头低位卧床模拟失重对汉语语音特征的影响
作者：刘志刚 黄端生 郑素贤
单位：航天医学工程研究所，北京 10094
关键词：卧床实验；头低位倾斜；失重模拟；声学语音特征
航天医学与医学工程000304摘要： 目的 探讨头低位卧床模拟失重作用下生成语音的语音特征的变化规律。 方法 被试者为6名健康男性青年，头低位-6°模拟失重条件下记录语音特征及变化规律。 结果 与对照组相比，模拟失重作用下语音的时长有一定增加；平均能量明显降低，结果非常显著；基频有一定降低，并有显著性差异(P<0.05)。 结论 模拟失重对人的语音特征产生一定影响，某些语音特征的影响具有显著性。
中图分类号：R852.22 文献标识码：A
文章编号：1002-0837(2000)03-0171-03
, 百拇医药
A Study of effects of Head-down Bed-rest Simulated Weightlessness on Phonetic Features of Chinese
LIU Zhi-gang,HUANG Duan-sheng,ZHENG Su-xian
Abstract: Objective To study the changes of phonetic features of Chinese speech during head-down bed-rest (HDBR) stimulated weightlessness. Method During -6° HDBR in 6 healthy subjects(20～30 years), acoustic-phonetic features were analyzed. Result The duration of utterance was sightly increase in the first two days, and recovered after the fourth day of HDBR; mean energy decreased along with time of bed rest, t-tests showed that the decrease in energy of utterances was very significant; a decrease in fundamental frequencies under HDBR was also significant. Conclusion There were certain changes in the acoustic phonetic features under HDBR, some of them were significant.
, 百拇医药
Key words:bed rest (tests);head down tilt;weightlessness simulation;acoustic-phonetic features
在载人航天领域，必须保证可靠的语言通信，在采用语音识别设备时，还要保证有足够高的识别精度。各种特殊环境因素如噪声、振动等会对人的发音产生一定的影响[1～4]。航天特殊因素中，失重最为持久且不可避免，但是其对语言通信的影响却未见报道。头低位-6°模拟失重实验表明，由于人体静水压力的变化，使人体毛细血管出现新的平衡，引起头部毛细血管的血压和血流增加[5，6]，进而，鼻、咽部粘膜及发声系统各声腔壁充血，致使发声系统各器官形状和物理特性改变，引起语音特征值的变化。Gerstenbrand和Muigg[7]研究发现微重力环境下人的说话能力会减弱。
方 法
, http://www.100md.com
被试者 被试者为6名健康男性青年(20～30岁)，操普通话，无明显方言；无言语障碍与声道系统疾病史；实验前作声道系统检查未见异常。
语音材料 语音材料为汉语6个单元音(|a|、|o|、|e|、|i|、|u|、|ü|)和6个汉语单音节汉字(那、多、扯、追、触、举)，这6个汉字分别与汉语6个单元音相对应。
语音记录装置 语音词表用支架固定，显示于发音人头部上方约40 cm处，字表为纵向排列，以避免发音时产生阅读错误。在发音人口部附近10 cm处放置国产CD-1型话筒，通过G&K双通道测量放大器与B&K7005型磁带记录仪相连。字表旁侧有一定时器，其上有一发光二极管指示灯，每4 s闪一下，被试人员读一个字。语音信号通过话筒经放大输入到SONY磁带记录仪上。
实验过程 实验中头低位-6°卧床模拟失重状态，除大小便的时间外均维持这一状态持续8 d。实验前记录一次语音作为对照。实验中分别在第1、2、4、8 天的傍晚录音，其中第1天上午多录1次音。卧床过程中，定时地询查被试者主观反应、鼻咽部状态和身体健康状况。实验中被试者可以读书、听音乐、看电视等文化娱乐活动，以克服由单调卧床状态可能引起的疲劳或烦躁。
, 百拇医药
数据处理 将已录制在SONY磁带上的语音信号通过B&K7005型磁带记录仪输出，经G&K双通道测量放大器进行放大，然后输入至TMS320C25型语图处理板上，利用专用处理软件完成宽带带通滤波和A/D转换，设定宽带噪声下限截止频率为80 Hz，上限截止频率为4 kHz。A/D转换采样率为10 kHz，量化精度为14位。对于转换后的数据经整理后以数据文件形式存储于计算机内，以备进行语音特征提取(图1)。
图1 语音预处理流程框图
Fig.1 Flow chart of speech pretreatment
数据分析 选择语音的时长、能量、基频、元音共振峰作为主要实验指标。时长即音长；能量表征声音的强弱，它的变化会影响到频谱，且与共振峰和基频的改变有关；基频指在发浊音时一定时间间隔内声带的振动频率；共振峰指声腔的共鸣频率，主要由声道形状所决定。它们是最基本、最重要的语音特征参数，最能反映语音的变化，而且是构成语音分析、语音识别、语音合成、语音编码等现代语音技术的基础。
, 百拇医药
语音时长的获得是通过将语音信号进行人工分段，将波形曲线和能量曲线相比较，并通过回放来确定语音段，截取语音长度。语音信号的总平均能量由计算语音信号的采样点上的均方值获得，并转换为dB值，以相对量表示。基频利用倒频谱分析方法进行提取，共振峰利用LPC方法求得。对于各语音特征参数利用成对t-检验逐点进行卧床后与卧床前的统计比较。
结 果
模拟失重因素对元音时长的影响 所有发音人、所有发音的韵母平均时长见图2。图中横坐标从左至右依此为对照、卧床第1天上午、第1天、第2天、第4天、第8天所测数据的平均值及其均方差。卧床前韵母时长的平均值为514 ms，模拟失重后，第1天上午、第1天、第2天韵母时长分别为523 ms、519 ms和520 ms，有稍微增加的趋势，第4天和第8天韵母时长与卧床前基本相同。t检验结果表明，模拟失重后，第1天上午、第1天、第2天的韵母时长的变化并不具有显著性差异(P>0.05)，各天之间时长统计结果也不具有显著性差异。
, http://www.100md.com
模拟失重因素对平均能量的影响 所有发音人的所有发音的能量平均值见图3。卧床前的总能量平均值为55.0 dB(相对值)，模拟失重后，平均能量的变化在总体上呈现减小的趋势。第1天上午平均能量值虽略有增加，但自第1天至第8天平均能量值逐渐变低，且都低于卧床前能量值。其中，第2天的平均能量值的减小幅度最大，为6.3 dB。第2天、第4天、第8天语音的平均能量逐渐降低，但幅度不大，每相邻样本大约衰减1 dB。t检验计算结果表明，进入模拟失重状态后，除第1天上午与卧床前相比不具有显著性差异外，其他样本与对照组相比均有非常显著性差异，P<0.01。
图2 卧床模拟失重条件下元音时长的变化
Fig.2 Changes of vowel duration of utterances under the simulated weightlessness condition(
±s)
, http://www.100md.com
图3 卧床模拟失重条件下平均能量的变化
Fig.3 Changes of vowel average energy under the simulated weightlessness condition(±s)
**P<0.01,as compared with pre-HDBR
图4 卧床模拟失重条件下元音基频的变化
Fig.4 Changes of vowel fundamental frequencies under the simulated weightlessness condition(±s)
, http://www.100md.com
*P<0.05,as compared with pre-HDBR
模拟失重因素对元音基频的影响 所有发音人在所有发音下的基频平均值见图4。卧床前的F0的平均值为168.9 Hz。进入模拟失重状态后，发音人的基频均有一定程度的下降。其中，第
1天上午、第1天基频的下降较为明显，减小值约为10 Hz，第2天以后有一定的回升。t检验结果表明，进入模拟失重状态后，第1天上午、第1天，第4天和第8天与卧床前相比具有显著性差异，P<0.05，仅第2天与卧床前相比不具有显著性差异(P>0.05)。
元音共振峰的变化没有音段特征那样明显，在分析的几个元音中，第一、第二共振峰的变化受不同发音的影响较大，但是在实验过程中均有一定的提高。
讨 论
, 百拇医药 在头低位卧床模拟失重下汉语单音节语音时长略有增长的趋势(无显著性)，平均能量在实验过程中逐渐降低，与卧床前相比有显著性差异。元音基频有一定程度的降低，与卧床前相比大多有显著性差异，实验的第1天较为明显。这种变化可能是失重对人体发声机能的影响。在失重环境下，人体的承重肌肉会变得较为松弛，人的呼吸肌群、喉肌(包括声带肌)也较正常状态下松弛，同时，腹腔内各脏器重量的消失使膈肌上升。由于膈肌上升导致被试者肺部体积变小，肺活量减少，相应导致声门下压力的降低。同时，由于模拟失重状态下声带肌、环甲肌等喉部肌肉松弛导致声带紧张度的降低，语音的能量受制于声门下压力，基频受制于声门的下压力和声带的紧张度，这些生理反应也促使生成语音的音调降低、音量减小，导致语音的平均能量呈下降趋势，基频有所降低。
同时，由于静水压力改变引起头部组织充血和体液充盈，使喉部的几何和机械特性发生改变，声带充血，固有频率下降，语音的基频也随之有一定程度的下降。但是基频下降幅度没有平均能量的明显，时长的增加趋势更不明显，这似乎表明在卧床模拟失重条件下，就对声门波产生过程的影响而言，强度效应最为明显，频率效应次之，时间效应再次之。此外，随着卧床时间的延长，平均能量下降趋势的逐渐减弱，时长的增加趋势在第4天后不复存在，说明人体在进入模拟失重状态一定时间后可产生一定程度上的适应，模拟失重因素对发音的影响能够自行恢复。
, 百拇医药
根据本研究结果，在载人航天飞行中使用语音识别设备时，要考虑语音识别特征参数的这种变化(尤其在前期)，以保证较高的识别精度。
Address reprint requests to: LIU Zhi-gang.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China
[参考文献]
[1] Bond ZS,Moore TJ,Gable B.Acoustic-phonetic characteristics of speech production in noise and while wearing an oxygen mask [J].J Acoust Soc Am Vol，1989，85(2)：907～912
[2] Bond ZS,Moore TJ.Effect of whole-body vibration on acoustic measures of speech [J].Aviation Space and Environ Med,1990,10(11):989～993
, 百拇医药
[3] GAO Hui,ZHOU Du-qiang,HUANG Duan-sheng.Combined effect of noise and vibration on articulation of Chinese syllable[J].Space Medicine & Medical Engineering，1997，10(4)：235～239
高 慧，周笃强，黄端生.噪声与振动复合因素对汉语发音的影响 [J].航天医学与医学工程，1997，10(4)：235～239
[4] GAO Hui,ZHOU Du-qiang,HUANG Duan-sheng.The combined effect of noise and vibration on intelligibility of Chinese syllables [J].Space Medicine & Medical Engineering，1999，12(3)：165～168
, 百拇医药
高 慧，周笃强，黄端生.噪声、振动复合因素对汉语语音清晰度影响的研究[J].航天医学与医学工程，1999，12(3)：165～168
[5] Aratow M,AR Hargens,J-U Meyer et al.Postural responses of head and foot cutaneous microvascular flow and their sensitivity to bed rest [J].Aviat Space Environ Med，1991，62:246～251
[6] Murthy G,Marchbanks RJ,Watenpaugh DE et al.Increased intracranial pressure in humans during simulated microgravity [J].Physiologist，1992，35:S184～S185
[7] Gerstenbrand-F,Muigg-A.Space medicine and life sciences in space [J].Wien Med Wochenschr，1993，143(23～24): 582～584
收稿日期：1999-09-06, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所，北京 10094
关键词：卧床实验；头低位倾斜；失重模拟；声学语音特征
航天医学与医学工程000304摘要： 目的 探讨头低位卧床模拟失重作用下生成语音的语音特征的变化规律。 方法 被试者为6名健康男性青年，头低位-6°模拟失重条件下记录语音特征及变化规律。 结果 与对照组相比，模拟失重作用下语音的时长有一定增加；平均能量明显降低，结果非常显著；基频有一定降低，并有显著性差异(P<0.05)。 结论 模拟失重对人的语音特征产生一定影响，某些语音特征的影响具有显著性。
中图分类号：R852.22 文献标识码：A
文章编号：1002-0837(2000)03-0171-03
, 百拇医药
A Study of effects of Head-down Bed-rest Simulated Weightlessness on Phonetic Features of Chinese
LIU Zhi-gang,HUANG Duan-sheng,ZHENG Su-xian
Abstract: Objective To study the changes of phonetic features of Chinese speech during head-down bed-rest (HDBR) stimulated weightlessness. Method During -6° HDBR in 6 healthy subjects(20～30 years), acoustic-phonetic features were analyzed. Result The duration of utterance was sightly increase in the first two days, and recovered after the fourth day of HDBR; mean energy decreased along with time of bed rest, t-tests showed that the decrease in energy of utterances was very significant; a decrease in fundamental frequencies under HDBR was also significant. Conclusion There were certain changes in the acoustic phonetic features under HDBR, some of them were significant.
, 百拇医药
Key words:bed rest (tests);head down tilt;weightlessness simulation;acoustic-phonetic features
在载人航天领域，必须保证可靠的语言通信，在采用语音识别设备时，还要保证有足够高的识别精度。各种特殊环境因素如噪声、振动等会对人的发音产生一定的影响[1～4]。航天特殊因素中，失重最为持久且不可避免，但是其对语言通信的影响却未见报道。头低位-6°模拟失重实验表明，由于人体静水压力的变化，使人体毛细血管出现新的平衡，引起头部毛细血管的血压和血流增加[5，6]，进而，鼻、咽部粘膜及发声系统各声腔壁充血，致使发声系统各器官形状和物理特性改变，引起语音特征值的变化。Gerstenbrand和Muigg[7]研究发现微重力环境下人的说话能力会减弱。
方 法
, http://www.100md.com
被试者 被试者为6名健康男性青年(20～30岁)，操普通话，无明显方言；无言语障碍与声道系统疾病史；实验前作声道系统检查未见异常。
语音材料 语音材料为汉语6个单元音(|a|、|o|、|e|、|i|、|u|、|ü|)和6个汉语单音节汉字(那、多、扯、追、触、举)，这6个汉字分别与汉语6个单元音相对应。
语音记录装置 语音词表用支架固定，显示于发音人头部上方约40 cm处，字表为纵向排列，以避免发音时产生阅读错误。在发音人口部附近10 cm处放置国产CD-1型话筒，通过G&K双通道测量放大器与B&K7005型磁带记录仪相连。字表旁侧有一定时器，其上有一发光二极管指示灯，每4 s闪一下，被试人员读一个字。语音信号通过话筒经放大输入到SONY磁带记录仪上。
实验过程 实验中头低位-6°卧床模拟失重状态，除大小便的时间外均维持这一状态持续8 d。实验前记录一次语音作为对照。实验中分别在第1、2、4、8 天的傍晚录音，其中第1天上午多录1次音。卧床过程中，定时地询查被试者主观反应、鼻咽部状态和身体健康状况。实验中被试者可以读书、听音乐、看电视等文化娱乐活动，以克服由单调卧床状态可能引起的疲劳或烦躁。
, 百拇医药
数据处理 将已录制在SONY磁带上的语音信号通过B&K7005型磁带记录仪输出，经G&K双通道测量放大器进行放大，然后输入至TMS320C25型语图处理板上，利用专用处理软件完成宽带带通滤波和A/D转换，设定宽带噪声下限截止频率为80 Hz，上限截止频率为4 kHz。A/D转换采样率为10 kHz，量化精度为14位。对于转换后的数据经整理后以数据文件形式存储于计算机内，以备进行语音特征提取(图1)。
图1 语音预处理流程框图
Fig.1 Flow chart of speech pretreatment
数据分析 选择语音的时长、能量、基频、元音共振峰作为主要实验指标。时长即音长；能量表征声音的强弱，它的变化会影响到频谱，且与共振峰和基频的改变有关；基频指在发浊音时一定时间间隔内声带的振动频率；共振峰指声腔的共鸣频率，主要由声道形状所决定。它们是最基本、最重要的语音特征参数，最能反映语音的变化，而且是构成语音分析、语音识别、语音合成、语音编码等现代语音技术的基础。
, 百拇医药
语音时长的获得是通过将语音信号进行人工分段，将波形曲线和能量曲线相比较，并通过回放来确定语音段，截取语音长度。语音信号的总平均能量由计算语音信号的采样点上的均方值获得，并转换为dB值，以相对量表示。基频利用倒频谱分析方法进行提取，共振峰利用LPC方法求得。对于各语音特征参数利用成对t-检验逐点进行卧床后与卧床前的统计比较。
结 果
模拟失重因素对元音时长的影响 所有发音人、所有发音的韵母平均时长见图2。图中横坐标从左至右依此为对照、卧床第1天上午、第1天、第2天、第4天、第8天所测数据的平均值及其均方差。卧床前韵母时长的平均值为514 ms，模拟失重后，第1天上午、第1天、第2天韵母时长分别为523 ms、519 ms和520 ms，有稍微增加的趋势，第4天和第8天韵母时长与卧床前基本相同。t检验结果表明，模拟失重后，第1天上午、第1天、第2天的韵母时长的变化并不具有显著性差异(P>0.05)，各天之间时长统计结果也不具有显著性差异。
, http://www.100md.com
模拟失重因素对平均能量的影响 所有发音人的所有发音的能量平均值见图3。卧床前的总能量平均值为55.0 dB(相对值)，模拟失重后，平均能量的变化在总体上呈现减小的趋势。第1天上午平均能量值虽略有增加，但自第1天至第8天平均能量值逐渐变低，且都低于卧床前能量值。其中，第2天的平均能量值的减小幅度最大，为6.3 dB。第2天、第4天、第8天语音的平均能量逐渐降低，但幅度不大，每相邻样本大约衰减1 dB。t检验计算结果表明，进入模拟失重状态后，除第1天上午与卧床前相比不具有显著性差异外，其他样本与对照组相比均有非常显著性差异，P<0.01。
图2 卧床模拟失重条件下元音时长的变化
Fig.2 Changes of vowel duration of utterances under the simulated weightlessness condition(
±s), http://www.100md.com
图3 卧床模拟失重条件下平均能量的变化
Fig.3 Changes of vowel average energy under the simulated weightlessness condition(
±s)**P<0.01,as compared with pre-HDBR
图4 卧床模拟失重条件下元音基频的变化
Fig.4 Changes of vowel fundamental frequencies under the simulated weightlessness condition(
±s), http://www.100md.com
*P<0.05,as compared with pre-HDBR
模拟失重因素对元音基频的影响 所有发音人在所有发音下的基频平均值见图4。卧床前的F0的平均值为168.9 Hz。进入模拟失重状态后，发音人的基频均有一定程度的下降。其中，第
1天上午、第1天基频的下降较为明显，减小值约为10 Hz，第2天以后有一定的回升。t检验结果表明，进入模拟失重状态后，第1天上午、第1天，第4天和第8天与卧床前相比具有显著性差异，P<0.05，仅第2天与卧床前相比不具有显著性差异(P>0.05)。
元音共振峰的变化没有音段特征那样明显，在分析的几个元音中，第一、第二共振峰的变化受不同发音的影响较大，但是在实验过程中均有一定的提高。
讨 论
, 百拇医药 在头低位卧床模拟失重下汉语单音节语音时长略有增长的趋势(无显著性)，平均能量在实验过程中逐渐降低，与卧床前相比有显著性差异。元音基频有一定程度的降低，与卧床前相比大多有显著性差异，实验的第1天较为明显。这种变化可能是失重对人体发声机能的影响。在失重环境下，人体的承重肌肉会变得较为松弛，人的呼吸肌群、喉肌(包括声带肌)也较正常状态下松弛，同时，腹腔内各脏器重量的消失使膈肌上升。由于膈肌上升导致被试者肺部体积变小，肺活量减少，相应导致声门下压力的降低。同时，由于模拟失重状态下声带肌、环甲肌等喉部肌肉松弛导致声带紧张度的降低，语音的能量受制于声门下压力，基频受制于声门的下压力和声带的紧张度，这些生理反应也促使生成语音的音调降低、音量减小，导致语音的平均能量呈下降趋势，基频有所降低。
同时，由于静水压力改变引起头部组织充血和体液充盈，使喉部的几何和机械特性发生改变，声带充血，固有频率下降，语音的基频也随之有一定程度的下降。但是基频下降幅度没有平均能量的明显，时长的增加趋势更不明显，这似乎表明在卧床模拟失重条件下，就对声门波产生过程的影响而言，强度效应最为明显，频率效应次之，时间效应再次之。此外，随着卧床时间的延长，平均能量下降趋势的逐渐减弱，时长的增加趋势在第4天后不复存在，说明人体在进入模拟失重状态一定时间后可产生一定程度上的适应，模拟失重因素对发音的影响能够自行恢复。
, 百拇医药
根据本研究结果，在载人航天飞行中使用语音识别设备时，要考虑语音识别特征参数的这种变化(尤其在前期)，以保证较高的识别精度。
Address reprint requests to: LIU Zhi-gang.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China
[参考文献]
[1] Bond ZS,Moore TJ,Gable B.Acoustic-phonetic characteristics of speech production in noise and while wearing an oxygen mask [J].J Acoust Soc Am Vol，1989，85(2)：907～912
[2] Bond ZS,Moore TJ.Effect of whole-body vibration on acoustic measures of speech [J].Aviation Space and Environ Med,1990,10(11):989～993
, 百拇医药
[3] GAO Hui,ZHOU Du-qiang,HUANG Duan-sheng.Combined effect of noise and vibration on articulation of Chinese syllable[J].Space Medicine & Medical Engineering，1997，10(4)：235～239
高 慧，周笃强，黄端生.噪声与振动复合因素对汉语发音的影响 [J].航天医学与医学工程，1997，10(4)：235～239
[4] GAO Hui,ZHOU Du-qiang,HUANG Duan-sheng.The combined effect of noise and vibration on intelligibility of Chinese syllables [J].Space Medicine & Medical Engineering，1999，12(3)：165～168
, 百拇医药
高 慧，周笃强，黄端生.噪声、振动复合因素对汉语语音清晰度影响的研究[J].航天医学与医学工程，1999，12(3)：165～168
[5] Aratow M,AR Hargens,J-U Meyer et al.Postural responses of head and foot cutaneous microvascular flow and their sensitivity to bed rest [J].Aviat Space Environ Med，1991，62:246～251
[6] Murthy G,Marchbanks RJ,Watenpaugh DE et al.Increased intracranial pressure in humans during simulated microgravity [J].Physiologist，1992，35:S184～S185
[7] Gerstenbrand-F,Muigg-A.Space medicine and life sciences in space [J].Wien Med Wochenschr，1993，143(23～24): 582～584
收稿日期：1999-09-06, 百拇医药