何林静^*，张莉丽，周长伟，李坤，张晓俊^#，陶智^#

苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州

收稿日期：2019年9月6日；录用日期：2019年9月20日；发布日期：2019年9月27日

为了探究男女发声时声带结构差异对声带两侧受力及流场的影响，运用声带振动机制和空气动力学理论，建立声带的空气动力学仿真模型，并对模型设置2种典型的声门倾角(0˚、20˚)，将男女发声时的空气动力学参量进行对比研究。实验结果表明，在声带受力方面，女性声带表面压力值通常比男性高，但其压力极低值低于男性；在声门流场变化方面，女性声门内表现出的气流量值均低于男性，在相同的发声条件情况下，男性声带相较于女性更容易产生振动。可知，男女发声存在着明显差异，这对嗓音疾病的分性别诊疗提供可靠理论依据。

关键词 :男女发声差异，空气动力学，声带表面压力，声门流场

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语音是通过三个发声子系统互相复杂作用产生，由肺部发出的气流是发声的动力，这股气流会通过支气管和气管传达到喉部，然后从喉部向上经过口腔或鼻腔后，从嘴或者鼻孔向外辐射形成语音。其中喉部包含着声带这一重要的发声器官，语音的产生即是源于声带的振动。由于男女性声带存在着长短、厚薄、组织形态和黏弹性等方面的差异 [ 1 ] ，因此对男女发声空气动力学进行差异性研究，不仅客观而全面地阐述人类发声机制，而且相对于传统人类发声研究，通过分析空气动力学参数的变化能够将男女声带病变表现出来，因此更具临床意义。

由于在活体组织中无法直接获取声门及声门附近流体速度和压力的生理值，建立声门气流分布模型和声带振动模型得到声带参数的仿真值 [ 2 ] 。在1972年，Ishizaka和Flanagan首次提出声带振动的二质量块模型 [ 3 ] ，后经Steineck和Herzel进行优化 [ 4 ] ，使该模型能很好的捕捉声带振动特征。但二质量块模型忽略了气流的粘性作用，很难用于描述声带运动时的非线性现象，并且二质量块模型也无法获得声门内和声门附近的重要参数值。Cranen和Boves通过米勒管，以实验的形式测量人类声带压力 [ 5 ] ，但由于声带所处的运动状态不同，导致数据并不准确 [ 6 ] 。后来发现声带的物理模型可以根据声门 [ 7 ] 和声带的精确尺寸制成，通过严格地控制声带参数和声带运动，得到声门附近实际的气流参数。利用模型得到声带参数差异对临床质量有着重大研究意义，TANG Jun-nong [ 8 ] 研究了儿童、妇女和成年男性嗓音源特性的差异。于萍等采用Dr. Speech for Windows嗓音评估软件对临床病例和正常成人进行的嗓音对比研究中发现嗓音客观检测参数存在性别上的差异 [ 9 ] 。Li ning从男女发声客观参数方面研究，采用SPSS13.0统计分析软件对测量结果进行t检验，结果得出，女性深呼吸后单韵母的发音持续时间低于男性，女性发音的共振峰频率高于男性 [ 10 ] 。

以上研究主要集中于分析实验得出声带参数差异，并没有从群体本身发声动力学差异进行研究。本文在以上研究的基础上，利用空气动力学研究方法和理论建立的男女性发声过程中声带的空气动力学仿真模型，来研究男女性声带的发声机理，并分析声带的振动特性及效能。结果表明，男女性发声客观参数应用于临床治疗存在明显差异，男性声带表面所受压力比女性低，但在声门处女性所产生的压力极值低于男性，并且所产生的声门气流小于男性。

人类发声需要通过三个子系统互相复杂的作用 [ 11 ] ，呼吸系统作为动力器官，声带作为振动器官，声道作为共鸣器官，发声系统结构图如图1所示。其中声带是人体发声系统的核心器官和生理基础，位于喉的中部，且左右对称。声带通过振动将由动力器官产生的气流转化为声能，因此声带在很大程度上决定了人类嗓音的基本特征 [ 12 ] 。声带本身的组织结构特性和喉腔内部空气压力的分布情况共同决定了声带组织振动的动力学特征。

图1. 发声系统结构图

成年男女喉部的解剖结构具有显著差异。甲状软骨是喉部最大的软骨块，它由颈前左右对称的两部分四边形甲状软骨以一定的角度联合而成。研究发现男性联合角度偏小，上端向前突出，女性的联合角度偏大，近似钝角。女性甲状软骨前角为63˚~104˚，平均为81˚；男性甲状软骨前角为59˚~96˚，平均为73˚，且该角度越大声带越短。此外，甲状软骨水平径线男性平均41.5 mm，女性平均32.2 mm；垂直径线男性平均31.2 mm，女性平均22.4 mm，女性尺寸均较之男性要短，男女声带黏膜的尺寸大小同样存在差异。

本文根据典型的声带尺寸比例对声带进行建模，建立的男女发声空气动力学模型如图2所示。

图2. 声带的空气动力学模型图

按照男女性典型声带尺寸比例，将男女性甲状软骨尺寸比例定为1.2:1，将男女性声带黏膜尺度定为1.6:1，同时根据男女性声带厚度的典型尺寸，将男性声带长度设定为0.370 cm，女性声带长度设定为0.308 cm。在此基础上，构建声门倾角分别为0˚和20˚典型的发声空气动力学模型。图3为男女声带结构细节尺寸图。

根据空气动力学理论，对于人类声带而言，声门内的气流可以看作是不可压缩的粘性介质，因此声

图3. (a) 男性声带结构细节尺寸图；(b) 女性声带结构细节尺寸图

道内流场的气流必须遵循动量守恒方程，即纳维–斯托克斯方程 [ 15 ] 。

{ ρ ( ∂ u ∂ t + u ∂ u ∂ x + v ∂ u ∂ y + w ∂ u ∂ z ) = ρ F x − ∂ p ∂ x + μ ( ∂ 2 u ∂ x 2 + ∂ 2 u ∂ y 2 + ∂ 2 u ∂ z 2 ) ρ ( ∂ v ∂ t + u ∂ v ∂ x + v ∂ v ∂ y + w ∂ v ∂ z ) = ρ F y − ∂ p ∂ y + μ ( ∂ 2 v ∂ x 2 + ∂ 2 v ∂ y 2 + ∂ 2 v ∂ z 2 ) ρ ( ∂ w ∂ t + u ∂ w ∂ x + v ∂ w ∂ y + w ∂ w ∂ z ) = ρ F z − ∂ p ∂ z + μ ( ∂ 2 w ∂ x 2 + ∂ 2 w ∂ y 2 + ∂ 2 w ∂ z 2 ) (3)

对二维对称喉物理模型内流场的Navier-Stokes方程进行求解计算中采用稳态、不可压缩的k-ωSST气流场，从而得到喉腔内气流场分布的详细而完整的结果。

采用直接迭代法对该有限元方程求解，并对每次求解进行校正，直到标准误差比收敛标准 ε 小时，则总方程的迭代完成。收敛准则如公式(4)所示。其中迭代次数用n表示，求解向量用U表示，被预先设定的数为收敛标准 ε ，且这个设定的数应该足够小来确保实验的准确度。其中， ε 可以取为0.0001。

‖ U n − U n − 1 ‖ ‖ U n ‖ ≤ ε (4)

公式(4)中，U为求解向量，n为方程的迭代级数，收敛标准 ε 是一个预先设定的数值。

本文主要研究了男女发声时的空气动力学差异。实验中首先通过男女声带的异同建立各自的声带动力学仿真模型，并设置了0˚和20˚的声门倾角，进行数值计算模拟出声带两侧压力和声门内流场的变化情况。实验结果表明：作用于男性声带表面的压力值通常低于女性，但在声门处女性会产生压力极低值，因此男性的声带比女性声带更易产生振动。从男女声带内速度流图中可看出，在相同的发声情况下，随着声门倾角的增大会导致声门气流的增大，并且男性声带产生的声门气流大于女性。因此，在男女发声空气动力学参量差异比较中能够揭露出男女发声的动力学存在明显差异，更加深层次的揭露出嗓音疾病分性别研究的重要性。

国家自然科学基金(61271359)。

何林静,张莉丽,周长伟,李 坤,张晓俊,陶 智. 男女发声的空气动力学差异研究Vocal Aerodynamics Modeling Based on Male and Female Difference[J]. 声学与振动, 2019, 07(03): 111-119. https://doi.org/10.12677/OJAV.2019.73012