新发现：人体乐器是一个天然的活体带通滤波器构造

 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：人体乐器是由振荡器、谐振器和滤波器的组成制造声音的有机体，在几何形状和声学功能上，人体乐器就是一个天然的活体带通滤波器构造。由人的发声器官发出的音量、音律和音韵等构成的人的声音的音质之美，是人体乐器的振荡器、谐振器和滤波器三者之间的反馈耦合作用之结果，其中带通滤波器构造可以作为歌唱行为的指南。人体乐器带通滤波器构造不仅产生歌唱共振峰和歌唱孤子，而且，其Q系数是衡量声音质量的金标尺，可望建立全新的定性和定量的通带歌唱评价标准体系。

关键词：人体乐器，振荡器，谐振器，滤波器，歌唱，评价标准 

一、人体乐器的声道

迄今，关于声音的基本共识：基音频率决定音高，振幅大小决定响度，泛音组成决定音色，这一切最后归于共鸣！歌唱发声的音高(或基音频率)首先是由声带决定的。但共鸣腔体除了对音色、音量之外，还对音高起一定的作用。声带（声源）为振荡器；共鸣腔体也称为谐振器，是调频前置产生的初始频率使其在某个频率上发生振荡；滤波器是一个范围通过原则——消除不需要的波形，其本质就是谐振频率或频率控制和修整管理，如高通、低通、带通（通带截止）。

现代声乐理论认为：声道是一个从声带顶部开始一直到嘴唇边缘的空气容器，即主声道垂直和水平管状谐振器，图1中湖蓝色部分。男性平均声道长度约17厘米，女性约14厘米。人体乐器的声音通道（声道）为一管状体，它可以作为声带产生各色声音的共鸣器和过滤器，这些共鸣器和过滤器一直以来是以管状体进行研究和应用的，实际上现代声乐理论体系就是基于管状谐振器建立起来的，因此，也称为管状谐振器声乐。关于人体乐器发声机制现代声乐理论认为，是簧管偶组的形式既有簧片(声带)振动，又有管(共鸣腔体)的共鸣作用和空气柱振动发声的作用。在中低声区，以声带振动为主；在高声区，则要更多发挥共鸣管发声的作用，以加强音量，改善音色。

图1  人体乐器的结构和构造示意图 

上述关于声道（通道）的定义存在一个问题：众所周知，在演唱时，我们的软腭是抬起来的，尤其是唱高音时，抬起的软腭将咽腔一分为二，鼻咽腔从咽腔中被分割出来呈倒葫芦状，此刻，完整的咽腔并不再存在，被分离出来的鼻咽腔成为了主声道的一个分支结构（图1中红褐色部分）。当代让声音清晰可见的磁共振成像技术也证实了这个事实（图2）。主声道与分支结构由腭咽开口相连通，抬升软腭后部狭窄部位（图1中红褐色狭窄部分）。因此，通道（声道）严格的定义应该是：垂直管状谐振器（喉腔，喉咽腔）和水平管状谐振器（口咽腔和口腔）的结合，形成人体乐器主体构造——7型管状谐振器，即主声道。主声道上还存在分支结构——亥姆霍兹谐振器系列：第一亥姆霍兹谐振器（鼻咽腔），第二亥姆霍兹谐振器（鼻腔），第三亥姆霍兹谐振器（鼻窦），这些亥姆霍兹谐振器皆属于上部共鸣体。所以，完整人体乐器发声体系应该是管状谐振器和亥姆霍兹谐振器的集合（图3）。现在给广义的声道下个定义：与人体乐器发声相关的所有空气容器。

图2  核磁共振下歌唱软腭抬起状态

图3   人体乐器管状和亥姆霍兹谐振器结构

二、人体乐器的结构和构造

人体乐器的结构是指各个发声器官的大小，形状以及彼此间的组合方式。如声带振荡器、主声道垂直和水平管状谐振器以及分支结构亥姆霍兹谐振器等结构组成（图3）。

人体乐器的构造是指发声器官排列集合的总体构成形式或形态。如在整体上人体乐器就是一个带通滤波器构造。

空气处理系统声学过滤（acoustic filters typically used in air-handling system）在空气处理系统中通常使用的声学过滤器（图4）有四种类型：（A）和（B）低通滤波器；（C）高通滤波器；（D）带通滤波器。

图4  空气处理系统中常用的声过滤器

对比图4左右两图，空气处理系统带通滤波器：气流导管上相连的球形空腔——亥姆霍兹谐振器构成了一个带通滤波器（图4左）；人体乐器带通滤波器：在人体乐器主声道上相连着分支结构鼻子（鼻咽腔、鼻腔和鼻窦），且在其连接处主声道被折弯90°（图5右）。这就是两者的唯一不同之处。由此看来，在整体构造上，人体乐器不是管状谐振器构造，管状谐振器只是人体乐器中的一个结构而已；人体乐器是一个天然的活体带通滤波器构造，其主要功能是滤除窄频率范围内的振动。因此，基于管状谐振器结构建立起来的现代声乐理论可能需要完善和修正，甚至重构，人体乐器的物理声学属性应该由现在以管状谐振器结构为主导音效向以带通滤波器构造为主导音效方向转变。 

图5  人体乐器就是一个天然的活体带通滤波器构造

三、声过滤（acoustic filtering）

声过滤是指过滤掉发声系统中不需要的振荡频率。声过滤在空气处理系统的设计中起着重要的作用。例如，为了衰减鼓风机电动机和其他振动源的声音，将横截面积较大或较小的区域插入风道内，在空气处理系统中通常使用的声过滤器如图4所示。管道的面积或通过添加侧分支结构反映了不良的频率，该频率由变化的大小和形状确定。声音本身也是一种能量，在消声器中，有大量的小孔，通过节流膨胀，消耗了大量的能量，声音也就变小了，起到消声器的作用。

音频滤波器是依赖于频率的放大器电路，在工作音频范围，0Hz到超过20Hz。音频滤波器具有通过或衰减某些频率范围的功能作用从而实现音频的放大，存在针对不同音频应用的多种类型的滤波器，包括高保真立体声系统、音乐合成器、音效、扩声系统、乐器放大器和虚拟现实系统。

低通滤波器（LPF，low pass filter）：面积较大或较小的区域将充当低通滤波器，反射高频，如图4中的A和B。在低滤波器上，当滤除高频时，允许低频通过，即通过低于其截止频率的频率，并逐渐衰减高于截止频率的频率。在音频分频器中使用低通滤波器，以从发送到低频低音炮系统的信号中去除高频内容。

声乐中的打开喉咙：“喉头下降，喉上收缩，下咽体积增大”是否为低通滤波器结构？答案是肯定的。这种人体乐器低通滤波器结构能够减少声门以上高频谐波的振动，从而使声带发出来的声音锐耳动听而不刺耳。由于某些高频被过滤掉了，使发出的声音柔和。中国传统民声之所以“明亮”，是因为没有“打开喉咙”建立起低通滤波器结构，高频未能过滤掉，因此，声音有点刺耳。表象是用的力气太多了，喉头紧张，有挤卡。而美声就没有这个问题，因为建立了低通滤波器结构，吸收了一些高频，因此，声音就柔和了。低通滤波器结构具有喉头松弛，唱歌时无需使用太多的力量。事实上，声带只有1-3cm大小，根本无需太大的力量，就能将声带振动出声，科学的发声应该是用最小的力，发出最大的音响，省力高效。（有关“人体乐器低通滤波器结构——打开喉咙的本质”将另文论述）

高通滤波器（HPF， high pass filter）：一个或多个开口将用作高通滤波​​器，消除低频，如图4中的C。在高通滤波器上，当滤除低频时，允许高频通过。高通滤波器与低通滤波器相反，通过高频率高于截止频率，并逐渐衰减的截止频率以下的频率。可以在音频分频器中使用高通滤波器，以从发送到高音扬声器的信号中去除低频内容。一些汽车消声器使用这种类型的过滤器。

带通滤波器（BPF，band pass filter）：相连的球形空腔——亥姆霍兹谐振器构成了一个带通滤波器，实际上起着一种带吸收器或陷波滤波器的作用，它消除了空腔谐振频率附近的频率带，也就是可以滤除窄频率范围内的振动，保留宽频率振动部分——声线。图4D中所示带通滤波器，用空腔亥姆霍兹谐振器从沿风道向下传播的声波吸收频带，然后以相反的相位进行发射，从而它们将对入射波产生破坏性干扰，并导致它衰减。带通滤波器通过其两个截止频率之间的频率，同时衰减那些的范围之外。带阻滤波器使两个截止频率之间的频率衰减，同时使“截止”范围之外的频率通过。亥姆霍兹谐振器还可用于建筑声学中，通过构建一个谐振器来筛选低频率声波（人们不想要的频率：驻波，次声波等对人体有害的频率），从而消除它。

全通滤波器：一个全通滤波器通过了所有的频率，但会影响相位任何给定的正弦分量根据其频率。

应用：在某些应用中，例如在图形均衡器或CD播放器的设计中，滤波器是根据一组客观标准（例如通带、通带衰减、阻带和阻带衰减）设计的，其中通带是频率用于其的音频被衰减小于指定的某个范围，而阻带是其中音频必须由规定的最小衰减的频率范围。在更复杂的情况下，音频滤波器可以提供反馈环路，从而引入共振和衰减。音频滤波器也可以设计成提供增益和衰减。在其他应用中，例如在使用合成器或声音效果时，必须主观评估滤波器的美感。

音频滤波器可以在模拟电路中实现为模拟滤波器，也可以在DSP代码或计算机软件中实现为数字滤波器。通常，术语“音频滤波器”可用于表示会更改音频信号的音色或谐波含量的任何内容。

五、通带歌唱

怎样唱好是一项不易掌握的技能，熟练运用发声器官对提高技能不是主要因素。因为，从神经学角度来看，发音动作的协调受大脑控制，而呼吸机制，尤其是横隔膜、声襞以及与它们相联的肌肉组织是由动觉来感受的。这就意味着它们的活动无法产生有意识的感觉，在整个发声过程中的配合只能随自发自由的行为来改善，与理性控制无关。

既然调整发声器官只能勉强改善发声，那么依靠这种手法的熟练未必能使其发挥作用。相反，除非机能性活动发生在无意识状态，否则不可能找到合适的位置，也不可能自如运用发声器官。

但是，可以基于复杂系统给出整体的解决解决方案：在整体上，人体乐器是一种天然的活体带通滤波器构造，包括了振荡器（声带）、管状谐振器（主声道）和亥姆霍兹谐振器（分支结构）、管状滤波器。因此，最合理完美的歌唱应该是基于带通滤波器构造中的歌唱状态，即构建和塑造好歌唱状态：下部打开喉咙（半打哈欠）：喉头下降，喉上收缩使喉头变窄和下咽体积增大，喉头和下咽的长度或面积比为1:6（常量）；上部为高位安放歌唱位置：声气射流（变量）直接冲击咽穹/鼻穹（常量），使呼吸和喉肌肉组织进入平衡运行状态（常量），进而形成亥姆霍兹谐振器声气射流共鸣（常量），这样可使其元音共振与所唱音调的谐波很好地对齐（常量）。其歌声特征为产生丰富的歌唱共振峰（常量），穿透力极强——刺穿乐池；形成非常稳定声波物质的歌唱孤子（常量），致远力极强布满整个剧场的通带歌唱（语言为变量）。这样在唱歌中只有声气射流和语言这两个变量，因此，这是一个简单系统，一般人可以非常容易的控制操作。

六、歌唱评价标准

在研究人声功能时，可以对人声进行主观和客观分析。人声的主观特征包括音高、响度和音质，客观特征包括频率和声强。由于客观测量通常仅限于有必要仪器测量声学数据的环境，因此主观评估是绝对必要的。

音高和响度相对容易评估。音调对于年龄和性别来说可能太高或太低，对于环境来说可能太大或太软。然而，从历史上看，无论是受过训练的还是未受过训练的听众，对于判断声调清晰度的质量几乎没有共识。经常与声音质量相关的术语非常丰富多彩，但诸如嘶哑、刺耳、呼吸困难、紧张、金属、沉闷和鼻音等术语，尽管是描述性的，却没有普遍接受的定义。若将共鸣作为评价声音质量指标，无论高、中、低音均应以整体共鸣作为判定依据。总之，在描述声音质量方面仍存在分歧，尚未形成一致认可的标准。

1.定性标准

完全通带歌唱：100%利用带通滤波的演唱，即高位歌唱模式：咽穹/鼻穹-孤子歌唱。让高频和低频的声音以一种完美比例带通。为一种投入少产出高、四两拨千斤的高效经济歌唱方式。中国声乐界的典型代表：女高音周雪丽和女中音歌唱家关牧村。前者的特点：完全的通带歌唱，超高音如此丝滑，游刃有余，没有一丁点口腔音，毫不费力真正飘起来的花腔，声音高级而松通透，舒服度犹如痒痒挠刚好挠在痒痒的地方。后者的特点：高频丰富、中音浑厚、细实圆润、清净清晰、弹性声波、穿透乐池、可传致远、抒情醒神、声线匀长。

非完全通带歌唱：未全部利用带通滤波的演唱，如中位歌唱模式、低位歌唱模式、游走位移型歌唱模式，它们属于以低频带通为主。另外，还有一种极端唱法如京剧、民间小调等，尽管它们属于高位歌唱模式，但几乎全为高频，因此，属于一种非完全通带歌唱。

2.定量标准

带通滤波可以作为评价歌唱定性指标和定量指标。定性指标根据是否为完全带通滤波歌唱作为判定。定量指标采用Q系数衡量，带通滤波器可以用其Q因子来表征，Q值代表滤波器的品质因数。Q因子是分数带宽的倒数。高Q滤波器的通带较窄，低Q滤波器的通带较宽。Q值对实际滤波效果影响倒不大，但Q值（因数）代表的是损耗/输入功率，Q值越高，说明损耗越大，意指会有部分能量在滤波器的声感上被耗损掉，转变成新物质和新构造形式，如声孤波——歌唱孤子，声能密度增大。这些滤波器分别称为窄带滤波器和宽带滤波器。因此，带通滤波Q值可应用于定量评价歌唱水平的标准体系：高位歌唱模式属于高Q值，而中位歌唱模式、低位歌唱模式和游走型歌唱模式属于低Q值。

七、理论和应用意义

人体乐器为天然的活体带通滤波器构造的发现和研究具有非常重要的理论和应用意义。

（1）人体乐器是由振荡器、谐振器和滤波器的组成制造声音的有机体，在整体上人体乐器就是一个天然的活体带通滤波器构造。应该指出的是，在其构成方面现代声乐体系与器乐体系完全相同，在理论和实践应用方面，均只考虑了振荡器、管状谐振器和管状滤波器，未涉及到亥姆霍兹谐振结构和带通滤波器构造。由此，基于管状谐振器建立的现代声乐体系看来并不完整。

（2）在局部上，人体乐器除了主声道管状谐振器外，还有分支结构亥姆霍兹谐振器系列（图3右），前者产生高频共振峰，后者放大高频共振峰——歌手共振峰。

（3）在局部上，分支结构亥姆霍兹谐振器重塑声脉冲，管状谐振器恒定波形状。

（4）在整体上，人体乐器就是一个天然的活体带通滤波器构造（图1）。歌手共振峰、歌唱孤子均是她的产物。

（5）由人的发声器官发出的音色、音量、音律和音韵等构成的人的声音的音质之美，是人体乐器的振荡器、谐振器和滤波器三方之间的反馈协同耦合作用之结果，最终由带通滤波器构造对带频控制管理呈现释放出来。因此，由于带通滤波构造具有频率控制管理功能，不但可损耗低频效果，而且还能够实现较高的Q值，因此，它可望成为歌唱行为的指南。

（6）带通滤波可以作为定性评价歌唱水平的一个重要依据，其Q值可作为衡量声音质量定量指标，可望建立歌唱定量评价标准体系。

八、结语

随着人体乐器中的新构造——带通滤波器和新结构——亥姆霍兹谐振器的发现，而带通滤波器构造和亥姆霍兹谐振器结构对人体乐器的发声机制有决定性的作用和意义，看来需要重新认识基于管状谐振器建立起来的现代声乐理论体系，因它属于一种非整体性的声乐体系，因此，具有很大的局限性。现在构建完整性声乐理论体系的充分必要条件已经成熟，以管状和亥姆霍兹谐振器结构来共鸣放大声音，以低通滤波器结构过滤高频谐波的振动，以带通滤波器构造来滤波塑造声音，产生歌手共振峰和歌唱孤子，实现通带歌唱。