共振峰频谱分析对人声音色的影响及其在声乐教学中的运用

　　共振峰频谱分析对人声音色的影响及其在声乐教学中的运用
　　随着科技的不断发展，计算机技术在专业音乐教学领域的应用已经越来越普及，这些应用大都体现在音乐理论、视唱练耳、公共音乐欣赏等课程方面，与传统的音乐教学模式相比，其优势是显而易见的。然而在一些非理论的技术性课程(如声乐、钢琴、器乐等)的应用上，其效果和应用价值还有待进一步研究。本文将以共振峰频谱分析人声音色作为切入点，来阐述计算机辅助声乐教学的优越性体现。
　　在很大程度上，声乐的教与学都是一个听得见而看不着的过程。这是因为，歌唱者的发声器官除鼻腔、口腔等少部分生长在体表外，大部分生长在体内，既看不见也摸不着，而且这些体内器官的神经反应都不太敏感，因此，想要调控它们并以此获得最佳音色绝非易事。歌唱训练只能在人体高级神经系统(心理)支配下，通过直接或间接调节体内外各种发声器官的生理功能，逐步建立起良好的发声感觉。歌唱者只有在寻找到正确的发声感觉并经过一段时间科学的训练，使其形成一种生理上的条件反射后，才能稳固地获得理想的歌声。那么，如何才能使学生获得既科学而又极具个性的音色也就成为声乐教学中的重点和难点。然而，纵观声乐教育发展史，经验主义者、科学派、自然方法三种学派的声乐教学法自19世纪以来一直被沿用至今，尤其是经验主义教学模式始终在声乐教学中占据着主导地位。其教学特征主要体现在教师根据自身的演唱经验，在教学过程中要求学生通过模仿老师的声音去学习演唱，以主观推断和臆想为主要教学评价手段，“使歌手的嗓音严格服从于教师的一副训练有素的耳朵。”这种教学模式尽管不无效果，但并不具备一定意义上的科学性，而且，教学程序显得随意，教学用语玄妙、模糊，往往易导致的结果是：在一定程度上阻碍歌手嗓音的个性发展，从而使歌者的音色缺失。更严重的还会伤及演唱者的声带，造成歌唱者声带小 结或声带息肉，最终失去歌唱能力。那么，到底用什么方式可以解决这一困扰声乐教学界多年的技术问题呢？笔者认为，用多媒体计算机技术所进行的共振峰频谱分析，不但可以为声乐教学与训练提供一个鉴别和分析声音的手段，而且通过相关软件所测试出的共振峰频谱图可以通过计算机存储与制作，为声乐教学和科研记录整理资料提供了很大方便。用这种方法对歌唱家、不同程度的声乐学习者、不同声部或不同风格的演唱者、对每个演唱者在不同的声区发不同语音产生的不同共振峰频谱，作细致分析比较，它的分析结果对调整歌唱状态，并获取最佳歌唱音色是十分有用的。  关键词的界定与阐释  1、共振峰  共振峰指的是声音的自然频谱峰值。在人声和大多数乐器的很宽的频谱分布中都存在一些固定的频率峰值（Formant Synthesis），这种频率峰值在声音频谱中就叫做共振峰（Formants）。在语音声学中，共振峰决定着元音的音质，而在计算机音乐中，它们是决定音色和音质的重要参数。共振峰的分布位置是建立在声音产生媒介的共鸣物理结构基础上的（Resonant Physical Structure）。无论是人声还是乐器，它们的声音特性都源自两个因素，一个是发声系统，如人的声带或乐器的振动簧片，另一个是共鸣系统。乐器不同的共鸣系统使其在一定频域中的分音的振幅得以突出，这样，这些区域就产生了这个乐器所特有的共振峰值，这些共振峰值同共鸣体的大小、形状、材料密切相关。由于一件乐器的结构是稳定的，因此在一件乐器发出的所有音调中，不论基频如何，都会表现出相同的共振峰值，只不过其显著性有强有弱罢了。这就可以帮助我们解释为什么在很多的乐器中，同一乐器所发出的不同音调具有相同的音质。拿一把小提琴的琴体为例，根据它的共鸣物理结构，体现了一套特殊的共振峰。既然所有的小提琴内置外形都是一样的，它们就有着相同的共振峰值，人听起来音色也比较一致。人声也同样受自身生理如鼻孔、咽腔、口腔大小的影响，有自身的共振峰区（Formant Regions）。通过利用这些共鸣空间的形状和大小不同的变化（例如改变咽喉、嘴形），我们就能改变声音的共振峰。我们之所以能够区分不同的人声、元音，主要也是依靠它们的共振峰分布的位置。而在计算机的数字合成环境下，共振峰主要是通过音频数字来计算的，共振峰区尽管不直接与基本频率的音高有关联，但或多或少有间接的影响。  2、歌手共振峰  在聆听歌剧的时侯，许多人会感到惊奇，在庞大的交响乐队管弦齐鸣的巨大音响中，歌剧演员的嗓音居然能超越乐队，传送到歌剧院的听众之中。一个人的嗓音怎么会有如此的力量？为了理解歌剧演员的声音能超越交响乐队的原因，我们来分析一下比约林歌唱声、管弦乐队声与正常说话的声频谱比较图。  （图1：比约林歌唱声、管弦乐队声与正常说话的声频谱比较图）  从上图我们可以看到，交响乐队的声音能量主要集中在500Hz周围这个区域。这是因为交响乐队所用的乐器，在这个区域，都有很强的共振峰。超过这一区域，交响乐队声音的输出能量，随着频率的升高，急剧下降。这种能量分布状况，在图中看得很清楚。我们再来看人说话时语言声音能量分布曲线(未经专业训练的人歌唱也同样)。它的声音能量分布几乎与交响乐队的完全一样。这就是说，此时人的声音(说话或歌唱)如果不用外加的扩音设备，是无法穿越交响乐队而    因此，在声乐研究中，我们可以把“歌手共振峰” (singer Formants)定义为：由传统歌剧歌手发出的歌唱声中出现的在2800Hz频率附近的明显谱峰，它是三阶、四阶、五阶谐振峰值的集合。它的存在可以增强歌唱者嗓音的明亮度和穿透力，不至于被乐队伴奏或其他音响所掩蔽。如果歌手能够掌握正确的发声 方法，就能提高共振峰内各个泛音能量的分布密度从而产生明亮的、有穿透力的歌唱效果。而通常所谓的“使嗓音获得共鸣”实际就是获得标准的高频泛音和低频泛音，即目前国际上公认的“歌手共振峰”。桑伯格认为“歌手共振峰”是歌声与乐队竞争、突破其掩盖的必要所在。
　　3、声音频谱分析  由于歌唱声是一种复合声，因此我们可以凭借声学仪器进行声谱分析，将歌唱声中每个分量的频率和振幅(声强)求出，并以声谱的形式显示。声谱是声音(通常指复合声)的一种图形表示，绘出不同频率的振幅。得到的图形表示各个频率分量对总体音响的相对贡献。在频谱坐标图中，横坐标为频率，以赫兹(Hz)为单位(越往右越高)，纵坐标为振幅，即音量，以杜比(db)为单位(越往上越强)。其基频(音高)为440HZ，音量为—10db；而其第一、二、三、四等泛音依照从左到右的顺序排列，音量基本处于逐渐衰减状态。  在声谱中我们可以发现有一些谐波振幅比较强的频率区域呈现峰状，若用一条平滑的曲线将声谱的谐波振幅连接起来，则会形成一起伏的包络曲线，曲线的颠峰位置被定义为“共振峰”，其频率为“共振峰频率”。 从低频到高频顺序为第一共振峰、第二共振峰、第三共振峰等，在截频为5000赫兹时通常会出现五个共振峰，它们和基频可以反映出所发声音的元音音色(包括元音音色和音乐音色)。一般来讲，其中较低的两个峰即第一共振峰和第二共振峰基本上规定了声音的元音音色，而较高的第三共振峰、第四共振峰和第五共振峰影响着声音的个人特征和音乐音色。声道的固有频率的数值是由声道的形态所决定的，改变声道的形态就会产生不同的声音，因此每种声道形态都有一套共振峰作为其特征。  通过观察频谱图，既可以在发声时同步连续观察，也可以截取某一点单独分析，能准确地测试出基音与各泛音的频率高低、音量大小以及共鸣(即共振)状况，从而能间接判断发声质量的优劣。  4、音色  音色一词本译自Tone color，直译为声音的颜色、声音的色彩，指的是声音的个性特征。音色的形成和差异是物体振动的不同分量组合变化关系在人耳的听觉上感受的效应。前苏联音乐学家阿萨菲耶夫在他的论著《音调论》里写到：“作为音色理解现象，它有这样的性质：它可以使人分辨出母亲的声音，分辨出亲生婴儿的声音，分辨出心爱女人的声音；可以使人分辨出祖国的语言……  从音调的这种性质（音色理解）来看，音调是随着话语、随着音乐，然而却超前于话语和音乐起着的作用。”由此可见，音色可以最直接、最贴近本能地表达出语言或者音乐未表达完整或是还未被理解的情感，使人产生情感的共鸣。  声学理论认为，各种发声物体发出的声音，因材料的不同或质量的不同而有声波波形和泛音的不同，这是声音的个性，声音的个性就是音色。  在音乐艺术中音色更是一个极其重要的元素。各种乐器、人声都有自己特有的、独一无二的音色，从而构成了多姿多彩的音响世界。这些形象各异的音色元素是音乐重要的表现手段之一，通过音色我们可以听到海的呼唤，听到鸟的鸣叫，听到欢乐的舞蹈，听到犹豫的沉吟，听到痛苦的哭声，听到幸福的爱情。  在声乐领域中音色是形成演唱个性的重要元素。由于每个人的嗓音条件，歌唱方法，以及语言习惯的不同，在演唱中形成的歌唱的音色也会形色各异。对音色的研究与掌握可以使我们挖掘出自身最美丽最独特的音色，使我们的歌唱充满了个性的魅力。声乐艺术虽然是音乐艺术中比较特殊的，比较易于理解的艺术，因为他可以通过语言表达所要表达的思想与情感，但是缺少音色这样最形象的情感表达方式，单凭语言那也将是苍白的，没有感染力的思想与情感。因此我们的歌唱音色不光要区别于其他人的音色，同时在演唱不同风格、不同情感的作品时也要注意音色的区别，充分利用音色的表现力来表达情感，完善我们的歌唱。  声频谱分析辅助声乐教学  用多媒体计算机进行共振峰频谱分析不但为声乐教学与训练提供一个鉴别分析声音的得力手段，而且所测试出的共振峰频谱可以作为计算机文件存盘、打印，这为教学和科研记录整理资料提供了很大方便.。  比如，计算机“声谱音频分析系统”可以以“声  频谱图”的方式，对歌唱家、不同程度的声乐学习者、不同声部或不同风格的演唱者，对不同演唱者在不同声区发不同语言产生不同声频谱作细致分析比较，改变以往以客观感觉为主的传统声乐教学方法。这是因为：用不科学的歌唱发声方法，所发声音没有丰富的高频率泛音，所以声频谱就不会显示出歌唱共振峰，对从未受过训练的歌唱者（俗称“白嗓子”）测试发现，在基音频率的高峰之后，频谱的振幅包络线衰减下来之后，就没有再出现歌唱共振峰。而专业歌手则显示出在3000 Hz左右的频率有明显的歌唱共振峰。  这说明如果学生没有掌握充分利用共鸣腔体的歌唱方法，所发声音没有丰富的高频率泛音，声频谱就不会显示出“歌手共振峰”，而这个共振峰可以在优秀歌手的声频谱中清楚地观察到。我们在教学中常说的“金属声”就是这个歌手共振峰的听觉感受。他必须经过专业训练并达到较高成就时才会具有。  总之，我们应该能够看到，声乐教学中使用共振峰频谱对歌唱发声进行分析研究，并不能代替声乐教师的指导作用，但是它为教师和学生了解歌唱音色提供了一种科学系统的方法，至于如何能达到好的发声效果还要靠教师的正确指导。因此，通过共振峰频谱图对人声音色进行研究，并把研究成果应用于现代声乐教学是十分有必要的一个课题。