漢語聲調(diào)感知的研究進(jìn)展及應(yīng)用

牟志偉，陳卓銘，楊偉，王春花

漢語語言是一種形聲調(diào)的語言，不僅象形的文字含有語義而且韻調(diào)也包含語義。20世紀(jì)初至今使用實驗的方法對漢語聲調(diào)的感知進(jìn)行了許多研究，本文通過對漢語聲調(diào)感知的理論研究與新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，為聽力言語康復(fù)提供新的思路與方法，對設(shè)計與改進(jìn)目前使用的一些儀器與設(shè)備提供理論支持。漢語聲調(diào)的識別具有偏側(cè)性腦功能定位特征，具有范疇性特征，漢語聲調(diào)在失語癥患者語音感知及康復(fù)中起到重要作用。此外，由于目前設(shè)計的人工耳蝸對于漢語聲調(diào)感知存在缺陷，過少的頻域信息導(dǎo)致植入后的兒童四聲感知發(fā)育普遍存在問題，因此對提升人工耳蝸的聲調(diào)感知能力的改進(jìn)重點應(yīng)該是提供必要的頻域信息。

1 漢語聲調(diào)語言特征與探索

漢語語言是一種形聲調(diào)的語言，不僅象形的文字含有語義而且韻調(diào)也包含語義。如一個腦卒中患者把“我不要da針”中“da”的三聲讀成四聲，護(hù)士就可能把“打針”誤解成“大針”。因此，對言語障礙患者進(jìn)行語言康復(fù)時不僅要注意詞匯語言的康復(fù)，還要注意聲調(diào)的康復(fù)。

早在公元5世紀(jì)，南朝宋明帝時期的著名文人周顒按照漢語聲、韻、調(diào)的特征，提出了漢語“古代四聲”的平、上、去、入四種聲調(diào)的論述[1]。明清出現(xiàn)現(xiàn)代漢語四聲，即陰平(第一聲)、陽平(第二聲)、上升(第三聲)、去聲(第四聲)。1922年趙元任[2]的《中國言語字調(diào)底實驗研究法》中，首先提出使用實驗的方法研究聲調(diào)。1963年梁之安[3]引入了聲學(xué)研究儀器，《漢語普通話中聲調(diào)的聽覺辨認(rèn)依據(jù)》的文章中基于物理學(xué)的手段測量和分析漢語聲調(diào)，將言語信號通過低通或高通濾波，提取基頻及其諧波信息。近年來，隨著影像技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)使用功能性磁共振技術(shù)研究聲調(diào)感知的心理學(xué)方法。

隨著20世紀(jì)聲學(xué)實驗的興起，漢語聲調(diào)的理論發(fā)展也經(jīng)歷了四個時期。20世紀(jì)20～30年代的音高論，是關(guān)于聲調(diào)的自然屬性研究，其核心理論認(rèn)為聲調(diào)是一種連續(xù)漸變的相對音高，在音節(jié)內(nèi)具有分辨語義的作用。50～60年代的音位論，是關(guān)于聲調(diào)的語言屬性研究，認(rèn)為聲調(diào)是音系中的和元音音位、輔音音位一樣的獨立音位。70年代后是自主音段論的發(fā)展階段，主要論述聲調(diào)自身構(gòu)成以及聲調(diào)與音段關(guān)系，即非線性音系學(xué)的研究。1976年麻省理工學(xué)院的Goldsmith[4]提出超音段成分是一個自主平面，與另一平面的音段音位平行，它們按一定規(guī)則非線性關(guān)聯(lián)。聲調(diào)特征和調(diào)型構(gòu)成了漢語聲調(diào)。第四個時期是90年代中期，開始用優(yōu)選論研究聲調(diào)，提出聲調(diào)組合過程中一些規(guī)則。1933年美國人Prince[5]和Paul在《優(yōu)選論——生成語法中制約條件的交互作用》中首次正式提出：①在語音生成過程中的存在一系列制約條件，各種制約條件間存在優(yōu)先層級順序；②高等級的制約條件比低等級的制約條件起優(yōu)先作用。優(yōu)選論可以通過有限的規(guī)則解釋各種漢語聲調(diào)特征[6]。

2 漢語聲調(diào)的聲學(xué)特征與感知

漢語聲調(diào)與語音均是以聲波形式通過空氣傳遞到外耳，經(jīng)過人的聽覺器官、聽語神經(jīng)系統(tǒng)加工處理后使聽話人感知。聲波可以提取出基頻(F0)、音強(dB)、最長聲時(MPT)、基頻微擾、振幅微擾、音域、S/Z比等各種聲學(xué)特征參數(shù)?；l與其諧波攜帶最主要的聲調(diào)信息[3]。

漢語聲調(diào)的感知過程分為兩個步驟：一是，聽覺系統(tǒng)對語音信號的察知與傳遞，二是大腦皮層的處理。首先是對語音信號聲學(xué)特征的聽覺感知與識別，漢語的聲調(diào)的聲學(xué)信號主要攜帶于頻域信息之中，頻域信息包含頻域精細(xì)結(jié)構(gòu)和包絡(luò)。頻域精細(xì)結(jié)構(gòu)，包括基頻及其諧波，包絡(luò)是指頻譜信息中共振峰所形成的外圍包絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前研究認(rèn)為，與聲調(diào)聽覺感知相關(guān)的頻域信息有基頻、諧波、共振峰[7-9]。梁之安等[3]通過語音聽覺辨認(rèn)的實驗發(fā)現(xiàn)，僅保留基頻、第一共振峰、第二共振峰中的1～2項時，仍可很好識別漢語聲調(diào)。如果有基頻及其諧波信息，四聲的聲調(diào)感知可高達(dá)到100%；即使在沒有基頻信息僅有諧波信息存在的情況下，聲調(diào)仍可得到較好的感知。林茂燦[10]對聲調(diào)研究認(rèn)為基頻頻率及其變化在漢語四聲調(diào)識別過程中起主要作用，而聲調(diào)的時長和振幅變化起到的作用較小。單獨依靠共振峰識別聲調(diào)，識別率較低。王碩等[11]將聲音經(jīng)過LPC信號處理后，過濾掉頻域基頻信息，僅保留共振峰信息。結(jié)果表明聲調(diào)識別率只有36%。但是共振峰仍能對音調(diào)感知提供一些有用信息，尤其是對三聲的識別[12]。另外一些學(xué)者對包絡(luò)信息進(jìn)行的研究結(jié)果表明，僅靠頻域包絡(luò)信息識別漢語聲調(diào)存在較大差異，準(zhǔn)確性大約在40%～70%之間[13-15]。Liu等[13]在評價正常人的聲調(diào)識別功能時采用LPC信號處理技術(shù)提取單音節(jié)中的頻域包絡(luò)信息。結(jié)果顯示，一聲識別率低于機會值，二聲與四聲的識別率在30%～45%之間，三聲的正確識別率約為60%。Kong等[14]使用LPC技術(shù)分離頻域包絡(luò)與精細(xì)結(jié)構(gòu)信息的實驗中，包絡(luò)信息可以提供平均約65%的聲調(diào)識別率。Wang等[15]的研究與Liu等[13]的研究結(jié)果基本一致，但與Kong等[14]的研究結(jié)果相差較大，可能是每個研究使用的LPC參數(shù)設(shè)置不同造成的。

我們認(rèn)為在聲調(diào)感知的聲學(xué)特征中，基頻與其諧波攜帶最主要的聲調(diào)信息。近年來通過人工智能的方法識別聲調(diào)成為研究熱點。首先用軟件采集聲調(diào)信息后提取其基頻曲線，然后對提取的基頻曲線進(jìn)行平滑、重采樣、歸一化處理后可以得到便于分析的基頻曲線。為了便于臨床應(yīng)用、指導(dǎo)聲調(diào)的康復(fù)治療，在分析漢語聲調(diào)特點的基礎(chǔ)上建立聲調(diào)識別模型，從而可以對漢語聲調(diào)進(jìn)行人工智能識別[16]。常用的聲調(diào)識別模型包括有基于規(guī)則的方法、模糊識別方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法、基于隱馬爾科夫模型方法和高斯混合模型等。

3 漢語聲調(diào)識別的腦功能定位特征具有偏側(cè)性

與語言的偏側(cè)性類似，聲調(diào)的感知也具有偏側(cè)性。隨著影像學(xué)的發(fā)展，許多學(xué)者使用功能性磁共振研究各種語言機制。陳卓銘等[17]對語言障礙患者的聲調(diào)感知偏側(cè)化問題研究的結(jié)果，認(rèn)為左半球損傷對聲調(diào)知覺的影響很小，但是大腦對聲調(diào)的控制仍然具有雙側(cè)性。從心理學(xué)角度看，聲調(diào)的加工分為注意階段和注意前階段，這種兩階段論也是聲調(diào)感知偏側(cè)性的體現(xiàn)。2006年羅昊[18]的研究表明漢語母語受試者在注意前階段漢語聲調(diào)的加工主要在右側(cè)大腦半球，而輔音的加工卻在左側(cè)大腦半球。Tallal等[19]發(fā)現(xiàn)對快速變化的聲音信息的加工主要在左側(cè)半球，對慢速變化的聲音信息加工則無半球偏側(cè)化效應(yīng)。由于漢語聲調(diào)和輔音的不同可表達(dá)不同語義，雖然它們有類似的功能性特性，但是兩者的聲學(xué)特征卻有很大的差別。聲調(diào)變化相對緩慢，主要以基頻特征變化為特征，而輔音以發(fā)音起始時間快速變化為特征。可見聲調(diào)和輔音不同的大腦半球偏側(cè)化效應(yīng)從側(cè)面說明了在語言的早期聽覺加工過程中，語言樣本的聲學(xué)屬性決定了大腦半球優(yōu)勢效應(yīng)，但與功能屬性無關(guān)。因此我們在康復(fù)左側(cè)大腦損傷的語言障礙患者時應(yīng)該可以遵循優(yōu)先康復(fù)聲調(diào)，再是元音和輔音的順序。

從自主音段論看，聲調(diào)本質(zhì)是一種超音段音位。Hsieh[20]發(fā)現(xiàn)，漢語母語被試進(jìn)行漢語聲調(diào)和音段音位的感知時均會激活左側(cè)前運動皮層、額下回島蓋部和三角部；不過在左側(cè)額葉的激活模式有差異，且聲調(diào)加工比音段音位加工有更多的右側(cè)腦區(qū)激活[21]。說明漢語聲調(diào)和音段音位加工既有相似之處，又有不同。

從以上研究我們可以發(fā)現(xiàn)對于聲調(diào)的大腦偏側(cè)性研究結(jié)論存在差異，但是對于聲調(diào)感知的注意前階段的右腦偏側(cè)優(yōu)勢是比較肯定的，因此對于左腦損失的語言障礙患者可以考慮利用較好的聲調(diào)感知能力設(shè)計康復(fù)計劃。

4 漢語普通話聲調(diào)感知特征具有范疇性

漢語普通話屬于漢藏語系是聲調(diào)語言，其聲調(diào)感知具有范疇性；而印歐語系的語言是非聲調(diào)語言，其語音聲調(diào)只表示語氣，無區(qū)別詞匯意義，其語音聲調(diào)感知是非范疇性的。漢語母語的成人對聲調(diào)和嗓音啟動時間的知覺都是范疇性的，一般6歲時已經(jīng)具備和成人相似的聲調(diào)加工模式[22]。另外，聲調(diào)的感知會受到被試者語言背景的影響[23-24]。Wang等[25]發(fā)現(xiàn)普通話的陽平和陰平之間存在范疇感知，但是感知界線具有個體差異。Halle等[26]以臺灣大學(xué)生和巴黎大學(xué)生作為被試，對漢語中的陰平-陽平、陽平-去聲、上聲-去聲三組聲調(diào)分別進(jìn)行了聽覺感知試驗。臺灣學(xué)生被試對這些聲調(diào)的聽辨呈現(xiàn)出準(zhǔn)范疇性感知模式；而巴黎學(xué)生被試的聲調(diào)聽辨以心理物理學(xué)現(xiàn)象為基礎(chǔ)。2010年王韞佳[27]研究表明：漢語普通話母語者對陽平和上聲的分辨呈現(xiàn)出一定的范疇化傾向，但不如陰平和陽平的范疇化顯著。Zheng等[28]用ERP對漢語普通話母語者和粵語母語者進(jìn)行聽覺實驗，證明了不同聲調(diào)系統(tǒng)對聲調(diào)范疇感知存在差異。與漢語普通話有相關(guān)性的少數(shù)民族語言和其它國家語言(語種)的聲調(diào)范疇性研究?？捉絒29]證實了藏語拉薩話的聲調(diào)在音高和時長這兩個聲學(xué)特征上都具有范疇性。Abramson[30]使用16個合成的平調(diào)音節(jié)連續(xù)體進(jìn)行的選擇適應(yīng)實驗發(fā)現(xiàn)辨認(rèn)部分泰語暹羅話具有明顯范疇性，而區(qū)分實驗中高中低三個聲調(diào)的感知是非范疇的連續(xù)感知。

由于范疇化的實質(zhì)是將連續(xù)的物理量感知成突然變化的心理量，因此漢語聲調(diào)的范疇性承載著語音知覺模式，我們在設(shè)計聽力評估量表、儀器、康復(fù)設(shè)備時要將范疇性的評估作為一個考量因素。

5 腦損傷患者的聲調(diào)感知

腦損傷后對語言的影響已經(jīng)有大量的研究與結(jié)論，近年來對腦損傷后聲調(diào)感知障礙研究也越來越多。漢語普通話為母語的腦損傷患者左右腦損傷后造成聲調(diào)感知損傷的機制不同，因此對其聲調(diào)康復(fù)的機制也不同。關(guān)于漢語失語的研究表明左腦損傷患者伴有聲調(diào)損傷時，患者的聲調(diào)識別模式很接近母語為非聲調(diào)語的聽辨人，并伴有較長的識別時間，也就是說腦損傷后聲調(diào)感知模式會發(fā)生改變。漢語是聲調(diào)語，其功能屬性，也就是說對聲調(diào)的語義處理可能在左腦?；趯κдZ癥和聲調(diào)感知兩方面的研究，梁潔[31]提出漢語失語患者的腦損傷對聲調(diào)影響機制的假設(shè)：一是損傷導(dǎo)致失去聲調(diào)底層表達(dá)，此時喪失音高辯義的功能，患者的聲調(diào)感知模式類似于非聲調(diào)語言的聽辨人，患者聲調(diào)系統(tǒng)需要重新構(gòu)建；二是非底層損傷，僅破壞了具體語言的聲調(diào)系統(tǒng)，但音高辨義的功能依然保留，此時患者的聲調(diào)感知過程好像是在感知另一種聲調(diào)語言。此實驗結(jié)果支持綜合型語言感知模式，即音高的處理分別由兩側(cè)大腦完成，左側(cè)大腦主要處理與語言密切相關(guān)的音高信息，而聲學(xué)信息則由右側(cè)作為優(yōu)勢區(qū)來完成。結(jié)論同采用音位識別和區(qū)分實驗分析失語患者的言語損傷的假設(shè)基本一致。

單純失語癥患者的聲調(diào)錯誤相對于音位錯誤而言較少。晏培等[32]對傳導(dǎo)性失語復(fù)述障礙患者進(jìn)行語音分析，發(fā)現(xiàn)雖然有很多音位性錯誤，但僅發(fā)現(xiàn)少數(shù)的聲調(diào)錯誤。田鴻等[33]對國內(nèi)16例漢語普通話失語癥患者進(jìn)行四聲檢查實驗，發(fā)現(xiàn)失語癥患者除了朗讀時的四聲錯誤外，四聲聽理解能力比四聲朗讀更差。汪潔[34]在對1例左頂葉、左頂深部梗死失語癥患者進(jìn)行語言評估時，發(fā)現(xiàn)以聲調(diào)感知與表達(dá)障礙為主要特征的語言障礙。認(rèn)為漢語聲調(diào)感知和表達(dá)障礙可以獨立于音素而單獨出現(xiàn)，左頂葉及左頂深部參與聲調(diào)感知與加工。高素榮[35]提出聲調(diào)錯語的概念，報道了左顳頂區(qū)損傷的漢語普通話傳導(dǎo)性失語患者出現(xiàn)的聲調(diào)錯誤，認(rèn)為左側(cè)大腦損傷會導(dǎo)致聲調(diào)障礙。以上腦損傷患者語音感知的研究成果提示左側(cè)大腦損傷會影響聲調(diào)感知的深層加工，并能夠指導(dǎo)漢語失語癥聲調(diào)障礙患者康復(fù)訓(xùn)練的計劃制定。

6 人工耳蝸植入兒童聲調(diào)感知

目前國內(nèi)外已經(jīng)廣泛使用多通道人工耳蝸植入技術(shù)治療重度感音神經(jīng)性耳聾患者。由于其言語編碼設(shè)計基于西方非聲調(diào)語言特點，因此對漢語聲調(diào)的感知能力差。西方多通道人工耳蝸可以很好地體現(xiàn)信號時域信息，但是沒有考慮聲調(diào)語言特點，只有很低的頻域分辨率，所以只能反映相對較少的頻域信息。正常聽力兒童可以很容易地感知聲調(diào)、元音和輔音，但是由于人工耳蝸的缺陷，重度感音神經(jīng)性耳聾患兒沒有良好的對聲調(diào)感知能力[36-37]。人工耳蝸植入后的兒童四聲感知發(fā)育普遍存在問題，對聲調(diào)及聲調(diào)組合的識別能力普遍低于正常兒童，還會受到背景噪音的干擾。

崔麗麗[38]發(fā)現(xiàn)人工耳蝸植入后兒童的聲調(diào)感知與普通兒童有區(qū)別。①對聲調(diào)的識別能力顯著低于普通兒童；②背景噪聲會影響人工耳蝸植入后的聲調(diào)識別；③兒童人工耳蝸植入的年齡對聲調(diào)發(fā)育起到?jīng)Q定性的作用，越早植入聲調(diào)發(fā)育越接近正常水平。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)植入兒童與普通兒童對聲調(diào)組合識別的難度順序相似。人工耳蝸植入后兒童識別一聲最容易，其次是二聲和三聲，四聲最難，普通兒童也是一聲最容易，接著是四聲、三聲、二聲。徐立[39]做了進(jìn)一步研究，研究表明人工耳蝸植入后進(jìn)行漢語普通話聲調(diào)識別時，時域和頻域的信息可以互為補充。那么時域和頻域信息哪個更重要？實驗顯示植入者會優(yōu)先使用頻域信息。Xu等[40]在此基礎(chǔ)上對用于漢語母語人群的人工耳蝸設(shè)計提出改進(jìn)方案，報道正在相關(guān)公司進(jìn)行實驗。此外，在人工耳蝸植入的成人患者中，聲調(diào)感知能力與對音樂的欣賞能力正相關(guān)。植入者對聲調(diào)感知能力越強，對歌曲音樂的細(xì)節(jié)就把握得越多[41]。這可能是由于聲調(diào)識別和音樂識別在聽覺感知中有著類似的識別機制。如何利用人工耳蝸使用者的聲調(diào)和音樂感知相關(guān)性進(jìn)行聽力康復(fù)將是我們未來科研和臨床運用的一個新探索。

綜上所述，漢語聲調(diào)對漢語普通話的理解具有重要作用，漢語聲調(diào)具有獨立研究價值，研究其語音信息特征、偏側(cè)性腦功能定位特征、范疇性特征，對聽力言語障礙患者的康復(fù)治療方法具有指導(dǎo)與借鑒作用，對聽力言語儀器開發(fā)與改進(jìn)提供理論支持。今后，我們需要將理論構(gòu)建、實驗研究與先進(jìn)的科學(xué)手段相結(jié)合，使聲調(diào)感知研究更具系統(tǒng)化，促進(jìn)聲調(diào)感知研究與臨床結(jié)合進(jìn)一步深入。

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