樂音協(xié)和性感知的腦電信號分析

丁 凡，何 穆

（1.中國傳媒大學傳播聲學研究所，北京 100024；2.北部灣大學，廣西 欽州 535011）

0 引言

音樂是一種表達情感的聽覺藝術。作曲家通過不同音高的排列組合，可以表達出千萬種不一樣的情感。音程作為音樂最基本的元素，只需要兩個樂音的組合就可以營造出協(xié)和與不協(xié)和的感覺［1］。不論從誘發(fā)情感的多樣性來說，還是對不同人群判斷誘發(fā)情感的一致性，音程都是音樂中較合適的研究對象。這種情感的誘發(fā)是通過聽覺、神經(jīng)學和心理學共同作用的。各個學科也做出了一些音程協(xié)和性理論的解釋，如音樂學的和聲理論和心理學的音樂期待理論［2］。這些解釋大多都是從主觀感知的角度出發(fā)，缺少客觀的數(shù)據(jù)加以說明［3］。腦電信號作為人腦神經(jīng)元活動的綜合表現(xiàn)［4］，可以從客觀層面觀察由于聽覺協(xié)和與不協(xié)和所引起的大腦皮層能量變化的趨勢，是一種理想的客觀檢測方法。

本實驗利用腦電信號分析技術，對12 名被試聽不同協(xié)和性的音程時腦電波功率的變化進行記錄與分析，最后得出被試在聽不同協(xié)和性音程時腦電波的變化規(guī)律。此外，實驗也為聽音時心理情緒變化提供了客觀生理數(shù)據(jù)。

1 實驗設計

實驗刺激信號是小二度、小三度、增四度、大三度、純五度和純八度6 種樂音音程。其中，前3種音程為較協(xié)和音程，后3 種是較不協(xié)和音程。協(xié)和程度的關系為純八度純五度大三度小三度小二度增四度［5］。樂音音程都使用大提琴錄制，根音基頻110 Hz，各信號的基頻具體如表1 所示。每個音頻信號時長5 s，兩信號中間間隔5 s 靜音段。實驗開始后，預留30 s 靜音段讓被試調(diào)整狀態(tài)，并記錄其在無任何刺激下的腦電作為參考值。刺激信號開始后，要求被試閉眼，以減少視覺刺激對腦電波的影響。實驗在消聲室進行，選用監(jiān)聽音箱作為樂音播放設備（頻響范圍50～15 000 Hz），距離人耳處聲壓級為（78±2）dBA。被試者為12 名中國傳媒大學傳播聲學研究所的研究生，平均年齡（22±1.5）歲，慣用手都為右手，均接受過聽音訓練（可以聽出音程的協(xié)和性區(qū)別）。

表1 試驗用的音頻信號各頻率

腦電信號通過NCERP 系列腦電記錄儀記錄，共連接Fp1、Fp2（對應左右額區(qū)）、F3、F4（對應左右頂枕區(qū)）、T3、T4（對應左右顳區(qū)）、頭中央?yún)⒖键cCz 和接地點GND 共8 個電極導聯(lián)位置。電極導聯(lián)位置，如圖2 所示。電極位置的選擇參考Brodmann 頭部導聯(lián)位置功能。這些位置具有各種聽覺和情感功能，如Fp1和Fp2區(qū)域是處理非語言類刺激和聽覺幻想的作用［6-7］。連接時使用導電膏將阻抗調(diào)節(jié)至10 kΩ 以下，數(shù)據(jù)記錄采樣頻率為128 Hz。通過NCERP 系列腦電儀記錄的腦電波節(jié)律（腦電波功率譜密度函數(shù)）有θ波段（4～8 Hz）、α波段（8～14 Hz）、β（LF）波段（14～20 Hz）和β（HF）波段（20～35 Hz）共4 種。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括原始腦電信號數(shù)據(jù)的處理和得到的腦電波數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。原始腦電信號通過Matlab EEGLab 工具箱進行濾波、去偽跡以及參考校正等手段，得到安靜閉眼環(huán)境與聽音程狀態(tài)下各個腦部地區(qū)功能區(qū)各波段的功率譜密度。后續(xù)統(tǒng)計分析主要通過方差檢驗與相關樣本t檢驗檢驗聽各種音程信號時腦電波各波段功率的變化情況，前提已檢驗了12 名被試各狀態(tài)下各頻段腦電波功率譜為正態(tài)分布。圖2～圖5 為Fp1位置的正態(tài)分布結果，其余導聯(lián)位置相似。其中，方差檢驗與相關樣本t檢驗的顯著性水平統(tǒng)一設定為p＜0.05，統(tǒng)計分析選用SPSS 軟件。

3 結果分析

實驗測量了12 名被試前額區(qū)（Fp1、Fp2）、頂枕區(qū)（F3、F4）和顳區(qū)（T3、T4）3 個腦功能區(qū)各個頻段的腦電波功率譜密度。將聽音程時記錄到的各位置各頻段腦電波功率譜密度與安靜閉眼狀態(tài)記錄到的進行相關樣本t檢驗，結果如表2 所示。

3.1 前額區(qū)

由表2 可知，聽音程信號相較于安靜狀態(tài)下在額區(qū)的腦電波變化較為明顯。無論是聽哪種音程，F(xiàn)p1與Fp2位置的α波功率都會有顯著性增加，β（LF）與β（HF）有增加的趨勢但增加的效果呈減小趨勢。在Fp1處有5 種音程的β（LF）有顯著性增加，即小二度、小三度、大三度、增四度和純八度；在β（HF）僅有3 種音程有顯著性增加，即小二度、大三度和增四度。同樣，F(xiàn)p2處有4 種音程的β（LF）有顯著性增加，β（HF）為2 種音程有顯著性增加?？v向?qū)Σ煌瑓f(xié)和度的音程進行比較，對安靜閉眼狀態(tài)、協(xié)和音程以純八度為例，不協(xié)和音程以增四度為例，進行方差檢驗分析，以驗證其對各頻段腦電波的影響作用是否相同，結論如表3 所示。

由表3 可知，安靜狀態(tài)、聽協(xié)和音程以及聽不協(xié)和音程時的腦電波具有顯著性差異。在Fp1區(qū)的θ、α和β（LF）波段有顯著性差異，在Fp2波段則只有θ波段有顯著性差異，類似于Rebecca 等人研究的一般人在對音樂感知時左腦能量強于右腦的結論［8-9］。對3 種協(xié)和音程與3 種不協(xié)和音程分別相互進行相關樣本t檢驗，結果如表4～表7 所示。協(xié)和與非協(xié)和的腦電波差異主要表現(xiàn)在α和β（LF）波段。相較于聽協(xié)和的音程，聽不協(xié)和音程時的α和β（LF）波功率有增大趨勢。特別是最協(xié)和的純八度，相較于最不協(xié)和的增四度顯著性最明顯。

表2 6 個地區(qū)各頻段聽音狀態(tài)與安靜狀態(tài)腦電波功率t 檢驗結果表

表3 Fp1、Fp2 區(qū)域3 種狀態(tài)不同頻段腦電波方差檢測

表4 協(xié)和與非協(xié)和音程θ 節(jié)律t 檢驗

表5 協(xié)和與非協(xié)和音程α 節(jié)律t 檢驗

表6 協(xié)和與非協(xié)和音程β（LF）節(jié)律t 檢驗

表7 協(xié)和與非協(xié)和音程β（HF）節(jié)律t 檢驗

3.2 頂枕區(qū)

類似于前額區(qū)的分析方法，對頂枕區(qū)做相同的分析。如表2 所示，與安靜狀態(tài)相比，頂枕區(qū)各波段總體也是呈增長趨勢，且隨著腦電波頻段的增加，整體增長形勢下降的規(guī)律愈加明顯。例如，F(xiàn)4區(qū)域6 種音程的θ波段都有顯著性增加，α波段則只有純五度無顯著變化，β（LF）波段的純五度、小二度和小三度都無顯著變化，β（HF）則只有純八度有顯著性差異，其他音程均無顯著變化?？v向?qū)Π察o狀態(tài)、聽最協(xié)和的純八度、聽最不協(xié)和增四度進行方差檢驗，結果如表8 所示。F3區(qū)域θ波段和α波段有顯著性差異，F(xiàn)4區(qū)域僅α波段有顯著性差異。相關樣本t檢驗互相比較3 種協(xié)和與3 種不協(xié)和音程，發(fā)現(xiàn)聽協(xié)和音程比不協(xié)和音程在α波段處功率有增大趨勢，其他頻段處未出現(xiàn)明顯趨勢。

表8 F3、F4 區(qū)域3 種狀態(tài)不同頻段腦電波方差檢測

3.3 顳 區(qū)

由表3 可以看出，顳區(qū)的變化相較于前額區(qū)和頂枕區(qū)增加的不太明顯。除了有幾種音程在θ和α波段有顯著性增加外，兩種波段都沒有顯著性變化。T4區(qū)域的α波也只有在聽大三度時有顯著性差異。對安靜時、聽協(xié)和的純八度與聽不協(xié)和的增四度3種狀態(tài)進行方差檢驗，結果如表9 所示。3 種狀態(tài)下無論哪個頻段的腦電波功率都沒有顯著性差異，即無論音程協(xié)和與否都不會使腦電波功率有增大或減小的趨勢。

表9 T3、T4 區(qū)域3 種狀態(tài)不同頻段腦電波方差檢測

4 結語

此次實驗選擇樂音音程作為刺激誘發(fā)腦電信號變化，探究音程情感色彩對腦電信號的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，相較于平靜狀態(tài)，不同樂音音程對不同頻段的腦電波平均功率變化有顯著性影響。無論是協(xié)和或非協(xié)和音程，樂音音程會使被試前額區(qū)和頂枕區(qū)域的θ、α和β（LF）波段平均功率產(chǎn)生顯著性增加的趨勢；聽不協(xié)和的音程比聽協(xié)和的音程在α 波段和β（LF）波段的平均功率也會有顯著性增大的趨勢；顳區(qū)對協(xié)和與非協(xié)和音程不敏感，各頻段腦電波平均功率無顯著性變化。

音樂與情緒的關系已被研究了很長的時間，隨著腦電技術的出現(xiàn)與發(fā)展，用大腦的腦電信號研究音樂可以揭示出人們聆聽音樂的腦部處理音樂的方式，從而對音樂影響情緒的機理作出進一步的客觀解釋。此方法在情緒檢測及智能調(diào)節(jié)方面都有很大的潛力，在音樂治療等領域也有著很大的價值空間。