109 年 國立臺北護理健康大學語言治療與聽力學系碩士班語言治療組《言語科學》

本題主要在探討呼吸的氣動學概念及其在人類呼吸中的應用，以及不同呼吸狀態下的差異。

(a) 氣動學概念在呼吸中的重要性與波義耳定律

• 重要性： 呼吸是一個涉及空氣流動的過程，而空氣流動的根本原因是氣壓差。氣動學（aerodynamics）正是研究氣體運動及其與力、壓、體積之間關係的學科。因此，理解空氣壓力（air pressure）和空氣體積（air volume）的變化及其相互關係，對於解釋人體如何吸入和呼出空氣至關重要。
  • 吸氣 (Inhalation)： 當胸腔擴張時，肺部體積增加，根據波義耳定律，壓力會降低。肺部內部的氣壓低於外部大氣壓，空氣便會從高壓區（外部）流入低壓區（肺部）。
  • 呼氣 (Exhalation)： 當胸腔收縮時，肺部體積減少，壓力升高。肺部內部的氣壓高於外部大氣壓，空氣便會從高壓區（肺部）流出到低壓區（外部）。
• 物理定律： 支配氣壓與體積關係的物理定律是波義耳定律 (Boyle's Law)。該定律指出，在恆定的溫度下，一定質量的氣體的壓力與其體積成反比。數學表示為：
  $P \propto \frac{1}{V}$
  或
  $PV = k$
  其中 $P$ 是壓力，$V$ 是體積，$k$ 是常數。
• 應用於呼吸：
  • 吸氣： 呼吸肌（如橫膈膜和肋間肌）收縮，使胸腔容積增大。肺部隨之擴張，肺泡內的空氣體積增加。根據波義耳定律，在恆定的溫度下，肺部內的氣壓會降低，低於外界大氣壓。由於壓力差的存在，空氣便從外界（高壓）流入肺部（低壓），完成吸氣。
  • 呼氣： 在休息狀態下（被動呼氣），呼吸肌舒張，胸腔容積減小。肺部隨之回縮，肺泡內的空氣體積減少。

本題旨在探討聲帶內收與外展在呼吸與發聲中的作用，以及聲帶內收/外展與聲帶振動的異同，並說明聲帶振動週期。

(a) 聲帶內收與外展在呼吸與發聲中的重要性

聲帶（vocal folds）位於喉部，其內收（adduction，靠攏）與外展（abduction，分開）的運動，對於呼吸和發聲都扮演著至關重要的角色：

• 呼吸 (Respiration)：

  • 聲帶外展 (Abduction)： 在正常的呼吸狀態下，聲帶處於外展位置。這使得聲門（glottis，聲帶之間的空間）保持開放，空氣可以自由地進出肺部，不受阻礙。良好的聲門開放度確保了足夠的氣體交換，維持正常的生理功能。
  • 聲帶內收 (Adduction)： 在某些情況下，如咳嗽、清喉或吞嚥時，聲帶會暫時內收，關閉聲門。這有助於防止異物進入氣管，或在咳嗽時產生較高的胸腔壓力以排出異物。

• 發聲 (Phonation/Voice Production)：

  • 聲帶內收 (Adduction)： 發聲的前提是聲帶必須先進行內收，將聲門關閉。只有當聲帶靠攏時，從肺部呼出的氣流才能在聲帶之間產生足夠的壓力，並利用伯努利效應（Bernoulli effect）和彈性回縮，使聲帶開始振動。
  • 聲帶外展 (Abduction)： 在發聲結束或不發聲時（如自然呼吸），聲帶會回到外展位置，關閉聲門的動作停止，氣流自由通過。

總結來說，聲帶外展是確保呼吸順暢的必要條件，而聲帶內收則是發聲的啟動機制。

(b) 聲帶內收/外展與聲帶振動的異同及聲帶振動週期

• 聲帶運動的類型：
  • (1) 聲帶內收與外展 (Vocal Fold Abduction and Adduction)： 這是一種整體性的、相對緩慢的、由肌肉力量驅動的聲帶位置改變。它決定了聲門是開放還是關閉，是呼吸還是發聲的準備狀態。
    • 機制： 主要由喉部肌肉（如環杓狀軟骨的後側環杓肌和橫向環杓肌）的收縮和舒張來控制。
    • 目的： 外展是為了打開聲門以便呼吸；內收是為了關閉聲門，為發聲做準備。
  • (2) 聲帶振動 (Vocal Fold Vibration)： 這是一種快速的、週期性的、由氣流和聲帶自身彈性共同作用的運動。它發生在聲帶內收並被氣流衝擊後。
    • 機制： 涉及複雜的空氣動力學（氣壓、流速）和生物力學（聲帶組織的彈性、質量）。當聲帶內收關閉聲門時，呼出的氣流受阻，聲帶下方的氣壓升高。當壓力足以克服聲帶的彈性回縮和內收的肌肉張力時，聲帶會被推開（振動的起始）。隨後，氣流通過變窄的聲門，流速增加，壓力降低（伯努利效應），同時聲帶組織自身的彈性使其回縮。這兩個因素共同作用，使聲帶週期性地關閉和打開。
    • 目的： 產生聲波，這是聲音的基礎。

本題要求解釋「共振峰」（formants）與「諧波」（harmonics）的概念，探討它們在語音分析中的重要性，並輔以圖示說明。

「共振峰」(Formants) 與「諧波」(Harmonics)

• 諧波 (Harmonics)：

  • 定義： 諧波是指一個訊號（例如聲帶振動產生的聲源）的基頻（fundamental frequency, $f_0$）及其整數倍的頻率成分。簡單來說，如果基頻是 $f_0$，那麼其諧波就存在於 $2f_0, 3f_0, 4f_0, \dots, n f_0$ 等頻率上。
  • 來源： 聲帶振動本身產生一個包含基頻及其諧波的週期性聲波（稱為聲源訊號）。大多數週期性訊號都可以被分解為一系列諧波的疊加。
  • 圖示說明：
    • [圖示：一個頻譜圖，顯示多個尖峰，這些尖峰之間的間隔相等，代表諧波。最左邊的尖峰是基頻 ($f_0$)，往右依次是 $2f_0, 3f_0, 4f_0$, 等等。尖峰的高度代表該頻率成分的強度（振幅）。]
    • 說明： 聲帶振動的頻率決定了聲音的基頻，而這個基頻的倍數就是諧波。例如，如果基頻是 100 Hz，那麼諧波就存在於 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz 等等。

• 共振峰 (Formants)：

  • 定義： 共振峰是聲道（vocal tract，從聲門到嘴唇的整個氣腔）的共振頻率。當聲帶產生的聲源訊號通過聲道時，聲道的形狀會對不同頻率的聲波產生選擇性地放大或衰減。那些被聲道顯著放大的頻率，就稱為共振峰。
  • 來源： 共振峰是聲道（口腔、咽腔、鼻腔）的物理特性決定的，與聲帶振動的基頻和諧波無關。聲道的形狀（例如舌頭的位置、嘴唇的開合度）決定了共振峰的頻率。
  • 圖示說明：
    • [圖示：一個頻率響應曲線圖，顯示聲道對不同頻率的放大程度。圖中有多個「駝峰」或「山峰」，這些山峰的頂端對應的頻率就是共振峰。例如，第一共振峰（$F_1$）可能在 500 Hz 左右，第二共振峰（$F_2$）可能在 1500 Hz 左右，第三共振峰（$F_3$）可能在 2500 Hz 左右。]
    • 說明： 聲道的長度和形狀會影響共振峰的位置。例如，口腔越大，舌頭越靠後，第一共振峰 ($F_1$) 的頻率通常較低；舌頭越靠前，嘴唇越圓，第二共振峰 ($F_2$) 的頻率通常較高。

理解這兩個概念在語音分析中的重要性

理解「諧波」和「共振峰」對於語音分析至關重要，因為它們共同構成了我們聽到的聲音的基礎，並且能夠區分不同的語音（如元音、輔音）和發聲者。

1. 區分聲音的性質（聲源 vs. 聲道）：
   • 諧波代表了聲源（聲帶振動）的特性，主要與**聲調（pitch）**有關。基頻的變化直接對應於音高的變化。