呼吸生理信號(hào)在實(shí)驗(yàn)語音學(xué)中的應(yīng)用研究

印雪晨，呂士良，段力令，于洪志

（西北民族大學(xué) 中國民族語言文字信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

新陳代謝是生命的最基本特征，而呼吸則為其提供了必需的氧氣，可見，呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)維持生命至關(guān)重要。對(duì)于呼吸的研究大多集中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要是關(guān)于呼吸生理學(xué)和臨床呼吸障礙及疾病治療等方面。就呼吸生理學(xué)而言，呼吸的過程包含外呼吸、氣體在血液中的運(yùn)輸和內(nèi)呼吸三個(gè)環(huán)節(jié)，外呼吸又包括肺通氣和肺換氣兩個(gè)環(huán)節(jié)，內(nèi)呼吸又包括組織換氣和生物氧化兩個(gè)環(huán)節(jié)，本文中我們討論的呼吸指的是外呼吸中的肺通氣環(huán)節(jié)，即肺與外界環(huán)境之間的氣體交換過程[1]。

將呼吸信號(hào)的研究納入到語音韻律的研究范圍內(nèi)，可以很好地研究韻律以及韻律和聲調(diào)的關(guān)系[2]。北京大學(xué)首次采用呼吸綁帶采集胸圍或腹圍的變化來研究語音的韻律特性，對(duì)漢語普通話的語音教學(xué)和朗讀等都有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。之后，包括北京大學(xué)、南開大學(xué)以及我院中國民族語言文字信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等對(duì)呼吸韻律進(jìn)行了研究，并取得了一些成果。

本文主要介紹三部分的內(nèi)容，首先是呼吸得以實(shí)現(xiàn)的生理機(jī)制，包括呼吸器官、呼吸肌、呼吸過程和呼吸形式；其次介紹呼吸韻律實(shí)驗(yàn)研究所使用的設(shè)備及軟件，主要有呼吸帶、生物電采集器Powerlab和其自帶信號(hào)采集軟件Chart7；第三部分綜述目前國內(nèi)關(guān)于呼吸韻律的主要研究成果。

2 呼吸的生理機(jī)制

生物實(shí)現(xiàn)呼吸的生理結(jié)構(gòu)存在由低級(jí)向高級(jí)逐漸進(jìn)化完善的過程。相對(duì)于低等動(dòng)物來說，人類的呼吸過程更為復(fù)雜和完善，呼吸過程的實(shí)現(xiàn)需要多個(gè)系統(tǒng)的密切配合和參與，包括呼吸中樞、呼吸器官和呼吸肌等。呼吸系統(tǒng)由大腦呼吸中樞控制，二氧化碳和（或者）氧氣和（或者）PH值的異常驅(qū)動(dòng)呼吸運(yùn)動(dòng)。呼吸器官包括呼吸道、肺泡和胸廓等，呼吸道又包括鼻、咽、喉、氣管及其分支直至終末細(xì)支氣管，其中鼻、咽、喉屬于上呼吸道，氣管及其分支直至終末細(xì)支氣管屬于下呼吸道[1]（如圖1）。

圖1 呼吸系統(tǒng)解剖圖Fig.1 Anatomy of the respiratory system

引起呼吸運(yùn)動(dòng)的肌肉稱為呼吸肌，又稱骨骼肌，呼吸肌的舒縮為呼吸運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。呼吸肌分為吸氣肌和呼氣肌，使胸廓擴(kuò)大產(chǎn)生吸氣動(dòng)作的肌肉稱為吸氣肌，主要有膈肌和肋間外肌；使胸廓縮小產(chǎn)生呼氣動(dòng)作的肌肉稱為呼氣肌，主要有肋間內(nèi)肌和腹肌。此外，還有一些輔助呼吸肌只有在用力呼吸時(shí)才參與呼吸運(yùn)動(dòng)，如斜角肌、胸鎖乳突肌就是輔助吸氣?。ㄈ鐖D2）。胸廓是由12個(gè)胸椎、12對(duì)肋骨、1對(duì)鎖骨和1個(gè)胸骨構(gòu)成。胸腔（thoracic cavity）是一封閉的腔隙，由胸廓和橫隔圍成，上界為胸廓上口，與頸部相通，下界借橫隔與腹腔分隔，胸腔中部為縱膈，兩側(cè)容納左右肺臟，肺隨著胸腔的運(yùn)動(dòng)被動(dòng)地?cái)U(kuò)張和收縮[1]。

圖2 呼吸肌圖Fig.2 Respiratory muscle

正常人在安靜狀態(tài)下，平均每分鐘呼吸12-18次。平和呼吸時(shí)，肋間外肌收縮，肋骨向前向外移動(dòng)，胸廓的上下左右徑增大；隔肌收縮時(shí)，膈向后移動(dòng)，胸廓前后徑增大。胸腔容積增大肺被動(dòng)牽引而擴(kuò)張，肺容積增大，肺內(nèi)壓下降低于大氣壓，空氣進(jìn)入肺內(nèi)，引起吸氣（inspiration）。平和呼吸時(shí)，吸氣終末，肋間外肌和膈肌由收縮轉(zhuǎn)為舒張，肋和隔回位，胸腔容積減小，肺失去牽引力由自身的彈性和表面張力而回縮，肺容積減小，肺內(nèi)壓升高，高于大氣壓時(shí)，肺內(nèi)氣體壓出體外，引起呼氣（expiration）。呼吸肌的舒縮是呼吸運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力，呼吸運(yùn)動(dòng)引起的肺的被動(dòng)擴(kuò)張和回縮所形成的肺內(nèi)壓與大氣壓之間的壓差是呼吸的直接動(dòng)力，平靜呼吸時(shí)，吸氣是主動(dòng)的，呼氣是被動(dòng)的；用力呼吸時(shí)，吸氣和呼氣都是主動(dòng)的，肋間內(nèi)肌和腹肌參與到呼吸運(yùn)動(dòng)中（如圖3、4）。

圖3 肋間肌與肋骨運(yùn)動(dòng)圖Fig.3 Intercostal muscles and ribs sports

圖4 呼吸時(shí)膈肌位置變化示意圖Fig.4 Diaphragm position diagram

根據(jù)參與呼吸的肌肉工作情況可以分為胸式呼吸（Thoracic breathing）、腹式呼吸（Abdominal breathing）和胸腹混合式呼吸三種類型，一般為胸式和腹式混合型呼吸。胸式呼吸以肋間肌收縮為主，胸壁起伏明顯；腹式呼吸以膈肌、腹肌活動(dòng)為主，腹壁的起落明顯；胸腹式呼吸時(shí)肋間外肌和膈肌同程度活動(dòng),胸腹部均起伏明顯。

3 呼吸韻律研究實(shí)驗(yàn)儀器介紹

呼吸韻律研究使用的儀器主要有麥克風(fēng)、喉頭儀（EGG）、肌電腦電儀（EMG）和MLT1132呼吸帶傳感器，麥克風(fēng)和喉頭儀（EGG）分別用來采集語音信號(hào)和嗓音信號(hào)，肌電腦電儀（EMG）和MLT1132呼吸帶傳感器相結(jié)合來采集呼吸信號(hào)。

著名的PowerLab生物信號(hào)采集處理系統(tǒng)是澳大利亞ADInstruments的核心產(chǎn)品，包括軟件和硬件兩個(gè)部分，軟件主要有Chart和Scope,提供了實(shí)時(shí)的多通道記錄儀，硬件包括各種類型的信號(hào)調(diào)節(jié)器[4]。以下主要介紹呼吸信號(hào)采集時(shí)所用的MLT1132壓電呼吸帶傳感器、PowerLab生物電采集器及其配套軟件Chart7。

3.1 MLT1132壓電呼吸帶傳感器

一條呼吸帶分為壓電傳感器、松緊帶、電纜三個(gè)部分（如圖5）。應(yīng)將呼吸帶分別環(huán)扎于被試者胸部和腹部（呼吸時(shí)胸或腹擴(kuò)張最大處），胸呼吸帶上緣至腋下五厘米，腹呼吸帶上緣在肚臍位置，以便同時(shí)采集胸部和腹部的呼吸信號(hào)，不能接觸下肋，以免胸腹呼吸信號(hào)混淆[5]。呼吸帶的核心是一個(gè)壓電傳感器，它可以把呼吸過程中胸圍收縮擴(kuò)張所引起的壓力變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，將胸呼吸帶插口與PowerLab生物電采集器通道三相連，腹呼吸帶插口與通道四相連，這樣電信號(hào)即可通過PowerLab采集器進(jìn)入電腦，在Chart7軟件界面上實(shí)時(shí)顯示隨時(shí)間變化的呼吸幅度信號(hào)。

圖5 MLT1132壓電呼吸帶傳感器Fig.5 MLT1132 piezo respiratory belt transducer

3.2 PowerLab生物電采集器

PowerLab系統(tǒng)采用高速 USB 端口與 WINDOWS 計(jì)算機(jī)相連。PowerLab主機(jī)有四通道、八通道、十六通道等幾種型號(hào)，采樣和實(shí)時(shí)計(jì)算速率高達(dá)200千赫（總計(jì)400千赫）PowerLab系統(tǒng)的每一個(gè)通道都可以分別選擇輸入靈敏度、高通濾波、低通濾波和保真濾波、16位精度、模擬輸出，數(shù)字化的輸入和輸出連接功能還可用于觸發(fā)和控制外部設(shè)備。

圖6 PowerLab生物電采集器（16通道）Fig.6 PowerLab bioelectricity collector

圖6是一個(gè)16通道的PowerLab生物電采集器，呼吸韻律的研究通常只需采集四路信號(hào)，分別是語音信號(hào)、嗓音信號(hào)、胸呼吸信號(hào)和腹呼吸信號(hào)，采集器上的數(shù)字將會(huì)分別對(duì)應(yīng)Chart軟件界面從上到下各通道信號(hào)。

3.3 Chart7軟件

與PowerLab采集器配套的Chart軟件可以連續(xù)記錄和顯示最高 16 通道的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的計(jì)算，多種顯示的分析窗口和自動(dòng)化的數(shù)據(jù)提取[4]?？焖俣唵蔚膶?shí)驗(yàn)室參數(shù)設(shè)置，強(qiáng)大的計(jì)算和分析功能是 Chart 軟件的基本特色。

圖7 Chart7軟件界面Fig.7 Chart7 software interface

圖7是Chart7軟件界面，共采集了四通道的信號(hào)，第一通道時(shí)語音信號(hào)，第二通道是嗓音信號(hào)，第三通道和第四通道就是我們使用以上儀器所采集到的胸、腹呼吸信號(hào)。一個(gè)完整的呼吸過程，稱之為呼吸單元（Breath Cell），包括一個(gè)吸氣相（Inspiration Cell）和一個(gè)呼氣相（Expiration Cell）。呼吸信號(hào)曲線上升為吸氣過程，一般對(duì)應(yīng)于語音信號(hào)的靜音段，信號(hào)下降表示呼氣過程，一般對(duì)應(yīng)于語音信號(hào)的語音段。

以上是呼吸韻律研究實(shí)驗(yàn)時(shí)所用到的軟硬件設(shè)備，在呼吸信號(hào)采集完成后，下一步需要根據(jù)研究目的對(duì)呼吸曲線進(jìn)行標(biāo)注和提取參數(shù)，這時(shí)會(huì)使用到在Matlab環(huán)境下編寫的相應(yīng)程序，如本實(shí)驗(yàn)室已編寫完成的言語呼吸韻律平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)標(biāo)注、參數(shù)提取和系統(tǒng)分析等多種功能，為言語產(chǎn)生和語音韻律層級(jí)等更深層次的研究提供了良好的技術(shù)支持。

4 呼吸韻律研究現(xiàn)狀概述

呼吸是發(fā)聲的重要生理基礎(chǔ)之一，連續(xù)語流是受到生理機(jī)制制約的，其中呼吸就是影響語流中韻律特征的重要因素之一[6]。目前對(duì)呼吸韻律的研究大多集中在音系學(xué)、聲學(xué)和生理學(xué)方面，從生理角度進(jìn)行研究的并不多[7]。Liberman（1967）曾提出過一個(gè)了“呼吸群（breath-group）”的理論，他認(rèn)為人們是通過呼吸群來產(chǎn)生和感知語調(diào)的[8]。國內(nèi)對(duì)言語呼吸和韻律方面的研究尚處于初級(jí)階段，主要有北京大學(xué)、南開大學(xué)等。北京大學(xué)孔江平率先采用呼吸綁帶采集胸圍或腹圍的變化來研究語音的韻律特性，迄今為止，完全從生理角度對(duì)漢語語流的韻律問題進(jìn)行研究的還較少[9]。

對(duì)漢語普通話的呼吸韻律研究主要有譚晶晶等（2008）研究了漢語普通話不同文體朗讀時(shí)的呼吸特征，包括近體詩、詞等韻文體和小說、散文、新聞等非韻文體，文中對(duì)不同文體的呼吸重置時(shí)長和幅度做了頻度分布圖，認(rèn)為不同文體在朗讀時(shí)呼吸節(jié)奏有明顯差異，近體詩、詞等韻文的呼吸重置大小大致可以分成2級(jí)，小說、散文、新聞等非韻文大致可以分成3級(jí)；呼吸重置幅度比重置時(shí)長更能有效區(qū)分不同文體和呼吸級(jí)別；呼吸重置時(shí)長和幅度顯著正相關(guān)[10]。

張錦玉（2010）對(duì)普通話語篇朗讀時(shí)的停延率和呼吸特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為語篇中音節(jié)的停延起伏線不規(guī)整，呼吸的節(jié)律和形式與停延一樣受到韻律等級(jí)的制約[11]。張錦玉等（2012）以一篇小故事為實(shí)驗(yàn)材料，分別在朗讀時(shí)和講述時(shí)錄音，將呼吸單位切分為呼吸群、呼吸段和呼吸節(jié)三級(jí)，對(duì)比在講述與朗讀狀態(tài)下不同呼吸單位的呼吸信號(hào)特點(diǎn)，其結(jié)論是：在吸氣段上，講述時(shí)與朗讀狀態(tài)相比吸氣時(shí)間基本不變，但吸氣幅度卻有明顯的下降，講述與朗讀狀態(tài)下吸氣曲線以陡升和緩升為主；在呼氣段上，講述時(shí)與朗讀狀態(tài)相比時(shí)長明顯地加長，但呼氣幅度沒有顯著的變化，講述與朗讀狀態(tài)下呼氣曲線以緩降為主，但講述時(shí)更凸顯緩降的情況；在呼吸時(shí)間商（RTQ）方面，呼吸單位等級(jí)越高，RTQ值越小，呼吸越不平靜，反之越平靜[12]。

楊鋒等（2013）選用的語料文體包括詩詞、新聞、散文等，分別在朗讀和吟誦狀態(tài)下錄音，文中對(duì)平靜時(shí)、朗讀時(shí)和吟誦時(shí)的胸呼吸和腹呼吸曲線進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為平靜時(shí)吸氣時(shí)長和呼氣時(shí)長相當(dāng)，言語時(shí)呼氣時(shí)長遠(yuǎn)大于吸氣時(shí)長；腹呼吸重置時(shí)間早于語音起始時(shí)間和胸呼吸重置時(shí)間；吟誦時(shí)一級(jí)重置增多；韻律句起始處對(duì)應(yīng)胸腹呼吸重置，韻律短語邊界對(duì)應(yīng)胸腹呼吸間斷凹槽[13]。

在少數(shù)民族語方面的呼吸韻律的研究成果主要有西北民族大學(xué)的中國民族語言文字信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永宏（2009）、楊陽蕊等（2010）對(duì)倉央嘉措藏語情歌的韻律研究[14~15]，張金爽（2012）對(duì)藏語拉薩話新聞朗讀呼吸和韻律的研究[16]，李永宏（2012）、劉璇等（2013）對(duì)蒙古族長調(diào)民歌、短調(diào)民歌的呼吸信號(hào)分析等[17~18]。

在韓語方面有尹基德等（2007）對(duì)韓語呼吸節(jié)奏和語調(diào)模式的探究[19]，錄音語料有并列型復(fù)句、新聞和散文，討論了韓語朗讀語料的呼吸節(jié)奏特征，包括呼吸下傾、呼吸上升和語調(diào)群的音高調(diào)節(jié)對(duì)呼吸節(jié)奏的影響，認(rèn)為低升調(diào)和降升調(diào)對(duì)引起呼吸重置有決定作用。

5 展望

本文介紹了呼吸產(chǎn)生的生理機(jī)制、言語呼吸研究所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及漢語普通話和少數(shù)民族語言呼吸韻律研究成果，為以后相關(guān)領(lǐng)域研究者提供一些參考。目前，國內(nèi)使用呼吸帶研究言語呼吸的成果還比較少，主要集中在幾所擁有整套實(shí)驗(yàn)設(shè)備的高校和科研院所，現(xiàn)有的語音研究成果還需大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的證實(shí)。此外，言語呼吸韻律研究還可與氣流氣壓計(jì)相結(jié)合，但目前尚未見到二者結(jié)合的研究成果，相信隨著新精尖儀器的出現(xiàn)，多種儀器相結(jié)合的語音多模態(tài)研究將成為未來語音學(xué)研究的發(fā)展方向[20]。

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