歌剧演员唱歌中神奇的极限现象

——穿透致远的歌声

马金龙

（中国科学院广州地球化学研究所，长沙市老干部大学枫叶艺术团）

摘要：歌剧演员唱歌中神奇的极限现象：仅靠一副肉嗓，就能让声音穿过乐池里交响乐队的音墙，且清楚而不失真地传递到大剧场每一个角落。歌声刺穿音墙的能力为穿透力，其声学动力机制是高频共振峰——歌手共振峰。而歌声灌满剧场的能力为致远力，其声学动力机制是声孤波——歌唱孤子。歌唱孤子的发现，意味着获得了声乐非线性方程组的解，显然对声乐有着及其重要的意义和作用。

关键词：歌剧；极限现象；穿透力；致远力；歌手共振峰；歌唱孤子

一、神奇的极限现象

在声乐演唱中，一个美妙的声音不仅是声线的甜美和声音的动人，而且还要有一个沁人肺腑的嗓音，让这具有穿透性的声音穿越管弦乐队，其声音以极强的致远力并且不失真地远距离传播，不断地延伸，一直飘摇到无边的那头。因为歌剧诞生并发展于没有麦克风的年代，它的唱法、声音就成了这种艺术的美学的一部分。歌唱家的训练、作曲家的写作方法、歌剧厅的音效设计均让无须电声扩音（也无需调音）的表演成为可能，从第一排到三楼最后一排都能听清歌唱家的歌声，而且是自带共鸣音响和滤波修饰,极具穿透力和致远力的歌声。这堪称音乐史上的一大奇迹。一台真正的歌剧表演是不会用麦克风的。即便像意大利维罗纳这样能同时容纳2万观众的露天剧场，更有甚者意大利男高音歌唱家恩里科·卡鲁索(Enrico Caruso)曾在十万人广场歌唱，他们也照样不用麦克风，而所有的观众都能听得清清楚楚。所以，一名合格的歌剧演员必须具备仅靠一副肉嗓，就能让声音穿过乐池里交响乐队的音墙，清楚而不失真地传递到大剧场每一个角落的能力；并可以日复一日，年复一年地表演。如果是二流或是完全没有受过专业训练的歌手的歌声试图穿过管弦乐队，最终听到结果就是一声尖叫声音很快就会消失。当代拥有如可传致远的声音，且越远越传越大的典范有：捷克花腔女高音歌唱家爱狄塔·格鲁贝罗娃（Edita Gruberova）、中国抒情戏剧女高音歌唱家和慧、瑞典歌后20世纪最伟大的瓦格纳女高音尼尔森（Birgit Nilsson）等。此外，加拿大戏剧男高音，音乐博士，加拿大勋章获得者乔恩·维克斯（Jon Vickers）为20世纪一位伟大的英雄男高音，有一种令人难以置信的共鸣，能够穿透瓦格纳和莱昂·卡瓦洛厚重的配乐音墙，并能在大型交响乐团中翱翔的声音。应该指出的是，只有听他的现场，因为直播或录音不能真正捕捉到那种现场的体验。再有，在波士顿纪念日巨大的合唱声中仍可以听到主要艺术家的声音，他们的声音就像在一百种弦乐器中的小号一样。

二、极限概念

所谓“极限”，可分为自然极限与人为极限。这里具体指如人类奔跑速度，乃是自然极限；而马路的宽度，则乃是人为极限。自然极限的意义体现了自然规律所决定的无法超越之限度，这也即是一个符合系统极限论原理的问题。人类声乐发出的声音音符总是在某一定穿透力（高频泛音）、致远力（声孤波）、音高或音低（频率）范围之内，均属于这类自然极限现象问题。

三、歌声的穿透力和致远力

这些训练有素歌手的声音（非线性声波）在空气中的可以稳定传播，且传播能力超强，在传播过程中能量的耗散很少，极具穿透性和致远性。应该指出的是，尽管歌唱的穿透力和致远力常常是同时在一起出现，但它们属于两个完全不同的物理声学概念。

1.穿透力

为了方便理解和认识歌声的穿透力，让我们来看看交响乐、言语、交响乐+演唱的平均频率分布情况（图1）。图中实线为交响乐的频率分布状态，可以看到，交响乐的能量主要集中在低频，在500Hz左右达到峰值。随着频率提升迅速降低。点线为言语（说话）的频率分布状态，能量主要集中在低频500Hz左右，与交响乐基本相似。所以用正常的说话方式去唱歌，必然被伴奏掩盖。虚线为交响乐＋演唱，很明显，演唱能量除了集中在低频500Hz左右外，还集中在高频（2500Hz左右），高频能量大幅超越了交响乐。

图1 交响乐、言语、交响乐+演唱的平均频率分布图

这个高频的峰被称为歌手共振峰（Singer’s formant，或Vocal ring），歌手共振峰是指在频谱表现为2800～3200Hz频率范围内一种共振波峰，这个峰值常被声乐描述与歌声中“声芯”（ring[英]，squillo[意]），或“响铃”，或“芯儿”，或“洪亮的音色”等有关，它的存在可以增强歌手嗓音的明亮度和穿透性,这也就是训练有素的歌手常常具有的一种“穿透能力”，即为歌手声音能否穿透伴奏的决定性因素，不至于被乐队伴奏或其他音响所掩盖。因此,如果歌手能够掌握正确的发声方法,就能提高共振峰内各个泛音能量的分布密度,从而产生明亮的、有穿透力的歌唱效果。

在现实演唱中，男歌手的歌手共振峰一般出现在2500-2800Hz，女歌手的歌手共振峰出现在3000-3200Hz。关于共振峰的界定，学术界存在很多不同的说法，总的来说，3000Hz左右的都算是。

至此，我们可以给穿透力下一个明确的定义了，歌声的穿透力为声音的高频共振峰在频率上穿越乐池的能力，其声学动力机制是高频共振峰——歌手共振峰。虽然，歌声的高频共振峰可以在频率上穿越乐池，但频率的能量并不能促使声波的远距离传播，声波远距离的传播取决于声音的可传能力或致远能力。应该指出的是，迄今，声乐界几乎所有人将穿透力和致远力混淆于同一个概念。

2．致远力

尽管，关于歌声的穿透力的概念和机制已经非常清楚了，其声学动力机制是高频共振峰。但有关歌声的致远力及其机制的研究甚少。这是因为，空气吸收引起的衰减声波在空气中传播时,部分声波被空气吸收作用、部分声能将发生转换和迁移,籍此导致声波衰减。反映在连续介质中的波动上，线性行为表现为色散引起的波包弥散、结构的消失，导致声音在空气中不能远距离传输。即当声音在空气中传播时，它会损失能量。

但是，非线性作用却可以促使空间规整性结构的形成和维持，如孤子、涡旋、突变面等等，这样在理论上，声波可以声孤波形式不失真稳定地远距离传输。令人惊叹和欣喜的是，在理论和实践上，1999年日本大阪大学的物理学家杉本信夫（Nobumasa Sugimoto）已经证明了空气中第一个声孤波，这种波可以长距离传播而不改变形状。他设想将声孤波应用于：一是重型机械，如压缩机，会产生声冲击，这是一件麻烦事情，由于要抑制这些冲击波是一件非常困难的事情，但若应用空气系统的分支结构——亥姆霍兹谐振器（图2左图）理论概念可能会有助于消除冲击波装置的设计。二是物质传输，应用“热管”进行长距离传输热量或其他形式的能量波而不失真。^[1] 作为声乐工作者，本文作者首先想到的是如何将声孤波应用于声乐歌唱中的声音传输和致远，破解声乐中的一些谜团。

图2  空气系统和人体乐器中的亥姆霍兹谐振器结构

四、咽穹/鼻穹孤子歌唱

我们近年在研究人体乐器“咽穹/鼻穹孤子歌唱”发现：人体乐器的分支结构——亥姆霍兹谐振器（图2右图）与空气系统中的亥姆霍兹谐振器结构（图2左图）完全相同，能将空气中相对独立于频率的声速变成为依赖于频率声速，从而使脉冲波形保持不变，即非线性声波不演化为激波（冲击波），而是演化为声孤波，它可以不失真稳定地远距离传播，决定着歌声的致远力（可传能力）。这样改变了声波在空气传播过程中必定发生畸变乃至形成激波的传统观念。由此，歌声的致远力是基于孤子歌唱的声波不失真稳定地远距离传输能力，其动力机制是声孤波——歌唱孤子。

歌唱孤子发现的意义：意味着获得了声乐复杂系统的非线性方程组的解，而孤子歌唱就像自组织临界点的舞蹈！咽穹/鼻穹孤子歌唱不仅有理论意义，而且还具实用价值。迄今，已在小范围内开展了歌唱实验和实践应用，无论是美声、民族或流行，甚至戏曲，均有非常明显演唱效果。最显著的效果特征体现在以下两方面：（1）唱歌嗓子不累了，由原来唱不到半小时嗓子就哑了，到现在唱1-2小时也不感觉到累；（2）因为歌唱的位置高了，声音的穿透力和致远力明显提高，声音更好听了，有了整体共鸣而高频泛音丰富了，声音一致了，共鸣也统一了……这属于典型的高位置歌唱模式，即充分利用共鸣“利息”，而非使用嗓子“本钱”的歌唱。

咽穹/鼻穹孤子歌唱主要涉及三个问题，我们花了二年时间来寻找有启发性的答案：

l  是什么物理因素使歌声致远？

l  我们该怎么做才能使歌声可传致远？

l  咽穹/鼻穹孤子歌唱的意义？

以上问题将在待刊文章《歌声中的孤立波 临界线上的孤子歌唱》中详细阐述和回答。

五、结语

歌声的穿透力为高频共振峰在频率上穿越乐池的能力，其声学动力机制是高频共振峰——歌手共振峰。而歌声的致远力是基于孤子歌唱的声波不失真稳定地远距离传输能力，其声学动力机制是声孤波——歌唱孤子。歌声中的声孤波的发现，意味着获得了声乐非线性方程组的解，显然对声乐有着及其重要的意义和作用。歌唱孤子的发现充分证实：声乐的声音不是神秘系统的产物，而是科学的确定性问题，跨学科间的相互紧密合作揭开歌唱的奥秘！可以预言这样的时刻已到来：用科学语言真实地描述人体乐器的声乐体验，给出精确的技术信息和事实图像，取代一直以来用想象来解释生理和声学现象，或用形象语言描述声乐体验，描绘出生动的想象图像的状况。

参考文献

[1] N. Sugimoto, M. Masuda, J. Ohno, and D. Motoi. Experimental Demonstration of Generation and Propagation of Acoustic Solitary Waves in an Air-Filled Tube，Phys. Rev. Lett. 83, Published 15 November 1999. pp. 4053–4056.