人类歌唱、乐器演奏,到宇宙引力波

 

第一部分:人类发音的原理与乐器演奏

所谓声音,物理学上的定义大致是:由物体振动产生的声波,是通过空气/固体/液体等介质传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。那么,产生声音就有几个关键要素:首先要有介质,然后这个介质必须是振动的,最后就是能让介质产生振动的能量/动力。在这一点上,乐器的演奏,和人类的发音原理几乎是一样的,而且不仅如此,且听本文细细道来。

人体的有四大器官参与发音与构音:动力器官(动力),振动器官(介质),共鸣器官,构音器官。如果仅从发音角度,而不是形成语言的角度,前面三个器官就够了:动力器官是呼吸系统,吸进去气体后,再呼出来,气流经过闭合(没有完全闭死)的声带(振动器官),然后声带振动,发出“基音”,后者在“共鸣器官”比如胸腔,鼻腔鼻窦,口腔咽腔等“空间”共鸣后,发出一定分贝的能够让人听到的声音。

这三个器官,与几乎任何乐器,尤其是弦乐器中需要用弓拉的琴,比如大提琴,小提琴,二胡等,最吻合,我们以小提琴举例:

  1. 动力器官呼吸系统呼出的气流à对应着小提琴的弓,后者需要演奏家的的拉动;
  2. 振动器官,也就是声带,à对应着小提琴的弦,在弓的拉动下产生振动,发出美妙的基音,正如声带在气流作用下振动发声那样;
  3. 共鸣器官,也就是上面提到的胸腔等,à对应着小提琴的琴箱。然后我们再来说说声音的4个基本特质:音调(音高),音强(响度),嗓音医学的角度,音质与音色是两个概念),以及从人类发音和乐器演奏的角度上,讨论这四个基本特质的影响因素。

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(一)音调(音高)

首先,说说音调,也就是音高,与声音的振动频率有关,比如音乐上的do,re, mi, fa, sol, la, xi等,除了这7个音乐上最常用的音以外,在合适的地方加入半音,就构成了目前基本覆盖所有音乐音符组成的十二平均律(一些特殊的音乐除外,比如部分印度音乐)。

对于人类来说,亦是如此,幼儿女性的音调通常会比成年男性的高,随着年龄的变化会有差异,老年人一般声音会比年轻人厚沉一点,也就是相对来说音调低一点。

那,是什么原因引起音调的差异呢?不论是人类的发音,还是乐器的演奏,原理上都是一样的:取决于琴弦/声带的粗细,长短。对于人类的发音来说,声带比较粗的人发出来的声音,在长短恒定的情况下,发出来的音会比声带较细者发出的声音“粗”,这也是为什么有时候感冒累及喉部时,我们的声音除了嘶哑外,还会有音调降低变粗的情况,因为声带在炎症的情况下充血肿胀或者水肿变粗了。

乐器也是如此,小提琴有4根弦,吉他有6根弦,从第1到第4或者从1-6的琴弦依次增粗,相同长度下,当你演奏吉他(标准调弦下)最细的第一弦时,弹出来的声音是C调的“mi”,而最粗的第6弦演奏出来的也是C调的“mi”,但是这个“mi”要比第一弦上的整整低了两个八度,因为它的弦也比第一弦粗了好几圈,有兴趣的读者,可以拿起任何一件弦乐试试,人生中如果有一件乐器陪伴,是一件很快乐的事。

好了,扯远了,回归正文。影响音调的因素除了“粗细”外,还有长短,这也是为什么拉小提琴或者演奏吉他的人,会用左手在琴弦的不同位置上按着再去演奏的原因。以吉他为例子:吉他上有很多的格子,如果你按住第一根弦,从琴头开始数的第三格(专业术语叫第三品),那么弹出来音就是C调的“sol”,听起来就会比什么都不按时第一弦弹出来的“mi”要高,

因为当你按住“第三品“时,实际振动的琴弦长度已经比啥也不按时要短很多了,这个时候,很容易发现这个规律:相同的粗细下,较短的琴弦/声带,发出来的声音,音调会高一些。那么问题来了:同样的长度下,在没有左手按住吉他的品格时,相同的弦,不同松紧状态下,声音的音调也不一样啊。其实这个问题不难理解,因为当琴弦被“拧紧”时,本身的粗细已经发生了细微的变化,会变得细一些,只是你肉眼看不出来而已,长度也会变长,但是多出来的那部分长度会被卡在固定吉他的弦钮上,不算入实际振动范围内。

我们唱歌发高音时,声带在控制声带的肌肉的作用下,变紧变细,而且实际振动的长度也变短,只有声带边缘在振动,使得声带振动的频率加快,发出高音,唱低音时正好相反。顺便提一句,人类的发声原理非常复杂,至少有40条肌肉参与了发声。

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(二)音强(响度)

音强,也就是声音的强度,也可以理解为声音能量的大小,取决于声波振动的幅度,也就是振幅:振幅越大,声音越强,反之亦然。对于听众来说,他们听到的声音强度的大小还取决于他们的听力,有听力下降的人,你给他很高强度的声音,对方听起来也是弱的。

从乐器的角度,乐句演奏出来的音强/响度,取决于演奏者手上实际用的力度,这点比较好理解:你弹的重一点,在其他条件同等时,实际发出来的音就会强一点,反之亦然。对于音乐来说,演奏的力度,音符的强弱,是音乐能否打动人心很重要的一个因素,你的音乐最好是轻重起伏恰到好处,才能更好的表达音乐所要传递的信息,与听众共鸣,而不是机械的和尚念经那样的平淡的从头念到尾。

此处没有贬义哦,有的和尚念经也是抑扬顿挫非常有韵味的。人类的发音也是,当你发出一个比较强的声响时,在其他条件同等时,经过声带的气流和声门下压力以及声带的阻力会大很多,如果长时间大声说话/唱歌/喊叫,有可能会破坏声带结构,导致声带息肉,声带小结等疾病,这也是为什么很多歌唱家与老师们后期会出现声音嘶哑的原因之一,这点,后续我们会简单介绍。

此外,声音的响度还和共振的幅度有关系,好的共鸣状态下,可以把音量提高不少。

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(三)音色与音质

从嗓音医学的角度,音色与音质是分开看待的,其实这也不难理解:音色大家都很清楚,在没有杂音的前提下,小提琴发出来的音色,与吉他/洞箫等乐器发出来的音色是不一样的,不同的歌唱家,发出来的声音,音色也是不一样的,而且,同样一种乐器,不同品质的乐器,音色也是千差万别,与木头/木板的质量,琴弦的质量,乐器的做工等都有关系,以笔者最熟悉的吉他为例子,便宜的吉他几百元,业内人称“烧火棍“,不仅音色不佳,而且特别伤手;贵的上不封顶,1百万元人民币的吉他也是不奇怪的。从人类发音的角度来说,音色可以理解为声音的个性—-比如人类可以通过一个人的声音去识别他的身份,在熟悉的前提下,“未见其人,先闻其声”就能判别这个人是谁,当然,也有少数情况下会识别失误。

从嗓音医学的角度,音色取决于“嗓音中泛音的多少和强弱”,与声带的振动形式,共鸣腔的形态构造以及一些发声技巧都有关系,比如当你感冒时,出现“鼻音”,就是鼻堵后共鸣腔上收到了影响,严格来说感冒时的鼻音,叫“闭合性鼻音”。再来说说“音质”,嗓音医学上的解释是“具有喉部调节和声带振动特性及音响特性的音色”,从我个人的角度,我将“音质”理解为声音质量的好坏:比如感冒或者声带病变时,声音会粗糙,嘶哑;声带麻痹的病人双侧声带无法完全闭合,导致发音“漏气”,发出来的“气息声”,这种“气息声”也可以故意为之,比如说悄悄话的时候。对于乐器来说,从“声音质量的好坏”这个角度而言,取决于两个方面:琴的好坏与演奏者的技术水平。

一把演奏家级别的乐器,音色与音质都是上乘的,有些琴,比如吉他,琴弦与木板(指板)之间的距离过低或者不规则,导致弹奏时琴弦总是碰到指板发出杂音,这样的琴,音质肯定差;同一把琴,不同的人演奏出来也是不一样的,对于初学者来说,经常会出现由于按不稳吉他的琴弦,会发出“呲呲呲”的杂音或者很闷的音,此时的声音的质量,就难以达到欣赏的要求,变得刺耳。

区别“音色”与“音质”这两个概念,可以从声波振动的纯粹性/规律性上来了解,在相同音高/音强与音长的前提下,如果这个声波上并非单一规律的或者夹杂有其他不规则的声波时,这样的声音,音质就是差的,那些“不规则振动的声波”,就是杂音—-当你把一个小纸片系在琴弦上时,再去弹奏琴弦,就会出现杂音,因为此时这根琴弦的振动已经无法做到规律,所以,当一个人出现声音嘶哑时,也说明这个人的声带长了息肉等新生物,或者因为其他原因导致声带变得不规则,应该及时就医了。

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(四)音长

音长的概念就比较好理解了,无非就是声音的长短。对于人类来说,音长与一个人的肺活量,健康状况与发声技巧等都有关系,肺活量好的人,在同等其他条件下,可以持续不断的呼出气流作用于声带,使得发出的声音一直延续;同一个人,相同肺活量的情况下,发声技巧包括呼吸方式等也都会影响声音的长短,正确的呼吸方式与发声技巧可以延长你的音长,唱出很长的音;一个人生病时,唱歌或者讲话都是有气无力的,所以健康状况也是影响音长的因素。

对于乐器来说,也是如此,小提琴的弓持续在琴弦上移动,就可以演奏较长的音符;虽然弹拨乐器尤其是细的琴弦时,单词弹拨在“持续振动”这方面能力较弱,但也可以通过揉弦或者轮指震音等方式去演奏较长的音符;对于像洞箫这样的需要用到气流的乐器来说,与唱歌有点类似:正确的呼吸技巧,及时在肺活量不足的前提下,也可以吹奏出时值很长的音符。

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第二部分:唱歌,是细胞的和谐共振之舞

从微观角度来说,声带的振动,其实也是声带上不同种类的细胞的振动,人类的歌声,就是声带上的细胞,以及其他控制声带和共鸣腔的组织上的细胞的和谐共振之舞。

前面的内容说了那么多发音与乐器演奏的异曲同工之妙,那么,作为人类发音最重要的器官声带,它的细胞组成是什么样的呢?声带总的来说,从浅到深,可以分为“上皮层”,“固有层”,“声带肌层”,其中“固有层”又分为浅,中,深三层,有时也将固有层的中层和深层合成为声韧带层,由“弹性纤维”层和“胶原纤维”层分别组成。

每一层的细胞都是不一样的,各自执行的不同的功能:首先说说上皮层,一般情况下,整个呼吸道的黏膜上皮都是一种叫“假复层纤毛柱状上皮”的细胞,这些细胞的特点就是可以分泌黏液,具有很多纤毛,可以清除呼吸道里的脏东西(比如痰液,鼻涕等),这一点,在本书的“隐藏在呼吸道里的扫地僧”这一章节有详细描述,此处不再赘述,而声带上的黏膜上皮就不一样了,是“特供”的“复层鳞状上皮细胞“,大概有6-8层这样的细胞,当然,此时的“特供”是有必须的原因的,职责需要,并非“特权”所致,因为声带需要长时间因说话发生振动,所以此处必须有6-8层这种复层鳞状上皮细胞存在,以保障在振动的情况下保持声带的稳定,让声带维持一定的形状。

再来说说固有层,主要有“成纤维细胞”,“肌成纤维细胞”以及具有免疫作用的“巨噬细胞”,其中成纤维细胞最为重要,不仅可以产生具有弹性和支持细胞生长的“细胞外基质”,本身也可以参与声带受损时的修复;而“肌成纤维细胞”其实是由“成纤维细胞”特训转化而来,专门负责创伤修复和“细胞外基质“的重建,至于“巨噬细胞”,自然是负责吞噬有可能危害到声带的病原体了,具有一定的免疫作用。

固有层的细胞分布非常有讲究:浅层一般很疏松,细胞比较少,主要由“细胞外基质”和一些弹力/胶原纤维组成,这样的好处是,声带振动时,有充足的空间让黏膜上皮形成独立的“黏膜波”,这种波形态上就像波浪或者在风中飘扬的红旗那样,在发声中起到非常的作用,很多声带疾病影响发声时,都会影响黏膜波:减弱或者消失,如果哪天你因为各种原因去医院做一个“频闪喉镜”时,就可以在屏幕上看到那飘扬的黏膜波了。声带的肌肉层,也是由很特殊的“I型慢收缩肌纤维”组成,这种肌肉细胞的纤维具有很强的抗疲劳特性,使得声带在发音振动时尽可能的保持频率的稳定,声带肌的收缩,本身也参与了声带的长度与松紧度,以适应不同的音调/音高要求。事实上,正如我们前面提到的,参与发声的肌肉至少有40多种:声带控制需要肌肉参与,共鸣腔比如胸腔调控需要肌肉参与,等等。除了声带上的细胞,支持这些细胞的“辅助”细胞以及参与发声的肌肉以外,唱歌时还有大脑皮质等神经系统的结构参与,因为肌肉是需要由神经来控制的,唱歌需要大脑皮质的参与;这些组织里的不同细胞,全都参与了声音的产生,所以说,唱歌,是细胞的和谐共振之舞,看似简单的发声背后,有着那么多不同种类的细胞在幕后复杂而又配合默契的工作着。

备注:本篇第一部分和第二部分的撰写,部分参考了《嗓音医学》第一版与《耳鼻咽喉头颈外科下》第3版,特此感谢。

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第三部分:宇宙中,也有声音吗?

宇宙是真空的,而声音作为机械波,是需要介质才能进行传播的,因此,宇宙中即便有声音我们也无法直观听见,但是,宇宙中存在着很多电磁波,当我们把“电磁波”转换为机械波之后,又会怎么样呢?

在这方面美国宇航局Nasa就做过很多试验,感兴趣的可以去搜索来听听。 除了电磁波“翻译”而来的“声音“外,引力波的发现与探测,使得人类得以“听到”宇宙的“第一声啼哭”,可以直接感受“时空本身的颤动”:引力波与其他所有种类的波形的最大不同点,就是在它的传播的过程中,几乎可以无衰减的重复下去,以至于从宇宙大爆炸到现在,我们都可以观察到宇宙最初的引力辐射。引力波的物理学描述是:时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,以引力辐射的形式传输能量,通俗的说,有点类似于你扔一块石头到湖水里,泛起的水波涟漪,只是这种涟漪几乎可以无衰减的传播下去。

2017年10月,多个国家宣布探测到了中子星的引力波事件,而这些引力波,可以被“听到”,也可以“看到”。如此说来,是否有可能,宇宙从大爆炸至今的所有故事,都以引力波的形式,就像计算机的编码那样,记录在引力波里,如果有一天人类能破解这种编码,是否可以就像“听书”那样,听着宇宙讲着这些古老的故事?这只是推测,但是就像电磁波蕴藏着很多信息那样,引力波作为一个编码的载体,也不无可能,也许,这就是宇宙的声音吧。

作者简介:医学博士在读,耳鼻喉头颈外科主治医师,原创指弹吉他演奏家,出版《化简成蝶》个人原创专辑,新书《从细胞到宇宙人生》即将完稿,敬请期待。

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