歌唱背后的科学：物理学

 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）

迄今，物理学已渗透到了我们用来描述声乐的语言，以及我们用来理解声乐的概念。物理学本身就有一种美学美，它通过一些普遍的原则来表达，这些原则涵盖了一系列显然不相关的应用。歌者将艺术性、情感和抒情风格与一些美丽的物理结合在一起。

声乐的模式将时间和噪音结合在一起。歌声不是从随机的创作灵感中产生的。歌曲也不是混乱的。相反，它们涉及结构、模式、重复和其他特征，这些特征使它们能够被人耳识别。最终，声乐是一种科学——一种迷人的、脉动的声音，通过人们的听觉感知，几乎本能地开始理解一首歌的结构、模式和时机。这说明了某种程度的相互联系，这可以追溯到物理学。由于人声在所有音乐中具有中心地位，这里的声乐也包括了音乐。

关于声乐和物理学之间关系的问题可以追溯到人类的起源，而且与物理学本身一样古老。事实上，在中世纪时代，声乐被认为是与天文学、几何和算术并列的四个核心学科之一，声乐在逻辑、语法和修辞这三个较小的语言基础学科中占有一席之地。因此，一些学者认为声乐研究是一门科学。它被视为与数学、几何和天文学并列的重要学科。如今，尽管大多数人都认为声乐很重要，但它可能得不到应有的科学尊重。应该指出的是，宇宙中的其他一切都是相连的。声乐和物理也是如此。下面让我们来看看物理和声乐是如何交织在一起的。

值得注意的是，一方面，很多人唱歌时的所谓经验都是来自如自己的感觉，而你的感觉和我的感觉不可能完全相同，因此，描述出来的结果也是不同的。只有很少的一部分会达成一致，大部分人都会用自己喜欢和擅长的方式和方法去唱歌，而这些所谓的经验很少涉及到正确的生理学和物理学发声之间的关系。另一方面，语言没有类似于谐振、滤波、频率、振幅和驻波的概念：要理解声乐中的这一原理，隐喻必须来自物理学。

一、呼吸物理学

有效的呼吸技巧对良好的歌唱至关重要。接收来自神经系统的各种信号后，膈肌收缩，膈肌向下移动。当隔膜压下时，它会在肺部产生真空，空气会涌入填补真空。

呼气过程中腹部是向内的压力大于向外的压力，而最终导致腹部会向内收缩。歌唱时需要保持长时间的气息供给，因此，下腹部的向内收缩是一个缓慢过程，同时，上腹部的横膈膜扩张状态比吸时的状态更为扩张，这样确保了演唱时对气息的长时间控制，即：下腹部肌肉收缩的力量(向上)大于上腹部横膈膜扩张(向下)的力量，从而使气息从里向外呼出。即高压气流向上冲击闭合的声带而发声，(这里存在着向上冲击声带力和声带闭合向下阻挡气流通过的力量，形成一种对抗，称为第二抵抗)。显然，歌唱的呼气过程并不是一味地只有下腹部肌肉收缩的力量(向上)，同时更需要上腹部横膈膜强烈地向外扩张(向下)的力量——第一对抗。这种对抗力量始终存在于整个歌唱过程之中（图1）。

l  最有效的歌唱吸气是不费任何力气地快速吸人所需要的气量,口鼻同吸但动作不要过大。

l  “起音”是正确发音、有效利用气息的关键。

l  为了完成一个较长乐句的演唱,歌手需要将腹肌收缩与靠肋间肌活动引起的胸廓收缩结合起来运用，实现在流动的气息上歌唱（Singing on the breathe and moving）。

l  这些动作将会自动编程，变成一种简单的反射过程。

图1  呼吸器系统和喉结构示意图

今天，有很多种不同的呼吸方法：（1）在发声时（即呼气时）通过压缩腹部来“支撑”呼吸；（2）在吸气和发声时尽可能放松腹部肌肉，让隔膜在吸气时起作用，并将其放松作用于呼出的呼吸（即发声期间）。（3）下部腹肌支撑是声音高度的原因，而上部横膈膜支架负责是声音的宽度（主体）。关于呼吸有三个主要的流派，（1）胸式呼吸：这是一种主要依靠胸腔控制气息的呼吸方法。（2）腹式呼吸：这种呼吸法主要靠下降横膈膜，用腹部肌肉控制气息，唱歌时胸部不抬起，只用凸肚子或者瘪肚子的方式呼吸，或者呼气时小腹不但不收缩，还向外凸出。（3）胸腹式呼吸：这是目前声乐界大多数人认为最可取的歌唱呼吸方法。它是一种运用胸腔、横膈膜和腹部肌肉共同控制气息的呼吸方法。

二、发声的物理学

当空气从肺部排出时，它会上升到气管，并进入喉部的收缩处——称为声带的地方——导致声带振动或嗡嗡作响。这种嗡嗡作响被称为声音。声带将气流“切割”成一系列快速的“抽吸”，从而产生声音（图1）。应该指出的是，产生声音的不是声带褶皱的冲击。这将产生了一个基本的音调频率，即谐波系列中的最低频率，称为基频，并伴随着几个非谐波泛音，这是声音系统的自然共振或振动频率。

所产生的声音通过声道（喉部、咽部、口腔和鼻腔）的运动、气流的体积和声带的收缩程度来改变。在讲话时，由于声带收缩，气流相对较小，而歌唱时，声带拉伸幅度较大，气流较大，声道运动也较大。

1.发声

发声是指使用喉系统产生声音，这是一种可听见的声能来源，然后可以通过其他发声器官的发音动作来改变声音（参见下面的发音部分）。

声音是在喉部产生的，喉部是颈部的一个器官，负责保护气管和发声。喉部容纳声带，这就是为什么它通常被称为“音盒”。它位于咽腔的正下方——颈部和喉咙的一部分，位于口腔、鼻腔和颅骨的正后方，食管、喉部和气管（“气管”）的正上方。

喉部也是调节音高和音量的地方。肺部呼气的强度有助于响度，是声带发声所必需的。

了解喉的复杂解剖和生理学是一项艰巨的任务。喉部肌肉的控制是通过生物反馈过程完成的，该过程涉及通过声音和感觉来感知和监测声带的振动。学会对这些行为做出调整是一个复杂而缓慢的过程，需要一生才能掌握。任何关于产生这些声音和感觉的结构的知识都只能帮助歌手欣赏和分析所感受和听到的东西。喉本身结构和功能将提供更多关于声音是如何由喉机制产生和控制的机制（图1）。图2给各种不同唱法在人体乐器中的歌唱位置示意图，以及歌唱时喉部理想位置的信息。

图2  各种不同唱法在人体乐器中的歌唱位置示意图

2.发音（特定语音的形成）

最后，空气和振动通过声道，并由发音器形成可识别的语音。

声音振动是变化的，以产生语调（表达强调、对比、情感等的音调变化）和音调（语言中使用音调来区分单词）。这是通过改变声门下空气柱的压力（位于喉中部的声带之间的空间）以及声带本身的张力来实现的。这些动作会改变声带振动的频率，从而产生声音的基本音调。

可移动的咬合架是一种能够移动并允许我们塑造声音的结构[即下颌、嘴唇和其他面部肌肉、舌头、软腭（构成口腔顶部后部的柔软、可移动的组织）和咽部]。

固定咬合架是指肌肉无法移动的咬合架，即腭穹（硬腭）、鼻穹（鼻腔顶部）、咽穹（咽腔顶部）和牙齿。腭穹是头骨的一块薄而水平的骨板，骨板上覆盖黏膜组织（硬腭黏膜），位于口腔的顶部，横跨上牙形成的弓形（穹窿）。硬腭在鼻腔和口腔之间形成一个分隔。软腭抬起把咽腔一分为二，即将鼻咽腔从咽腔中被分割出来，这样人体乐器主声道（喉腔、喉咽腔、口咽腔和口腔）为管状（圆管）谐振器，分支结构（鼻咽腔、鼻穹和鼻窦）亥姆霍兹谐振器。鼻穹是鼻腔的顶部的一块筛骨，在整体上呈穹窿状。咽穹为咽腔的顶壁，即鼻咽腔的顶部，略呈拱顶状，上接蝶骨体、枕骨基底部和颞骨岩部，顶壁上覆盖筋膜组织（咽颅筋膜）。

3.共振（振动）

声带产生的嗡嗡声使喉腔共振（振动），进而导致喉部上方和周围的结构也振动。身体中能与声音和谐振动的部分通常被称为共鸣器（腔体），有效共鸣腔体有喉腔、咽腔、口腔和鼻腔。人体乐器的谐振器可分为管状（圆管）谐振器和亥姆霍兹谐振器两种类型。其中亥姆霍兹谐振器是我们新近发现的人体乐器的分支结构。应该指出的是，现代声乐理论体系是基于管状（圆管）谐振器建立起来的，未涉及分支结构亥姆霍兹谐振器，因此，该理论体系欠完整。

三、歌唱物理学

无论我们意识到与否，我们都与声乐和物理保持一致。我们随着手机里的歌曲鼓掌唱歌或舞蹈。我们在浴缸里四处飞溅，或在大海中学习控制冲浪（有时会在过程中造成巨大的混乱）。直觉上，我们甚至不知道共振、频率、驻波和其他抽象术语的确切含义。确实，很多人都不知道唱歌实际上涉及很多物理，例如，从歌手向听众传递声音，与机械波有关。不同的人唱歌的声音类型不同，人们唱歌的声音最常见的区别是他们的声音范围。音域可以达到非常高的音调，也可以达到非常低的音调。一个好的歌手最有可能唱出非常低的音调和非常高的音调。音调，或某人能唱的高与低，与频率有关。但一些人，如世界上的巴赫和莫扎特，就更坚定地掌握这些概念，并像真正的科学家一样将其用于自己的学科之中。

1.歌手共振峰

保持优美动听的音色比一切都重要，因为，它是声乐最具价值的东西！而音色主要由泛音来赋予的，是人们对音质的感觉。歌手的声谱还取决于作为滤波器的声道的形状。在男歌手和低嗓女歌手的声频谱中发现的一种特殊特征，就是所谓的歌手共振峰。歌手共振峰是由歌声的第三、第四和第五共振峰的频率相互接近而产生的，从而产生的簇在频谱中表现为一个突出的合并区域。歌手共振峰除了出现在古典歌剧歌手发出的浊音中外，还可出现在其它专业歌手以与不同喉部高度相关的风格唱出的歌声之中。歌手共振峰模式多种多样，但具有相似的特征——极强的穿透力。

为什么有的歌手的声音很有“穿透力”？我们可以从物理的角度来对它进行解释。人耳对声音的频率响应不同，由于人耳的构造，其本身的共振频率大概在2500Hz左右，也就是说人耳对该频率声音的响应最强，这个也就是我们一般说声音的响度和声强这两个概念的差别存在的原因。如果某声音能量集中在频率2500-3000Hz附近，则我们可以认为其声音具有很强的“穿透力”。歌唱穿透力可以定义为刺穿管弦乐队或乐池音墙的能力，其动力学机制为高频共振峰——歌手共振峰。

此外对于一个人的发声，对同一元音其基频基本是不变的，也就是说声带振动基本是相同的，差别就在于声音通过喉咙、咽腔、口腔或鼻腔传播过程的耦合或共振，一般该过程都是非线性的，故而会有高倍频的声音发出和放大，而且对应于人体的口腔结构及说话方式在各频率响应会不同，如果其嗓音共振峰和人耳听音共振峰一致，则该声音就具有穿透力。或者说人耳更容易接收到其声音。最典型的例子就是歌手共振峰了。

另外，对于低频声波的声吸收系数较小，由于波长较长，散射损失能量较低，能轻易穿过障碍物，传输损失低，故而低频声能传得更远，但是这个和我们一般音乐上所说声音的穿透力不是同一概念。

2.歌唱孤子

在歌唱时，如果采用高位歌唱模式，声气射流直接射入人体乐器第一亥姆霍兹谐振器（鼻咽腔）中，将形成其声气射流共鸣作用，同时，其亥姆霍兹谐振器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，该波可以不失真稳定地远距离传播，改变了大振幅声波在传播过程中必定发生畸变乃至形成激波的传统观念，决定着歌唱的致远力（可传能力）。歌唱致远力的动力机制是声孤波，而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。相对于高位歌唱模式，低位歌唱模式声孤波无论在数量上还是强度上均要小得多，难以形成孤子，也就是说致远力要小很多。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——歌唱孤子，显然对声乐有着及其重要的意义和作用，高水平歌唱家的声音不仅是声孤波，而且具有声孤子性，犹如非线性人声系统临界线上的舞蹈——孤子歌唱！

迄今，其它任何器乐均不能产生歌唱孤子（声孤波）和歌手共振峰。看来，这是人体乐器的神奇歌唱物理学现象，是有机物质与心灵之间相互作用之结晶——声芯（ring）。声芯是人体乐器管状（圆管）谐振器和亥姆霍兹谐振器的多重谐振耦合的产物，其金属性声音为高声能密度的声孤波——歌唱孤子和清脆高频泛音——歌手共振峰的集合。在某种意义上也是对复杂宇宙的物理和理性确定性进行了艺术描绘，似乎架起了科学（物理学）与艺术（心理学）的沟通桥梁，也为“内心情感歌唱互动模型”奠定了理论基础和创造了应用条件。

附：作品欣赏

作品174《蝶恋花》，哀歌感伤：相思恋人的内心苦楚。作词：宋·晏殊，作曲：李砚，演唱：金龙吟唱。