我们是怎样发出声音的？

文：贰沐

编辑：贰沐/子鱼

提出“群体免疫”（herd immunity）的英国首相鲍里斯·约翰逊（Boris Johnson），上月底新冠确诊，这周初病情加重被送进ICU，英国的疫情也确实越来越严重。为了给国民加油打气，英国女王不得不再次出山，在温莎古堡发表了抗击肺炎的电视演讲。

对于习惯了好莱坞大片里美式发音的人来说，女王的“牛津腔”英式发音（received pronunciation）会给人一种耳目一新的感觉。有人说美式发音自由奔放，英式发音则保守高贵。知乎上也有关于这两种发音的讨论，关于学英语的时候到底选择哪个。今天在这里要聊的不是孰优孰劣，毕竟贰沐认为语言只是人与人沟通交流的工具，只要实现交流的目的，哪种口音都可以。

今天的主题是我们是怎样发出声音（说话）的，有人会说，这个问题简单啊，我们是用嘴说话的啊。答案没有错，但完整的发声机理过程是什么样的呢？

#----理工生的脑路就是清奇，你要弄清楚说话机理做什么？

#----额。。。我也不知道，为了世界和平？

声腔结构图

上面的图片给出了我们说话时要用到的组织结构。最上方是鼻腔（nasal cavity），右边嘴唇（lips）往里是舌头（tongue），再往里口腔和鼻腔交接的地方是软腭（velum），继续往下则抵达咽部（pharynx）,咽部的右侧则是会厌（epiglottis）；咽部往下则会到喉部，左边为食管（oesophagus），右边为气管（trachea）；气管的最上方则是声带（vocal folds），声带的右边是甲状软骨（thyroid cartilage），对于男性就是喉结（Adam's apple）。

1960年，Fant教授提出了著名的“源-滤波器”（Source-Filter model）模型用来描述我们的说话发声的过程。

源-滤波器模型示意图

源(source)指的是声带(vocal fold)，滤波器指的是软腭、舌头、鼻腔、口腔等组成的声道（vocal tract）。

声带发出一定频谱的声音，之后经过声道，声道起到滤波器的作用，对频谱进行修正，最后到达嘴部辐射出去。声带不同的状态，可以发出不同的原始的声音，舌头的不同位置、嘴部张开的大小和软腭的开合等也会改变声道所起的滤波器的特性，从而让我们发出各种不同的声音。

源

声带发出的原始声根据其振动与否可分为两种：

当我们正常说话时（voiced speech），声带会振动起来，产生的声音的频谱更加离散（窄带声音）。

【声带振动与否可以通过将手指放在喉部来感受】

不同说话方式时的频谱

当我们轻声说话时(whispering)，声带并不会振动，声音则是肺部的空气通过声带时引起的湍流产生的，此时的声音的频谱会更加丰富（宽带声音，音调弱化）。这也是为什么我们在这种状态下，不能唱歌的原因，因为唱歌需要变音调。

上面两种声音对应的其实就是浊音和清音。

滤波器

相同的源，不同的声道特征也会发出不一样的声音。五个重要的元音（vowels）a i u e o，就是通过改变嘴张开的大小和舌头的位置（前、中、后）来发出的。元音的一个重要特征是，发音时的发声器官的位置都是不动的，所以其对应的频谱特征也是保持不变的。

和元音相对的是辅音（consonants），所以应该怎么来判定辅音呢？或是辅音的特征是什么呢？辅音在发音时发声器官的位置是会动的（闭合或打开），其对应的频谱特征也是随时间变化的。例如发四个爆破辅音 p b t d时，都需要嘴突然的打开。

在说话的时候，元音往往不是很重要，很多时候他们不会影响信息的传达，这也是为什么很多单词里出现元音弱读(schwa 音)。但在唱歌的时候，元音就很重要，因为元音可以产生一个稳定的音调，这对唱歌来说很重要，没有控制好，也就容易跑掉。。。

七字真言，YCY鉴定神器

总结一下，“源”的不同状态可以帮我们区分清、浊音，“滤波器”的状态决定了如何发元、辅音。排列组合一下好像英语里所有的音都在里面了。了解了这些音是如何发出来的，是不是会有利于我们调整自己的发音呢，让自己的发音更正宗呢？实际上，通过观察native speaker说话时的口型和舌头位置来提高自己发音的方法也被众多英语达人所推荐。

#----上面是谁说发音不重要的？

#----额。。。看来要打脸

再次强调，口音真的不是特别重要，上面的方法只是“理工生了解所以然系列”所附带的一个小方法，或是发音准确一点更加有利于与别人沟通，从而达到语言最原始的目的。

#----终于圆回了一丢丢

还有就是可以多一个角度看看不同口音英语发音的区别，下面则是美式英语（上）和澳洲英语（下）中五个元音对应的舌头的位置（横坐标）和嘴巴张开的大小（纵坐标）。

美式英语

澳洲英语

意式英语

来源：https://www.youtube.com/watch?v=HDZs0S7qd64

上面都是以英语为例的，其实其他的语言也是一样的，把汉字字母表、日语五十音图里的音对应的发音位置都弄清楚了，估计普通话和标准日语也会说的比较标准了。

了解上面的发声机理，也有助于我们理解常说的“日语发音靠前、英语发音靠后、汉语则介于两者之间”这句话。

贰沐还是想强调一下，语言只是用来交流的工具，在不影响交流的前提下，口音反而赋予了其除作为交流工具外更重要的意义。

从东北“你cou sa”的霸气

到吴语“好弗拉”的软萌

以及四川“nong guo cui zi”的椒盐

和湖南“去看yinfabuluo”的塑料浪漫

香港“我是渣渣辉”的喜感等等

我们不只是在跟他们交换信息，还了解到了他们可爱的性格甚至背后的历史文化。

对于源-滤波器模型，2016年Wolfe教授利用3-D打印技术做了一个演示性的实验。他制作了两个人工头，分别演示人在说'had'和'heard'两个字里的元音的发声情况。

发声演示实验示意图

第一行给出了源的时域和频域特征图，两个人工头使用的源相同。

第二行上方给出的是发出两个不同元音时对应声道半径沿声道的变化图。下方则给出的是描述声道“滤波”特征的阻抗图。从阻抗图中可以看出，'had'人工头有四个共振峰（formants R1~R4），而'heard'有五个（R1~R5）。

最后一行给出的是最后从嘴部发出声音的频谱和时域图。可以很清楚的看到，发出声音频谱中的峰值频率同声道阻抗图中的共振峰很吻合。声道的不同特征很大程度上决定了实验中最终的声音的主要特征。

实际上最终发出的声音，除了同“源”和“滤波器”的特征相关外，还与口和鼻的声辐射效率以及“源”和“滤波器”的耦合作用相关，详细内容不再继续介绍，因为上面大大简化的模型能够很好的解释大多数的发声机理和现象。

其中一个现象就是为什么我们吸入氦气后，我们说话的声音会变得很高，像唐老鸭呱呱叫，吸入六氟化硫后声音又会便变成灭霸，很低沉。

#相信很多人都玩过第一个，这个也是很多科普活动中的常设项目。遇到氦气球也可以随时玩起，但要注意安全。

吸入氦气和六氟化硫说话

来源：https://www.youtube.com/watch?v=JjJOS0BpgnM

有人会说这个是因为氦气的密度比空气小而六氟化硫的密度比空气大导致的。但这还不是根本原因，根本原因是不同的气体改变了声道阻抗图中共振峰的位置（频率R1~R5etc）。氦气的密度比空气小，则声音在氦气中的传播速度要比在空气中快，共振峰的频率同声速成正比，则共振峰也会整体向高频移动，最后说出话的音调也就会变高。

左: 空气右：氦气

相似的，六氟化硫会让声道的共振峰也会整体向低频移动，最后说出话的音调也就会变低。

封面来源：

https://theprayer.diemutstrebe.com/

参考：

1 https://newt.phys.unsw.edu.au/jw/voice.html

2 An experimentally measured Source-Filter model: glottal flow, vocal tract gain and radiated sound from a physical model," Wolfe, J., Chu, D., Chen, J.-M. and Smith J. (2016) Acoust. Australia, 44, 187–191.

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