从物理学的角度看嗓音

在上一篇里，我们讲了什么是声波，声波的物理学特征，包括频率、波长、声强、相位等。花费笔墨在这些物理学基础知识，只是为我们更好地认识嗓音做好铺垫，提供一点知识储备。这一篇就要言归正传，从物理学的角度说一说嗓音这点事。关于嗓音的定义，学者之间有不同的见解。有的学者认为嗓音是泛指人的发音器官发出的声音，包括言语声、歌唱声、笑声、哭声、咳嗽声等等。有的学者认为嗓音是指通过声带振动产生的声音，不包括仅通过唇、齿腭等共鸣和构音器官发出的声音。无论怎样定义，我们这里所讲的嗓音，有两方面的含义，一是人发出的，动物的叫声不在我们研究范围之内。二是从发音器官发出的，其他身体部位发出的声音也不能叫做嗓音。还有一个概念是构音，构音是指通过舌、咽、唇、腭和下颌的运动，改变声道和共鸣腔的形状和阻力，发出包括不同音素并且有特定含义的言语声的过程。既然嗓音从本质上讲是一种声音，必然要具有声音的物理学特征。
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; _3 J# m4 |6 w! w; {$ F    HIGH C就是尽头吗？

    声波是一种振动，是振动在介质中的传播。人发出嗓音的过程是能量转换的过程，通过消耗人体的能量发出声波，声波在空气中传播，被人耳接受，经过大脑的加工和心理的感受，才是我们感知到的嗓音。声音的物理特征频率、声强、对应到被听力感知的嗓音也有相应的物理量，就是音调和响度。
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; q) H$ ]7 b+ Y　　上一篇我们讲过频率的概念。频率指单位时间内（通常是秒）正弦振动的次数。频率的单位是赫兹（Hz）。频率对应的主观感受是音调，频率高低与音调高低一致，但并不呈简单的正比。当声音在一般强度下，频率越高，音调越高，频率越低，音调越低，是呈对应关系的。但当强度增加时，就不是完全对应的关系，人耳听起来觉得低频率声音的音调更低，高频率音调显得更高。我们可以拿琴弦来打比方，都知道，粗的琴弦发出的声音低沉，因为频率低，音调低；细的琴弦发出的声音高亢，因为频率高，音调高。钢琴的琴键包括了从低到高的一系列音高。人声的音调在自然发音的情况下，儿童音调最高，其次是女性，男性的音调较低。经测量，胸声最低音、基频音及最高音的平均频率，男性平均依次为98Hz、151Hz和295Hz。女性为194Hz、267Hz和379Hz。基频为舒适发音时的频率，一般比低音高两个音。

    人类音调所能达到的频率的上下界限叫做音域（vocal range），就是人类发音从最低到最高的频率范围。音域因年龄、性别的不同而存在差异。对于歌唱者来说，音域是指能够运用自如的音调的上下界限。音域可以分为生理音域、话声音域、自然音域、歌唱音域和总音域。生理音域是指不考虑发出的声音音质或音色，能够发出的声音的频率由高到低或者由低到高都包括在内的范围。最低的声音可能是“嗡嗡声”或“唔唔”声，最高的声音可以是尖锐的哨声。人的生理音域最高可以达到4.5个八度音。生理音域在一生之中是随着年龄变化的。新生儿的哭声只有一个音，幼儿音域只有几个半音。儿童变声之前和变声之后音域会发生较大变化，成年男性和女性的音域也有差异，一般而言，老年人的音域随着年龄的增长而较成年时变窄。歌唱音域是指歌者在歌唱时所能支配的音高范围。每个歌唱者的歌唱音域小于其生理音域，一般为2个半八度，优秀的歌唱者可以达到3个八度。女声比男声高一个八度。高音和中音歌者的音域也有差异。话声音域是言语使用的音域范围。男性的中等话声音高在A和d（e）之间，即频率在110-147Hz或165Hz之间；女性在a-d1或e1，频率220-294Hz或330Hz之间。话声的音调受情绪的影响，情绪激动时，发声的音调提高。但是这样会使声带处于非自然的超负荷状态，容易产生疲劳，甚至发生功能性或器质性疾病，所以是不主张这样使用嗓音的。自然音域是指未经训练的一般人歌唱时的频率范围。据我国学者报道称，自然音域有12-13个音调，而经过专业训练的歌唱家可以达到19-20个音调。如男中音的自然音域是A-e1调（110-329Hz），歌唱音域是E-b1（82-475Hz）；女中音的自然音域为a-f2(220-73Hz)，其歌唱音调为（165-878Hz）。总音域是指将各声部的声音集合在一起，从男低音的最低音开始，到花腔女高音的最高音为止的发音频率范围。可以达到5个半八度音，即为C-c4(64-2048Hz)。

& b- C, U3 o$ b  B+ [- b6 u- r# D    够强就会够响吗？
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　　我们说，嗓音是复合音，可以分解为多个正弦波。无论是嗓音还是乐器声，频率最低而振幅最大的称基音。与基音频率成整倍数的称为泛音。按照频率由低到高的顺序称为第一泛音、第二泛音等等。基音决定乐器的音调，泛音确定乐器的音色。每种乐器具有的独特音色是由该乐器产生泛音的数量和频率决定的。频谱仪是分析复杂的声波的一个常用工具。做频谱分析时，一个轴显示
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　　与声波的另一个物理量声强对应的是响度。响度是一定强度的声波作用于人耳后产生的声音强弱的感觉，因而是一种主观反应。响度和声强不是简单的线性关系，不仅决定与声音的物理强度，也和频率有关。强度相同而频率不同的声音作用于人耳，主观上感受的响度是不一样的。范围在1000-4000Hz频率的声音，人耳听起来最响。
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　　以上是物理学角度看嗓音的终篇。希望通过这两篇的介绍，使大家对声音这种客观事物以及我们的嗓音有更多的了解和认识。这两篇中，涉及较多的物理概念，不见得都要记住这些定义，只要能够对其含义有一些理解，就会对我们理解嗓音的本质有所帮助。