編者按：封向東教授于1977年考入四川大學(xué)物理系，是當(dāng)時(shí)川大77核物理班級(jí)的老大哥，成績(jī)優(yōu)秀、愛好廣泛。1982年畢業(yè)后留校，后任四川大學(xué)物理系教授、理學(xué)院黨委書記等。他一邊傳授物理，一邊發(fā)展著歌唱的興趣。這個(gè)四川大學(xué)的物理教授退休后竟指導(dǎo)不少學(xué)生學(xué)習(xí)聲樂，在傳授物理與練習(xí)歌唱的過程中，封教授研究了一些聲樂與物理學(xué)的融合案例。希望他的見解能引發(fā)大家對(duì)學(xué)科交融問題的探索興趣。

作者簡(jiǎn)介：封向東，1948年1月生。四川大學(xué)物理學(xué)院物理學(xué)教授。原成都市物理學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)、四川省物理學(xué)會(huì)理事。長(zhǎng)期從事理論物理研究。有長(zhǎng)達(dá)40多年業(yè)余歌唱愛好的經(jīng)歷。

摘 要：從歌唱發(fā)聲的過程知道，歌唱是由呼吸器官、發(fā)聲器官、共鳴器官和構(gòu)音器官共同完成的。這些器官的結(jié)構(gòu)、功能與物理原理密切相關(guān)。它們充分發(fā)揮各自的生理功能、密切協(xié)同、相輔相成、共同形成了有機(jī)統(tǒng)一的歌唱系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：歌唱；結(jié)構(gòu)；功能；原理

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）3-0001-4

從肺部呼出的空氣沖擊喉腔中的聲帶振動(dòng)產(chǎn)生聲波。聲波經(jīng)過由喉腔、咽腔及口腔形成的聲道中的空氣傳播、反射、折射、諧振及共鳴放大，然后從口腔向外發(fā)出。與此同時(shí)，聲波的振動(dòng)會(huì)激起氣管和聲道腔壁的肌肉、肌腱及骨骼的振動(dòng)。這些振動(dòng)向下傳播，高頻衰減掉，低頻成分可引起胸腔的共振（共鳴）；向上傳播，低頻和高頻成分均可能引起咽腔、鼻咽腔、鼻腔、口腔、鼻竇及面部的其他竇室共振。以上這些振動(dòng)分別通過人體胸部和口腔以上的面部、頭部向外輻射，并與從口腔發(fā)出的聲波疊加在一起，共同形成歌唱聲音的立體、混合音效。

由于聲道管狀的奇特作用，歌唱時(shí)發(fā)出的某一個(gè)具有確定音高（頻率）的聲音總是由某一基音和該基音的各階泛音共同組成的一種多成分①樂音。這些樂音經(jīng)過唇、齒、舌、腭及口腔的調(diào)制，會(huì)變成由不同輔音和元音構(gòu)成的單字匯集而成的帶語(yǔ)言的歌唱。

歌唱的上述過程是由人體的呼吸器官、發(fā)聲器官、共鳴器官和構(gòu)音器官共同完成的。

呼吸器官又稱為歌唱的動(dòng)力器官，主要包括氣管、肺、胸廓及相關(guān)肌肉。歌唱的呼吸屬胸腹式聯(lián)合呼吸。吸氣時(shí)，胸腔上下、左右、前后同時(shí)擴(kuò)張，橫膈膜盡量下移。橫膈膜下移對(duì)小腹產(chǎn)生的壓迫感被稱為氣存丹田。歌唱呼氣時(shí)，在盡量保持吸氣結(jié)束時(shí)，胸腔和腰圍所呈現(xiàn)的擴(kuò)張狀態(tài)下，收縮小腹并連帶著腰圍的外撐，有控制地上推橫膈膜呼出歌唱的氣流。橫膈膜在歌唱呼吸中的上下移動(dòng)，猶如打氣筒的活塞運(yùn)動(dòng)一樣穩(wěn)定而有控制，對(duì)抗而有支撐。

發(fā)聲器官又稱為振動(dòng)器官，主要是聲帶和喉腔，又稱為喉器。喉器是以軟骨為支架，間以肌肉、韌帶、纖維組織及黏膜等構(gòu)成的一個(gè)錐形管腔狀器官。兩條聲帶生長(zhǎng)在喉腔內(nèi)的左右兩側(cè)。聲帶邊緣大部分與喉腔壁相連。在喉內(nèi)肌肉的作用下，兩條聲帶可隨著軟骨關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)像剪刀一樣開合而形成聲門。靜音時(shí)，聲門打開（如圖1所示）；說話或歌唱發(fā)聲時(shí)，聲門關(guān)閉（如圖2所示）。兩條聲帶相靠的部分在呼出氣流的作用下振動(dòng)發(fā)聲。

聲帶在組織學(xué)上有分層結(jié)構(gòu)。聲帶肌纖維有縱、橫、斜三相。兩條聲帶相靠的部位在縱、橫兩個(gè)方向上既可整體振動(dòng)，又可部分振動(dòng)，這是聲帶形成不同的振動(dòng)模式和同時(shí)產(chǎn)生有確定音高的基音及其各階泛音的生理基礎(chǔ)。歌聲的音質(zhì)和音色，取決于基音、泛音的純度和豐度。這是由兩條聲帶閉合振動(dòng)接觸表面的質(zhì)量、光潔度、表層的柔韌性、聲帶肌肉的彈性以及聲道和共鳴腔的形狀、大小及其相互的適配度決定的。

共鳴器官是受聲帶發(fā)出的原始基音和泛音的激發(fā)而隨之共鳴，從而放大和美化歌聲的重要器官。它包括由喉腔、咽腔和口腔構(gòu)成的聲道以及胸腔、鼻腔和頭腔。

任何物體受撞擊都會(huì)振動(dòng)。振動(dòng)會(huì)激起空氣的波動(dòng)從而產(chǎn)生聲音。每個(gè)物體振動(dòng)時(shí)，僅以屬于自己的某一特定頻率或特定頻率的集合振動(dòng)，并發(fā)出相對(duì)應(yīng)的某種聲音。如果一個(gè)物體以某一特定頻率振動(dòng)，則該頻率又叫“固有頻率”。“固有頻率”的高低、音色和純度與構(gòu)成該物體的材質(zhì)、形狀和大小有關(guān)。一般而言，物體越小，質(zhì)量越少，“固有頻率”越高；而物體越大，質(zhì)量越多，“固有頻率”越低。當(dāng)外界振動(dòng)的頻率與某物體的“固有頻率”相同時(shí)，該物體會(huì)隨著外界的振動(dòng)以同一頻率振動(dòng)從而產(chǎn)生共振。某物體隨外界聲波的共振又叫共鳴，共鳴會(huì)增強(qiáng)原有聲波的強(qiáng)度。

當(dāng)外界聲波的頻率偏離某物體的“固有頻率”時(shí)，共鳴的強(qiáng)度會(huì)減弱。物體的共鳴強(qiáng)度隨外界聲波頻率的變化而變化的敏感度可由阻礙自由振動(dòng)的因素“挫喪”來表征。變化越敏感，“挫喪”越??；反之，變化越遲鈍，則“挫喪”越大。通常，固體共鳴器的“挫喪”很小。當(dāng)外界聲波的頻率稍微偏離固體共鳴器的“固有頻率”時(shí)，其共鳴的強(qiáng)度會(huì)大大減弱，甚至完全消失。而氣體共鳴器的“挫喪”很大。當(dāng)外界聲波的頻率稍微偏離氣體共鳴器的“固有頻率”時(shí)，該共鳴器仍會(huì)有較強(qiáng)的共鳴。若這種偏離向大于“固有頻率”的方向移動(dòng)，共鳴強(qiáng)度會(huì)較快地一致衰減為零；而若這種偏離向小于“固有頻率”的方向移動(dòng)，共鳴強(qiáng)度會(huì)呈周期性衰減。當(dāng)外界聲波頻率變化至1/2固、1/3固、1/4固、1/5固……時(shí)（固：共鳴器的“固有頻率”），共鳴產(chǎn)生一系列較強(qiáng)的共鳴峰值，相應(yīng)的聲波頻率又稱為峰頻率。

外界聲波的頻率在氣體共鳴器的“固有頻率”左右變化時(shí)，共鳴器的共鳴強(qiáng)度隨外界頻率變化的曲線圖如圖4所示。

由圖4可見，激發(fā)氣體共鳴器產(chǎn)生共鳴的外界聲波頻率不是單一的，它在“固有頻率”附近組成一個(gè)集合，形成一個(gè)頻段或頻帶。在這個(gè)頻段內(nèi)，與“固有頻率”同值的外界聲波頻率會(huì)激起最強(qiáng)的共鳴，而其余聲波中，頻率與“固有頻率”成分?jǐn)?shù)倍（或與波長(zhǎng)成整數(shù)倍）的那些峰頻率會(huì)激起次強(qiáng)的共鳴。

人體歌唱的聲道和各共鳴腔都是氣體共鳴器。胸腔是所有共鳴腔中幾何尺寸及質(zhì)量最大的腔體，其“固有頻率”最低，稱為低音共鳴腔。喉腔、口腔次之，稱為中音共鳴腔。鼻腔、鼻咽腔、口咽腔、面部和頭部的其它竇室體積小，“固有頻率”高，稱為高音共鳴腔。

聲道是關(guān)聯(lián)各共鳴腔體，形成和傳播歌聲的重要通道。由于聲波傳播時(shí)，疊加相消或相長(zhǎng)的作用，一根標(biāo)準(zhǔn)的剛性管道只允許生成并傳播一組特定的，與管道長(zhǎng)度和徑度適配的樂音，其余聲波會(huì)被管道濾掉。被允許生成并傳播的這組樂音中，最低的音稱為基音，其余那些音的頻率必為基音頻率的整數(shù)倍，又稱為基音的各階泛音。頻率為基音頻率兩倍的組分稱為該基音的一階泛音，它比基音高一個(gè)八度。頻率為基音頻率三倍的組分稱為該基音的二階泛音，它比基音高二個(gè)八度，三階及其余高階泛音與基音的關(guān)系可依此類推。

人體聲道類似于一根兩端開放的管道，它允許生成并傳播基音和各階泛音。管道越長(zhǎng)，基音越低；管道越短，基音越高。管道增粗，基音降低，但泛音成份增加；管道變細(xì)，基音升高，但泛音成分減少。這是調(diào)節(jié)歌唱音調(diào)和音色的簡(jiǎn)單原則。在一組樂音中，基音越純（頻率越單一），泛音越豐富（泛音組分越多），其音質(zhì)就越好，音色越美。

由于人體歌唱的聲道不是嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的剛性管道，再加上氣體共鳴器“挫喪”較大的特性，故對(duì)聲道的每一確定的長(zhǎng)度和形狀，實(shí)際生成并傳播的樂音不會(huì)是嚴(yán)格單一的某一組，而是由某一組可能的基音和泛音各自都擴(kuò)展成小小的頻段所組成的頻段組合。當(dāng)我們?cè)谏硐薅葍?nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)聲道的長(zhǎng)度和形狀，同時(shí)調(diào)節(jié)聲帶的振動(dòng)與之適配，即可得到歌唱樂音的所有頻段組合，連成一片從而形成較寬的連續(xù)頻帶，又稱為歌唱的音域。

就歌唱而言，較低的基音不僅可激發(fā)低音共鳴腔產(chǎn)生共鳴，還可不同程度地激發(fā)中音共鳴腔和高音共鳴腔的共鳴；低階泛音不僅可激發(fā)“固有頻率”與之相當(dāng)?shù)哪承┣惑w的共鳴，還可不同程度地激發(fā)“固有頻率”與其各高階泛音相當(dāng)?shù)哪切┣惑w的共鳴。

由此可見，人體歌唱的共鳴，實(shí)際上是多重復(fù)合的、逐級(jí)連鎖放大的混合共鳴。

值得一提的是，外界聲波的頻率與腔體的“固有頻率”相同或匹配時(shí)，只是有引發(fā)腔體共鳴的可能，而不能肯定其必然發(fā)生。

聲帶振動(dòng)產(chǎn)生的聲波，因聲門氣壓的大小不同而強(qiáng)弱不同。在傳播過程中，聲波強(qiáng)度還會(huì)因損耗而衰減。如果外界聲波強(qiáng)度太小，即使其頻率與腔體的“固有頻率”相同，也不會(huì)引發(fā)共鳴。

如果把引發(fā)一個(gè)腔體共鳴的外界聲波的最低強(qiáng)度取名為“啟鳴強(qiáng)度”，任何聲波，只有其頻率與共鳴腔的“固有頻率”相同或匹配，同時(shí)其強(qiáng)度大于“啟鳴強(qiáng)度”時(shí)，方可引發(fā)腔體共鳴。與共鳴腔的“固有頻率”偏離太大或完全不匹配的外界聲波，雖不能引起共鳴，但可被共鳴腔反射和折射。如果外界聲波的頻率與共鳴腔的“固有頻率”適配，而強(qiáng)度達(dá)不到“啟鳴強(qiáng)度”，則不僅不能引發(fā)共鳴，還得不到反射和折射，只會(huì)被吸收掉。

共鳴腔體的“啟鳴強(qiáng)度”與腔體的形狀、大小和腔壁肌肉及周圍肌腱的彈性有關(guān)。共鳴腔越規(guī)則，腔壁越光滑，腔體及周圍肌肉、肌腱的彈性越好，“啟鳴強(qiáng)度”就越低，反之就越高?！皢ⅧQ強(qiáng)度”越低，共鳴響應(yīng)越快，聲音就越靈活輕巧。共鳴腔具有的較低的“啟鳴強(qiáng)度”主要是在后天長(zhǎng)期的歌唱訓(xùn)練中形成的。

構(gòu)音器官是構(gòu)成歌唱語(yǔ)言的重要器官。它包括口腔、雙唇、齒、舌、腭、頰、口咽等。歌唱的語(yǔ)言總是由單字連接而成。中文的每個(gè)單字由輔音和元音構(gòu)成。輔音是字頭，元音是字身。輔音的聲源不是聲帶的振動(dòng)，它是呼出的氣流在構(gòu)成口的不同部件之間受阻而產(chǎn)生的無規(guī)噪聲。例如，氣流在牙齒與舌尖之間，在舌尖與上齒之間，在兩唇之間，在舌頭中、后部與上腭之間的“摩擦”“爆破”即可產(chǎn)生諸如z、c、s、d、t、b、p、g、k、h之類的輔音。元音是聲帶振動(dòng)產(chǎn)生的一種樂音。不同的口咽、口型及舌頭形狀會(huì)產(chǎn)生不同的元音。歌唱的每一組樂音，除基音外，一般可產(chǎn)生四至五個(gè)共鳴較強(qiáng)的泛音，這幾個(gè)泛音的頻率又稱為峰頻率。當(dāng)聲道長(zhǎng)度一定時(shí)，對(duì)于同一個(gè)基音，由于口咽、口腔、舌頭形狀的改變，都會(huì)導(dǎo)致某些峰頻率值有所改變。其中，最低階的兩個(gè)峰頻率值的改變將產(chǎn)生不同的元音，而高階峰頻率值的改變，會(huì)產(chǎn)生不同的音色。對(duì)于同一個(gè)人的不同音高的歌聲，只要元音相同，其最低階的兩個(gè)峰頻率總是一樣的。歌唱者通過構(gòu)音器官各部件的運(yùn)動(dòng)和造型，構(gòu)造不同的輔音和元音以形成歌唱語(yǔ)言。因此，構(gòu)音器官的各部位必須靈活自如，使輔音清晰而短促，元音口型及舌腭相對(duì)位形標(biāo)準(zhǔn)而固定，從而實(shí)現(xiàn)字正腔圓的歌唱。

完成歌唱過程的上述四個(gè)生理器官是互相配合、協(xié)調(diào)動(dòng)作、相輔相成的一個(gè)整體。我們只要把握歌唱過程的物理原理，全面同步地強(qiáng)化各歌唱器官的生理機(jī)能，調(diào)動(dòng)和發(fā)揮各歌唱器官的生理功能，就可能真正有效地提高歌（下轉(zhuǎn)第6頁(yè)）（上接第3頁(yè)）唱的能力，完善歌唱的技巧，并逐漸達(dá)到科學(xué)而藝術(shù)地歌唱的美好境界。

注：①樂音：頻率單一的聲音或有限個(gè)頻率單一聲音的組合。（例如：琴弦、琴鍵發(fā)出的單音或合音）

噪音：頻率為連續(xù)改變的某一頻段所組成的聲音。（例如：打鐵、撞擊、爆炸等發(fā)出的聲音）

此樂音及噪音以頻譜結(jié)構(gòu)定義。按環(huán)保測(cè)評(píng)，樂音的強(qiáng)度太大，也視為噪音。

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（欄目編輯 廖伯琴）