美妙的歌声是怎样发出来的？

优秀歌手动听的歌声，和优美的器乐曲一样，给人以无可替代的美的享受。歌声的表现力和感染力不亚于任何一种乐器。就是与整个乐队相比，也能一争高下。

对于乐器，人们已经有了详细的理论探讨和实际制作经验。但对于美好的歌喉，似乎没有很多人去想它，好像这是一件理所当然的事情。“他（她）嗓子好呗，会唱呗”。

其实我们只要稍微去了解一下我们的发声器官，就发现：

比起乐器来，人的发声器官从表面看来实在简陋得可怜。

要了解这一点，就要先知道一些乐器发声的知识。

一件乐器由三个基本部分组成。一是声源，即声音最初发出的地方。这一般是由弹性物质在外力的作用下以一定的频率和它的谐波（基本频率整数倍的频率）发生振动。二是共鸣器。声源发出的声音一般都是比较微弱的，且常带有杂音。是共鸣器随着这些和谐音的频率振动，成百上千倍地放大这些和谐音部分。共鸣器挑选和放大的振动则决定乐音的音色（谐波的频率和强度）。三是发声面，或发声孔，把由共鸣器挑选和增强的乐音辐射出去。

比如小号，演奏者的嘴唇在气流冲过它们而进入号嘴时发生振动。这是最初的声源。小号的号管是共鸣器，小号的喇叭嘴则将放大的乐声辐射出去。对于小提琴，琴弦的振动产生乐音。木质面板和上下面板之间的空气起共鸣器的作用。面板和面板上的f孔则将乐音散发出去。

管乐器乐音的基音是由有效管长来决定的，所以小号用键阀来调节有效管长，以适应不同的频率。小号的音频是比较高的。就是这样，它的号管（共鸣器）的全长和被键阀改变了的管长也有1.2到2米。声音低一些的法国号的号管长度则有3.7到5.2米，而长号的号管更长达3到9米。就是这样，它们一般也只能发出两个八度左右的音。对于音乐频率更广的乐声，就只好用多种不同的乐器，或用同一乐器不同长度的共鸣管，如管风琴。

对于弦乐器，有两种办法来改变其振动频率：变换弦的长度，或改变弦的张力。弦的长度和它发出的频率成反比，所以可以通过改变弦长度的方法来改变频率。但弦乐器本身的构造固定了弦的总长度，所以在实际演奏中，乐手是靠手指按弦来改变弦的自由振动长度（从手指到琴码的距离）。但由于反比函数不是线性的，在弦长较大时手指按弦比较容易，而到了自由振动琴弦已经很短的时候，音阶之间的距离变得非常小，靠手指来按已经很困难。而且琴弦过短时音质也变得很粗糙。所以在实际应用中，每一根琴弦只用来发出不到两个八度的音。更高或更低的音则转到相邻的琴弦上去。

靠张力改变来变换频率的作用也很有限。因为张力与频率之间的关系不是线性的，而是平方关系。也就是说，要想把弦的频率加倍（即高八度），弦的张力必须要增高四倍。这不是任何琴弦能够承受得了的。而且乐手在演奏时也很难大幅地改变弦的张力。由于这两个原因，几乎所有的弦乐器都是使用多根弦来覆盖不同频率范围的音频。

人的发声器官更像一把小号。声带相当于吹号的嘴唇，声带上面的气道作为共鸣器，而口腔类似于小号的喇叭嘴，将声音辐射出去。但声带里的韧带的发声原理又类似琴弦（见下文）。

与典型的乐器如小号和小提琴相比，人的发声器官就显得太简陋了。比如女性的声带只是两条1.5到1.8厘米长的肌肉组织，男性的稍长，也不超过2,4厘米。它们看上去松松软软的，很难想象这样“简单”的结构如何能发出如此美妙的歌声来。

而且从声带到嘴唇只有短短的十几厘米的距离，只相当于管弦乐队里最高音的乐器---短笛的长度。而且这个长度很难大幅改变。就是嘴唇的伸出和缩回，长度改变也就是几个厘米。而人的同一根声带，加上长度有限的共鸣管，却能够发出四个八度以上的音。对于任何天然物质，从理论上说这都是不可能的。就像要短笛吹出乐队里所有音程的音一样。或要同一根弦发出四个八度的音，而且所有的音都要音色优美一样。但我们的发声器官却奇迹般地做到了。

人声带的三重结构

原因之一就是我们的发声器官使用的并不是天然物质，我们的声带也并不是单一结构，而是由三种不同的结构组成，即韧带，肌肉和粘膜。

最靠近声门（两根声带之间的缝隙）的地方各有一根韧带，每根相当于一根琴弦。但与琴弦不同，它的张力随拉伸程度非线性地迅速增加。比如长度从1厘米拉伸到1.6厘米，其张力可以增加30倍。这是乐器的琴弦做不到的。张力增加30倍相当于增加5倍多的频率（30开平方约为5.5）。但韧带增长60%又会使频率降低，使得频率净增约三倍，也就是约一个半八度。进一步拉伸韧带会使张力增加得更快，发出更高的音。所以靠拉伸韧带，可以发出很高的音。声带的高音主要是由韧带发出的。女性在受惊时发出的尖叫也是由韧带发出的。

声带90%为肌肉组织。肌肉组织有一种神奇的特性，就是它能在缩短的时候增加张力。这和琴弦的性质正好相反。琴弦要在拉伸时才增加张力，因而部分抵消张力增加所引起的频率上升。这样，肌肉收缩时所提高的张力和缩短的长度都同时增加振动频率，使得对频率的调节更加灵敏。而且这些肌肉不是均匀的，其中又分为许多层，层之间性质不同。有的能收缩，有的不能。这样就形成了许多平行的振动面，在肌肉收缩（因而张力增加）时发音。中音和低音主要是由肌肉层发出的。所以看上去是简单的声带，其实包含了高音和中低音两种弦，可以覆盖广泛的音域。

由于声带的振动是由空气流引起的，声带还有另一个装置来增强对气流能量的接收，使得声带的振动更为有效和强烈。这就是覆盖在声带表面的一层薄薄的粘膜。它的下面有一层液体状的物质，使这层粘膜很容易在气流中起波，就像风刮过水面一样。这些能量再传给肌肉和韧带，使得后者获得足够的能量发生振动。

因此，声带不但含有相对于高音区和中低音区的振动弦或面，还有增强气流效能的能量接收器，它就具备了在气流作用下有效地发出广泛音程的能力。

真声和假声

声带肌肉（实为里面的振动面）发出的声音在中音和低音的范围。这时是声带的肌肉收缩变紧而发声，韧带是放松的。由于肌肉占声带体积的90%，所以几乎整个声带都在振动。这样发出的声音饱满响亮。男女歌手在这个音频范围内都用肌肉的振动面来发声。这样由声带肌肉的振动发出的声音叫真声。

而位于声带边缘的韧带，只占声带体积的10%左右。它既可以发高音，也可以发中频的音。光用韧带发声时，只有声带的内缘在振动。声音透明、纤柔、轻盈，和真声的音质有很大的不同，称之为假声。歌手通过调节声带自身的肌肉张力和声带周围肌肉的张力，可以有选择地主要使用肌肉发声，或主要使用韧带发声，在真声和假声之间来回变换。

不论男性或女性，都可以唱出真声与假声两种。只是在习惯上，男歌手一般只用真声演唱。平剧中小生用假声演唱，这是特殊情形。女歌手用的歌声，有真声与假声都用的，如豫剧中女声的演唱。中国京剧、昆曲中的小生,也是真假声交替使用。有仅用假声的，如平剧中的青衣，花旦。也有仅用真声的，如越剧.。中国戏曲中的老生、老旦，也是用真声演唱。

有趣的是，女歌手和男歌手对于韧带在高音区的使用情形不同。由于女性的声带本来就比男性的小，肌肉发声的音频范围也比男性高，所以从肌肉到韧带发声的变换比较自然，不容易留痕迹。我们听见的是音程的连续转换，在音质上没有明显的不同。

男性歌手则少用韧带来发高音，而主要依靠自己声带的肌肉。所以男性发声比女性要低一个八度左右。但是经过练习，男性的韧带也能发出高音。但这样发出的高音与平时的男性中低音难以自然衔接，我们听到的是不同音质的音，更像是女歌手的声音。这种在高音区使用韧带的唱法是男性歌手特有的发声方法，也为假声。

由于男高音假声类似女声，所以可以用来模仿女声。梅兰芳扮演的花旦就是最好的例子。相声演员模仿女声，用的也是韧带发的假声。

男性的假声歌唱在西方也历史悠久，早在8世纪西班牙就十分盛行假声歌唱，很快就代替了唱诗班中的童声。古代欧洲一些教堂里（如英国与俄罗斯的教堂）的男性女高音也是用假声演唱。

人的空气道可以对声源做能量反馈

声带的特殊结构解决了声源的问题，但共鸣管的问题还没有回答。乐器的尺寸主要是由共鸣器的大小决定的，但歌手却必须用人类已有的空气道来做共鸣器。而从声带到嘴的开口，距离只有十几厘米，从大部分乐器的角度来看都是太短了。在这个长度下，最低的共振频率约为500赫兹。乐器的声源和共鸣器是各自运作，相互独立的。如果人的声带和空气道也这样工作，那这点空气通道在使声带发出的广泛乐音频率发生共振上，可以说是毫无希望。

当然人还有鼻腔，胸腔等可以用作共鸣器。但唯一可大幅度变换形状的还是声带以上的气道和口腔。而且正是在这个区域，发生了一个与乐器的发声原理不同的过程，那就是能量回馈机制。这有点像摆秋千。如果每次在正确的时间点给予秋千一个小小的推力，秋千就会越摆越高。

科学研究表明，在声带上方的空气柱有一种惯性，即对声带振动的反应有一个滞后期。当声带在第一个振动周期中打开时，空气流过声门，推向正上方静止的空气柱。由于这个空气柱的惯性（不能立即顺着下面的空气流一起走），声门和它正上方的空气压力会短暂地增加，把声带推得更开。当声带由于自身的弹性又关闭时，从气管来的空气流被截断，而声带上方的空气柱却由于惯性仍然在往上运动，在声带上方造成一个局部的真空，使得声带更有力地弹回来（关闭）。每次振动都这样得到加强，叠加起来的效果就像是无数次地在恰当的时间给予推力，使原来声带发出的声音大大增强，也就起到了共鸣箱的效果。由于这个过程是由空气柱的惯性引起的，这个机制叫做惯性反应（inertive reactance）。这是人的共鸣和乐器共鸣机制的重大区别。也是人有限的气道能使各种频率的乐音得到加强的主要原因。

但这个过程不是自动发生的，而是需要歌手调节声带和气道的形状使这种效应得到最好的发挥，即使所有音程的乐音都能从惯性反应得到加强。这不是一件容易的任务，需要长期的练习。

空气道形状的作用

要使惯性作用对每一种频率起作用，空气道的形状也是很重要的。对于高频率的音，歌手的嘴要尽可能地张大。这时嘴的形状就像一个扩大器，或小号的喇叭部分。这样对于男性，高至800到900赫兹的音都能通过惯性反应得到加强。而对女性，能得到惯性反应的频率还要高20%。

而歌手唱中音时，前庭（紧靠声带的空气道）收窄，咽部（口腔后面的空气道）则尽量扩张，嘴也收拢，形成一个倒放的喇叭形状。这个形状使得中音频的音最能得到惯性反应的增强作用。发声练习的一个主要内容就是找出最能使各种频率的音得到最佳的惯性反应效果的空气道的形状。

说话和唱歌---生活和艺术

我们说话的音频也是在中，低音范围。但说话和唱歌有很大的不同。在话语中每个音的时间都很短暂，音调很快地变来变去，也不要求严格的音准，所以对发音器官的要求不高。我们每天进行这个过程，有关的发声组织也由于每天的反复使用而保持良好的工作状态。所以用于语言的发声已经成了我们日常生活的一部分。

但唱歌却常常要求持续地发同一个音，要求音准，要求广泛的音域，要求优美的音质。这些都需要对声带肌肉和韧带发声的精密控制，要求稳定和能按需要变化的气流，需要空气道不同部分不同形状的调节，要求巧妙地配合使用身体各个共鸣腔。这些能力都不是天生的，而是后天获得的本领，已经属于艺术的范畴，所以都需要对控制所有这些过程的神经进行长期持续的训练。稍一停顿，就会退步。

我们都有这样的经验。随着年龄增长，我们说话的语音并没有很大的改变。许多多年不见的朋友从电话里传过来的声音仍然和当年几乎一样。但我们唱歌的能力却随着年龄不断下降。而且越是多年不唱歌，我们唱歌的能力越弱。这说明说话和唱歌所使用的控制机制是不同的。同理，专业歌手唱出的优美歌声是大多数人不能比拟的。但这些专业歌手一旦说起话来，却和常人无异，甚至比常人说话还难听。

人的发声结构比起标准乐器来，似乎过于简陋和先天不足。但现代科学研究却表明，正是因为我们的发声器官是由活体组织构成的，空气道和嘴的形状又可以按音频的需要随时变换，再加上歌手经过长期练习获得的精确控制与发声有关的所有肌肉的能力，我们就能以这些看上去不起眼的构造发出美妙动听，生动感人的歌声。这也是生物进化所带来的奇迹之一。

主要参考文献：

Ingo R. Titze, The Human Instrument. Scientific American, 2008, January, 94-101.