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

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.

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

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。

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.1Flow 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。

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。

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.2Changes of vowel duration of utterances under the simulated weightlessness condition(±s)

图3卧床模拟失重条件下平均能量的变化

Fig.3Changes 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.4Changes of vowel fundamental frequencies under the simulated weightlessness condition(±s)

*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

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