聲學語音學

　　用聲學的方法研究分析語音的學科。它與言語聲學(speech acoustics)相通，但研究重點有所不同，前者偏於語言學範圍，後者偏於物理學範圍；由於它們除本學科的基礎外還需具備另一方的知識，所應用的理論和方法又互有聯繫，因之它們的界限有時不是十分清楚，隻是各有側重而已。

　　人的語音以聲波形式由空氣作為媒介傳到對方，言語聲波的特性分析是現代語音學研究的最重要手段之一。言語聲波的研究，早期都由物理學傢進行。20世紀初分析語音音隻能用一種特制的浪紋計畫出波形，用傅裡葉分析尺對逐個周期的波進行測算，才得出表示聲波特性的頻譜和頻率。到瞭50年代，動態聲譜儀及其他聲學儀器的廣泛應用，使語音學邁進一個新階段。此後20多年中，這方面的研究達到全盛時期，形成一門邊緣學科──聲學語音學。

　　語音的聲學基礎　①聲波：任何聲音都有聲源。聲源由振動體產生。振動體分固體的振動體和空氣柱的振動體。最簡單的振動體如音叉，被敲擊後叉臂擺動，擾動周圍空氣，形成疏密相間類似水浪紋的波，稱為簡諧波，又稱正弦波。它有一定的振動周期（每秒鐘振動次數）。如果有兩個叉臂長短彼此不同的音叉，同時受到敲擊，就造成兩個不同周期的振動，所產生的簡諧波疊在一起而成為復合波。圖1表示兩個分別為100赫和500赫的簡諧波疊加成復合波。

圖1　簡諧波與復合波

聲帶波是許多有規律的簡諧波疊在一起的復合波，這些都屬於有周期性的樂音。另外一種是沒有規律的雜亂的波，它屬於無周期性的噪音（圖2）。

圖2　上 周期性樂音 下 無規噪音

顯示聲波的儀器主要為示波器(有陰極射線示波器或光點、機械等示波器)。波形的縱坐標表示振幅的大小，橫坐標表示時間的長度。②頻譜：復合波用傅裡葉分析法能分解出若幹正弦波，每一個簡單的正弦波稱為一個分量，各分量被畫成垂直線排列在橫坐標上，成為縱坐標，表示諧波的振幅，橫坐標表示頻率的二維頻譜。頻率最低的一條諧波譜線是基頻，以上的第二諧、第三諧、……都是基頻的2倍、3倍、……。不同語音（樂音）的頻譜中，各諧波的幅度搭配各有不同，其中有好幾條譜線集成若幹個峰值，稱為共振峰。這是表示元音音色的重要信息。(圖3)

圖3　復合波的二維頻譜

　　言語的聲學特征　言語聲的聲源有清音濁音的不同。清音由肺部氣流通過敞開著的聲門後，遇到咽腔或口腔中某部分的阻礙，如果阻礙是狹縫狀，就產生湍流，以輔音的擦音為代表；如果是閉塞狀，在閉塞突然放開時，就產生一種脈沖，以塞音（又稱破裂音）為代表。這些都是無規噪音。阻礙位置的前後，作用面積的大小，以及氣流的長短、強弱等都決定瞭這些輔音的音色。濁音是由聲帶顫動發出的周期性脈沖，也就是嗓音（又稱樂音）。這類音構成語音中的元音或濁輔音。未曾受到調節的聲帶波形在二維頻譜上表現如三角形。聲腔具有它的自然頻率特性。聲帶波被聲腔的自然頻率制約後就改變成語音的復合波。聲腔由於舌位的運動，軟腭的升降而改變瞭自然頻率，於是造成不同的元音和其他響音。(圖4)

圖4　噪音波受聲腔調制作用示意圖

　　語音的聲學分析　言語的聲學特征可以用各種聲學儀器來分析。語音中的許多現象，諸如輔音的發音方法、發音部位，元音的音色，復合元音的動程，字調和語調的高低以及輕重音的強度等，都能直接或間接地作出定性或定量的分析結果。這些儀器中以動態語圖儀尤為重要。(見彩圖)

由微型計算機和語圖儀組成的語言信號分析系統

中國社會科學院語言研究所研究普通話語音合成系統

中國語音學傢在國際語言學傢會議上作學術報告

　　言語波模式　用示波器（較新型的語圖儀也具有示波裝置）作出的語音波形，所表現出來的語音模式可以分為：①無音段型，②爆發音段型，③無規噪音型，④準周期性樂音型，⑤無規性與周期性的混合型等。通過這些波形，大致可以辨認出是什麼元音或什麼輔音。但是發音器官的造形或動作稍有不同，波形就有變動，往往聽起來是同樣的音而波形卻不相似。因此用聲波波形分析語音還不是最理想的方法。(圖5)

圖5　不同元音的波形

　　動態頻譜或語圖的模式　用語圖儀做出的語圖，以縱坐標代表頻率，橫坐標代表時間，而以圖中顏色的濃淡代表強弱，稱為三維頻譜。用在語音分析上的一般稱為語圖。語音在寬帶語圖上的表現，可分為幾種模式：①短脈沖直條（又稱沖直條），②無規則亂紋，③闊橫杠。在分析輔音的發音方法上，沖直條表示塞音或塞擦音的除阻段；亂紋表示清輔音的摩擦段或送氣段。橫杠表示一切濁音，包括元音和濁輔音的基頻和共振峰。這3種模式的單獨出現或組合就構成一切語音的模式，它代表瞭一切語音的音色。在頻率坐標上，共振峰橫杠的分佈位置代表某種元音或濁輔音，而沖直條和亂紋的分佈區域（中心頻率和下限頻率）可用來辨認輔音的發音部位。(圖6)

圖6　語音的語圖模式（三維頻譜）

　　噪音起始時間與過渡音征　輔音與元音在一個音節中的交替，是由一個音位滑移到另一音位，有一個漸變的過程，這個過程或者連續不斷，或者略斷即連，視不同輔音而異。

　　在一個音節中，清輔音中的塞音連上後面元音時，由於清塞音聲源是肺氣流，而元音是聲帶音，塞音除阻後，聲帶音雖立即跟上，但還有很短的一段無聲間隙，這一段的時長稱為嗓音起始時間（簡稱VOT），VOT的長短不同和閉塞輔音音色在聽辨上有決定性作用。此外，輔音與元音或元音與輔音結合，中間那段過渡因在聽感上是辨別輔音的征兆，稱為過渡音征，在語圖上表現為在元音共振峰橫杠前部或後部有彎曲形狀，一般以第二共振峰最具有過渡音征的特點。音征的長短和彎曲的走勢(或升、或降、或不彎而平)反映瞭這個輔音的發音部位。因此，嗓音起始時間與過渡音征都是聽辨輔音的重要參量。(圖7)

圖7　音節語圖模式

　　現在把普通話的元音、輔音的聲學參量選出若幹有代表性的列表於下（表1、表2、表3各表中的數據選自《普通話單音節語圖冊》）。

表1　普通話10個元音共振峰數據表（赫茲）

表2　普通話濁輔音聲學數據表

表3　普通話清輔音學數據表

　　聲學元音圖　語言學傢開始采用聲譜來分析語音之後，為便於比較和描寫，把這些聲學數據轉換成一種兩坐標的圖，它和通行的四邊形元音舌位圖很相似，稱為聲學元音圖。它以元音的第一共振峰頻率值F₁為縱坐標，第二共振峰頻率值F₂為橫坐標。坐標的分度有的用線性（等分），有的用對數或其他標準。這類圖隻是設法把不同元音及其變體在圖上區別開來，作出的圖大致和元音的舌位位置相當(圖8)。

圖8　普通話10個元音的聲位

用這種方法來研究復合元音，也可以根據復合元音的共振峰逐段量出數據來作圖。這就能更形象地表達復合元音的動程和起訖點。(圖9)

圖9　普通話3個復合元音的聲位

　　韻律特征的聲學分析　語音的聲學特性除音色外，還有3種特性，如音強、音高、音長，總稱為語音的韻律特征，又稱超音段特征，它們都可以用語圖儀或音強計、音高計等儀器來分析。音強顯示語音的重音、輕音等強弱變化，音高表現語音的字調與語調，而音長則對語言節奏的快慢，字與句之間的長短關系等加以準確地計量。圖a介紹一句詩句用普通話、廣州話和上海話3種方言來說出所作的窄帶語圖。從圖中可以比較這3種方言中韻律特征的異同。這3種方言中，除瞭音色不同之外，聲調的調形、變調的規律以及輕重音的分佈都有區別。音高顯示器和數據處理系統(見彩圖) 可以直接把語音的聲調即時顯示在熒光屏上，比語圖儀的速度更快。韻律特征研究在提高人工言語合成的質量上起著決定性作用。目前的聲學研究已致力於韻律特征的全面分析。

圖10　漢語3種方言的韻律特征

音高顯示器和數據處理系統

　　

參考書目

　吳宗濟主編:《漢語普通話單音節語圖冊》，中國社會科學出版社，北京，1986。

　拉迪福吉德著，吳伯澤譯：《聲學語音學綱要》，載《方言》1980，第1、3、4期。(P.Ladefoged，Elements of Acoustic Phonetics，The university of Chicago Press，1974.)

　丹涅斯等著，曹劍芬、任宏謨譯：《言語鏈──說和聽的科學》，中國社會科學出版社，北京，1983。(P.B.Denes，E N.Pinson，The Speech Chɑin，Anchor Press，New York，1973.)

　C.G.M.Fant，Acoustic Theory of Speech Production，Mouton and Co，S-Gravenhage，1960.