歌唱相关音声生理

由人體的構造與音聲生理談歌唱發聲的原理基礎篇譚慶鼎目次一、前言二、腦部神經系統三、喉部相關結構與生理四、發聲有關的呼吸系統五、發聲的生理機轉六、結論一、前言聲音（sound）泛指人耳可以聽到的音波(頻率從20到20,000 Hz)，風聲、水聲、拍打聲、蟲鳴聲、鳥叫聲等等數不盡的音波，都是聲音的一種；而音聲（voice）則是特指人類發聲系統所產生的聲音，可供彼此之間言語溝通或表達情緒。

人類說話或歌唱需要身體內的四大系統一起協調運作才能達成（圖一），第一個系統是腦部神經系統，第二個是呼吸系統，第三個是喉部（larynx），第四個是上聲道（upper vocal tract）。

本文將先介紹發聲中較重要的相關結構與生理，再探討上述四大系統間如何運作以產生言語。

二、腦部神經系統腦部中樞系統是整個發聲過程的指揮官，統合整個工作的進行，決定要用那種語言、說唱些什麼、用什麼樣的情緒表現。

而許多神經與我們發聲有關，例如控制喉部運動、調整舌頭的位置、調整共鳴腔、構音，甚至聽覺相關的神經都與發聲時的回饋控制有關。

三、喉部相關結構與生理1.喉部的解剖學俗稱的喉嚨包括口咽、下咽、與喉部，此處將專門討論喉部。

喉部是靠一些肌肉韌帶使其懸吊於頸部的一個可動性的結構（圖二），喉部的支撐架構由多塊軟骨組成，其中最有名的是甲狀軟骨，它因為形狀如盾甲而得名，甲狀軟骨的兩個軟骨板在中線相連，相交上緣凹陷叫甲狀切跡(thyroid notch)，男生的交角為90度，女生則呈120度相交，由正前方觀之，是喉最突出的部份，又名亞當的蘋果(Adam’s apple)。

聲帶就位於此軟骨之內。

軟骨之間利用各種膜及韌帶相連接，再加上複雜的肌肉與黏膜，構成了複雜且精細的喉部結構。

喉內可分三部分(圖三):上聲門部、聲門部及下聲門部(supraglottic, glottic and subglottic area)。

上聲門部上起會厭軟骨與杓會厭皺壁，下至假聲帶。

下聲門部由真聲帶下緣算起，往下到環狀軟骨下緣為止。

聲門部介於上述兩者之間，圖四顯示喉鏡檢查下所看到的喉部及其細部名稱，所謂的聲門（glottis），指的就是真聲帶之間的空間，而聲帶的長度男性約為15mm，女性約為10mm。

喉部相關肌肉包括喉外肌（extrinsic muscles of larynx，圖五）及喉內肌（intrinsic muscles of larynx圖六）。

喉外肌又分為舌骨上及舌骨下肌群（suprahyoid 、infrahyoid muscles），主要作用是調節喉部的位置。

喉內肌肉群包括環甲肌、後環杓肌、外環杓肌、橫杓肌、斜杓肌及甲杓肌。

其中環甲肌是唯一由上喉神經支配的肌肉，其餘肌肉皆由返喉神經所支配。

該肌肉收縮時會將環狀軟骨的前部與甲狀軟骨板拉近，整個環狀軟骨相對於甲狀軟骨向後滑動，因而使聲帶韌帶的張力增加而繃緊。

後環杓肌是唯一會使聲門張開的肌肉。

經由這些肌肉的精巧配合，人類乃能發出各種聲音。

與發聲關係最密切的聲帶，其結構更為複雜，如圖七所示，它分為上皮層（epithelium）、黏膜下固有層（lamina propria）、肌肉層。

黏膜下固有層又分為表淺、中間、深層（superficial、intermediate、deep）三層，中間及深層合組為聲帶韌帶（vocal ligament）。

最內層肌肉層為聲帶肌（vocalis muscle），是甲杓肌的一部分。

在解釋聲帶黏膜波動的覆膜—主體（cover—body）學說中，上皮層與黏膜下表淺層稱為覆膜（cover），中間及深層黏膜下層稱為轉變層（transition），肌肉層稱為主體（body），這精妙的構造使得氣流通過聲門時，聲帶的黏膜得以產生如海浪般的波動，稱為喉脈衝波（glottal pulse）。

2.喉部的主要生理機能喉部具有四個主要生理機能:（一）呼吸作用(respiration)；（二）咳嗽反射以保護下氣道(effective cough reflex)；（三）吞嚥作用(swallowing)；（四）發聲作用(phonation)。

2.1呼吸作用：喉部乃是咽與氣管之間的通道，且對氣體交換的調節有一定的作用。

聲帶在正常的情況下，會平順的開啟及關閉，呼吸時，聲帶向外移動，使得聲門面積增加，以利於呼吸順暢進行，在喉部發炎，充血腫脹時，聲門面積縮小，容易造成吸氣困難的現象。

2.2咳嗽反射作用：咳嗽反射是一個重要的保護機轉，當異物誤入時，由喉內肌的作用，使聲門閉合，防止異物進入氣道，並能引發咳嗽將之排出，故咳嗽反射又稱為「肺的看門狗」。

此外，呼吸道黏膜屬纖毛上皮，纖毛運動亦有助於分泌物之排出。

2.3吞嚥作用：喉對吞嚥動作有其重要的地位。

當食團通過咽峽之後，喉外肌中的舌骨上肌群(下頷舌骨肌，二腹肌，甲狀舌骨肌) 將喉拉向前上，緊貼會厭（epiglottis），封閉咽與氣管之間的通路，而喉內的括約肌則關閉喉門和聲門；食團至會厭後則分成二邊，由兩側梨狀隱窩(pyriform sinus)下降，進入食道，而不致於誤入氣道。

2.4發聲作用；要產生一種聲音，基本上激發體、振動器（vibrator）及共鳴器是必要三要件。

所謂的發聲（phonation）指的是藉著喉內結構（正常的情況下主要只靠聲帶）的振動產生聲波的現象。

在發聲時，人的肺部就是激發体，當空氣充滿肺部，經由支氣管、氣管，再到喉部。

而聲帶就是發聲的振動器，氣道內的空氣經聲帶的振動，形成一種疏密波，之後再經過咽、口腔、鼻腔及鼻竇等共鳴器的作用，而產生音聲(voice)。

音聲的頻率、音量大小也需要喉部參與調節。

四、發聲有關的呼吸系統聲帶在發聲時向內關閉聲門產生阻力，呼吸系統則須負責提供穩定的氣流來拮抗此一阻力，以使聲帶產生振動，才有辦法出聲，這裡所提到的聲帶振動產生音波是針對母音（vowel，或稱元音字母）的產生而言，對子音（consonant，或稱輔音字母）而言，不一定需要聲帶振動，對於爆破音或摩擦音，它們的產生是在聲門開啟的狀態下，由呼吸系統提供足夠的氣流，使口腔口咽等部位能藉由調整而產生這些聲音。

簡言之，產生母音或子音都需要呼吸系統提供氣流。

肺部及胸廓（rib cage）都是具有彈性的結構，不論是用力吸氣或呼氣使它們脫離休息狀態（rest position），都會產生一個被動的反彈力量。

以正常音量說話時，聲門下壓力約為5到12 公分水柱壓力（cmH2O），如果想要改變音量、頻率、或音質，都會需要改變聲門下壓力，例如激動大聲的說話就需要較大的聲門下壓力，簡言之，在說話時，呼吸系統並非只是單純的提供一個持續穩定的氣流。

事實上就連前面提到的構音的聲道部分也會對聲門阻力產生影響，像我們發爆破音或摩擦音，這些都會迅速地改變聲門阻力，因為要能維持發聲音量的穩定性，呼吸系統就要能迅速地改變，以配合發聲所需。

由於聲門下壓力取決於聲門阻力及呼氣力量，兩者的變化都會造成聲門下壓力的改變，如果呼吸氣流不能迅速地改變，就需要靠迅速地改變聲門阻力，以達到所需的聲門下壓力。

五、發聲的生理機轉發聲，會使得呼出氣流之氣體動力的能量（aerodynamic energy, DC current）被轉換成音響的能量（acoustic energy, AC current）。

喉內肌各種不同的組合作用，就可以調整聲帶的張力、長度、形狀、以及彈性，而達到改變音量、頻率及音質的目的。

為了要建立各種不同的基礎頻率（fundamental frequency, F0），聲帶必須要維持特殊程度的張力以及每單位面積的質量（mass per area），如果聲帶的張力增加、每單位面積的質量減少，基礎頻率就會提高。

發最低音階時須鬆弛聲帶，長度最大而振動慢，兒童和女性因聲帶較短，振動較快，發音較高；發高音階時須緊張聲帶，降低寬度及厚度，故聲帶較長較厚的男性較難發高音。

人類發音的範圍約為二個八度音程(octave)，經訓練後可達兩個半音程，少數可達三或三個半音程。

前所提及的覆膜─主體理論能夠解釋聲帶的振動，聲帶的多層結構使其有能力作出非常複雜的振動，在modal register、pulse register（或稱為vocal fry）、或falsetto register，聲帶的振動方式各不相同。

在falsetto register，聲帶的覆膜會較為繃緊，所以各層間作用會較像同一層在作用，聲帶緣會變薄，發聲週期中的關閉期會不完整或較短；在pulse register，覆膜會較為鬆弛、主體會相對地較為緊實、關閉期會相對地較長；在modal register，如果聲帶是在較厚較短的情況下，只需要較低的聲門下壓力就可以啟動及維持聲帶的振動，在這種範圍下，改變基礎頻率主要是靠改變聲帶的張力或是它的堅實度。

肌肉的作用常需要一個相對應肌肉的拮抗，以提高音調而言，除了環甲肌的作用外，還需要聲帶肌及甲杓肌的相對作用才能增加聲帶的張力；相反地，若想降低音調，就需要上述肌肉的作用均減弱。

當然喉外肌改變喉部的位置也會影響音調調節我們聽到的聲音，例如舌骨上肌肉群將喉部向上提，縮短上聲道，就會使音調提高。

音量大小主要與聲門下壓力及聲帶的振幅有關，當然聲道過濾的功能以及音聲發射出去的情形也會影響音量大小。

音聲的品質與個別結構差異以及個人使用發聲機制的習慣有關。

聲帶脈衝波在男聲、女聲、與氣息聲時是不同的，男性的關閉期（closing phase）較快，會使其在音聲頻譜上呈現較豐富的諧和音（harmonics）；當關閉期延長時，聲音較不清晰，因為高頻處的諧音和振幅會變小，所以女聲比男聲具有較多的氣息音，這種音聲性質與許多女性在發聲時後聲門區會有小縫細有關，當後聲門區的縫細更大時，會產生更大的氣息聲，而諧和音也會被亂流造成的噪音所取代，尤其在超過5,000 Hz以上的頻率範圍此現象會更顯著。

粗糙的聲音（harsh, rough）是因為聲帶振動的頻率變動太大（jitter）或振幅變動太大（shimmer）。

歌唱時呼吸系統的運作與日常說話所需不同，以正常成年男性而言，竭盡所能的吸氣可使肺部氣體總量達到6到7公升，若盡力地將氣體呼出，最後會殘留1.5到2公升的氣體在肺部，這個5公升的差異就稱為肺活量（vital capacity），一般而言，我們並不會將所有的肺活量均用於發聲。

歌唱時，在吸氣後，儘量維持胸廓位置不要變動太大，收縮腹部的肌肉並且慢慢放鬆橫隔膜，胸廓位置要略為抬高，但不要過分緊繃或固著不動，才不會干擾聲帶振動的機轉，也不會拮抗呼氣的力量。

唱歌時的呼吸是一種動態間的平衡，需要肌肉互相拮抗，不是一種被動不受控制的情況。

力量與氣體的空間並不是最重要的，最重要的是如何協調使用的技巧與經驗，呼吸的機轉要具有相當的可變通性（flexibility），才能符合唱歌時對整個呼吸機轉快速變動的需求。