹两根呼吸带是AD Instrument MLT1132。
2 参数提取本文使用Matlab编写程序建立分析平台，如图 1所示，对语音、嗓音、胸呼吸、腹呼吸4路信号进行同步分析，提取语音、嗓音和呼吸3类参数(本文主要使用呼吸参数)。
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| 图 1 用Matlab编写的数据分析平台界面 |
| 图选项 |
呼吸参数定义如图 2所示，以腹呼吸为例，横轴是时间，纵轴是归一化呼吸幅度，曲线是腹呼吸信号，灰度波形背景是同步的语音信号，曲线上升表示吸气，曲线下降表示呼气。tA、tB、tC分别是吸气开始时间、呼气开始时间、呼气结束时间，吸气段时长TI=tB-tA，呼气段时长TE=tC-tB，AI为吸气重置幅度，AE为呼气重置幅度。吸气段斜率、呼气段斜率、吸气相面积和呼气相面积通过以上参数求得。
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| 图 2 呼吸参数定义 |
| 图选项 |
首先，对呼吸信号进行低通滤波，去除高频干扰信号。然后，对呼吸信号进行归一化处理，接着标记胸腹呼吸每个周期的吸气开始时间点、呼气开始时间点、呼气结束时间点，程序由此计算出其他呼吸参数，将标记后的语音文件和参数一起保存为mat格式的文件，并输出呼吸参数到Excel中进行统计分析。
3 实验结果分析3.1 自然呼吸胸腹呼吸特性自然呼吸状态下胸腹呼吸每个周期的吸气相和呼气相时长、斜率和面积都接近，显著区别于言语状态，言语状态下呼气相的时长和面积远大于吸气相，主要原因是呼气相承载着语音。非言语自然呼吸状态下，使用胸腹联合式呼吸的发音人居多。
图 3所示为自然呼吸状态下的胸腹呼吸信号，共4个呼吸周期，平均每个呼吸周期为3 s，周期性规律显著。如表 1所示，胸呼吸吸气相和呼气相时长均值分别为0.96和0.89，面积均值为0.41和0.37，上升斜率为1.04，下降斜率为-1.72，表明胸呼吸每个周期的吸气相和呼吸相近似。每个周期呼气重置幅度均值为0.67，呼吸间隔均值为1.8 s。
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| 图 3 自然呼吸状态下的胸腹呼吸信号 |
| 图选项 |
表 1 自然呼吸状态下的胸腹呼吸参数均值
| 吸气相 | 幅度AI | 时长TI/s | 斜率 | 面积 | 幅度AE | 时长TE/s | 斜率 | 面积 |
| 胸呼吸 | -0.19 | 0.96 | 1.04 | 0.41 | 0.67 | 0.89 | -1.72 | 0.37 |
| 腹呼吸 | -0.15 | 0.83 | 1.36 | 0.40 | 0.80 | 0.85 | -1.22 | 0.36 |
表选项
自然呼吸状态下腹呼吸呈现同样特征，吸气相和呼气相近似，腹呼吸吸气相和呼气相时长均值分别为0.83和0.85，面积均值为0.40和0.36，上升斜率为1.36，下降斜率为-1.22。每个腹呼吸周期呼气重置幅度均值为0.80，每个呼吸周期间隔1.6 s。
3.2 近体诗朗读胸腹呼吸特性本实验共选取了五言律诗、七言律诗、五言绝句和七言绝句共30首。由于近体诗格律规整，结构简单，因此胸腹呼吸类型也比较简单。其胸腹呼吸特点是：胸腹呼吸重置可以分为2级，每联(上下两小句为一联) 起始处的呼吸重置较大，每小句起始处的胸腹呼吸重置较小，呼气相时长与语音时长一致。图 4所示是七言律诗《登高》前4句朗读的胸腹呼吸信号，灰色波形背景是同步的语音信号，汉字是对应的文本。图中A、B、C、D是4句的起始位置，有4个呼吸重置，A和C处是每联的起始位置，胸腹重置幅度都较大，胸呼吸重置幅度均值为0.89，腹呼吸重置幅度均值为0.82，大于B和D处的对应均值0.56和0.55。语音段与呼气相重合，但4处呼吸重置时间早于语音起始时间平均0.21 s，与语音生理机制相符，胸腹呼吸器官开始呼气，气流进入喉部触动声带振动产生语音，中间有短暂的时间间隔。
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| 图 4 七言律诗《登高》前4句朗读的胸腹呼吸信号 |
| 图选项 |
3.3 词朗读胸腹呼吸特性本次实验选取了20首常见的词，均是发音人熟悉的词。图 5所示是词《赤壁怀古》朗读的腹呼吸信号，图中A和B标记处是上阕和下阕的起始位置，呼吸重置幅度分别是0.95和0.96，显著大于其他位置的呼吸重置幅度。对其中一位发音人朗读的20首词的胸腹呼吸呼吸重置幅度参数进行K-means聚类分析，结果如图 6所示，得到3类，即3级呼吸重置：1级呼吸胸腹重置幅度为0.83和0.92，2级为0.37和0.46，3级为0.22和0.17。从3级呼吸重置所在的时间点可知，1级呼吸重置出现在上阕和下阕起始处，2级呼吸重置大多出现在每句起始处，3级出现在句内停顿处。
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| 图 5 词《赤壁怀古》朗读的腹呼吸和语音信号 |
| 图选项 |
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| 图 6 对20首词朗读的胸腹呼吸呼吸重置幅度的K-means聚类分析结果 |
| 图选项 |
3.4 新闻朗读胸腹呼吸特性新闻朗读的胸腹呼吸特点是：胸腹呼吸重置分为3级，每段段首都有一个1级呼吸重置，复句起始处为2级呼吸重置，分句起始处为3级呼吸重置。本次实验选取了20条200字左右的短篇新闻，均是发音人熟悉的篇章。图 7所示是一篇新闻朗读的腹呼吸和同步的语音信号，图中A、B、C 3处峰值所在位置，是3段的段首位置，根据图 8中聚类分析结果显示，这3处可视为1级呼吸重置。2级胸腹呼吸重置的均值分别为0.41和0.46，出现在复句起始端，3级胸腹呼吸重置的均值分别为0.06和0.17，出现在分句起始端。由于4位发音人均是专业的播音员，受过专业播音训练，同时新闻短文具有相对固定的格式，因此每位发音人的呼吸信号规律性都较强。
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| 图 7 新闻朗读的腹呼吸和语音信号 |
| 图选项 |
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| 图 8 对20条新闻朗读的胸腹呼吸呼吸重置幅度的K-means聚类分析结果 |
| 图选项 |
3.5 散文朗读胸腹呼吸特性散文朗读的胸腹呼吸特点是：胸腹呼吸重置也分为3级，但3级呼吸重置出现的位置不如新闻朗读中固定，段中或句中也可出现1级和2级呼吸重置。本次实验选取了20篇200字左右的散文，均是发音人熟悉的篇章或段落。图 9所示的是一篇散文朗读的腹呼吸和同步的语音信号，1级呼吸重置出现的次数明显增多，而且出现的位置并不仅限于段首，根据图 10中聚类分析结果显示，1级和2级呼吸重置数量比新闻朗读中明显增加，主要原因可能是散文不同于新闻，发音人需有感情的朗读，由此带来1级和2级呼吸重置次数的增多。
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| 图 9 散文朗读的腹呼吸和语音信号 |
| 图选项 |
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| 图 10 对20篇散文朗读的胸腹呼吸呼吸重置幅度的K-means聚类分析结果 |
| 图选项 |
3.6 言语中胸腹呼吸模式对本次实验中所录制的胸腹呼吸信号根据呼吸参数进行统计分析，可得到胸腹呼吸的模式，如图 11和12所示。在朗读中主要使用胸腹联合式呼吸，胸呼吸曲线呈现梯形，表明胸腔在言语时保存扩张状态，而腹呼吸信号呈现斜三角形，在言语过程中腹部持续收缩，直至语音结束。由此可知，在胸腹联合式呼吸朗读中，胸呼吸主要作用是在发音时使胸腔保持扩张状态至发音结束，为发音提供足够的气息和胸腔共鸣；腹呼吸主要作用是通过腹肌和膈肌的稳健收缩，保证稳定的声门下压，控制气流持续释放，以获得连续的语音。
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| 图 11 典型的胸呼吸模式与语音 |
| 图选项 |
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| 图 12 典型的腹呼吸模式与语音 |
| 图选项 |
4 结论与展望本文主要通过分析汉语普通话中诗、词、新闻和散文4种文体语料朗读时的胸腹呼吸信号，研究不同文体朗读时的胸腹呼吸信号特点。使用自主编写的呼吸分析程序，分析同步录制的语音和胸腹呼吸信号，提取了吸气相和呼气相的呼吸重置幅度、时长、斜率、面积等参数，进行了统计分析。实验结果表明：
1) 言语状态下的胸腹呼吸与自然呼吸不同，自然呼吸状态下胸腹呼吸每个周期的吸气相和呼气相时长、斜率和面积都接近，言语状态下呼气相的时长和面积远大于吸气相，呼气相承载着语音信号，语音时长和呼气相时长相等。
2) 不同文体朗读时的胸腹呼吸特点不同，朗读诗、词的各级呼吸重置分布更具规律性。新闻朗读中胸腹呼吸重置可分为3级，3级呼吸重置对应出现的位置分别是段首、复句首和分句首，散文朗读中呼吸重置大小可因情感语音需要而发生变化。
3) 朗读中主要以胸腹联合式呼吸为主，在发音过程中胸腔保持扩张状态至发音结束，胸呼吸曲线呈现梯形，为发音提供足够的气息和胸腔共鸣；腹呼吸信号呈现斜三角形，腹部持续收缩至语音结束，通过腹肌和膈肌的稳健收缩，保证稳定的声门下压，控制气流持续释放，以获得连续的语音。
不同级别呼吸重置出现的位置并不相同，与语法结构、韵律单元边界存在着一定的对应关系，下一步的研究应从呼吸角度探索汉语的韵律特点，同时研究不同发音人呼吸的个性特征，以及多人实时对话时话语轮回的呼吸特点。由于本次实验中胸腹呼吸信号录制的是胸腔和腹腔的变化，所得数据是相对值，要获得更为精准的呼吸数据就需要同步录制气流气压信号，这样可得到气流量、声门下压力、肺的容积变化等更加精确的数据。同时，结合螺旋CT拍摄的肺部图像，建立肺部的3维动态几何模型，可更加深入地研究言语产生的呼吸机制。
参考文献
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