2. 中国政法大学 证据科学教育部重点实验室, 北京 100088 ;
3. 北京大学 中国语言文学系, 北京 100871
2. Key Laboratory of Evidence Science of Ministry of Education, China University of Political Science and Law, Beijing 100088, China ;
3. Department of Chinese Language and Literature, Peking University, Beijing 100871, China
一般人们会认为人类声道的生理结构(尤其是声道长度)与身体大小(如身高、 体重等)之间存在一定的相关性。 然而迄今为止，这种假设并没有得到准确的验证。 文[1]使用磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术，测量了2~25岁之间的129位被试(男性76位，女性53位)的声道长度，发现声道长度与身高之间存在高度正相关(r=0.926,p＜＜0.000 1)。 该结果很好地揭示了人类的声道长度与身高在生长发育直至成熟的过程中存在的相关性，然而并未说明人类成年后的声道长度与身高之间的相关性问题。 在不区分年龄和性别时，研究表明部分动物的声道长度与身体长度也存在类似的正相关关系，如恒河猴(r=0.950，p＜0.000 1，N=20)[2]和普通家犬(r=0.95,p＜0.001,N=25)[3]。 在控制年龄和性别(雌雄)因素时，文[4]发现部分成年雄性和雌性动物各自的声道长度与身体(骨骼)长度之间仍然存在中度正相关，如葡萄牙水狗和俄罗斯银狐(0.42≤r≤0.71，p＜0.001)。 同性别成年人类是否存在类似的关系，目前的研究很少，仅发现文[5]使用MRI对15位24~55岁的成年男性进行了研究，结果未发现声道长度与身高之间存在显著相关性(r=0.08)，由于该文被试数量较少，其结果不具普遍意义。 鉴于相关研究很少，目前对于同性别成年人的声道和身高之间相关性有无或强弱的问题，还没有直接、 准确的答案。
相比之下，针对人类声道形态的生长发育和性别差异的研究则更为深入： 从出生到青春期之前的儿童阶段，声道各部分长度并没有显著的性别差异[1, 6-7]； 12岁左右时，咽腔长度和声道长度会表现出显著的性别差异[7]； 青春期内，男性声道会出现喉部降低现象，降喉会导致咽腔变大、 声道长度增加，女性则未出现这种变化[1]； 成年后，男性的声道长度/体积等参数都比女性的更长/大[8]，但是男女声道的大小/结构并不成比例，这种差异大部分是由于男性的咽腔更长所导致的，同时男性喉腔的尺寸也比女性的更大[9]。 据此推测成年人的声道与身高之间的关系也很可能存在性别差异。 部分研究发现成年女性的身高与元音共振峰之间的相关程度比成年男性的更强[10-11]，或者只有成年男性的身高与元音共振峰之间的相关性达到显著水平[12]，由于声道长度与元音共振峰之间存在负相关[13]，这些结果一定程度上也支持成年人的声道长度与身高之间的相关性存在性别差异的假设。
目前，测量声道的常用技术有X光照相、 MRI、 计算机断层扫描(computed tomography，CT)和声反射技术(acoustic reflection technology，ART)等。 由于X光照相存在较大的辐射危害性，MRI和CT存在扫描时间长、 费用高和分析费时等局限，短时间内都不利于大规模收集数据。 相比之下，ART具有测量快速准确、 价格便宜、 非侵入性、 数据处理方便等优点，比较适合大范围采集数据[8]。 在测量声道方面，咽声反射仪是最常用的声反射仪器，诸多研究证明该仪器可以对成年人的声道参数进行有效测量，并成功应用于语音学研究[14-19]。
本文使用ART对中国汉族成年男性和女性的声道进行测量，探讨成年人的声道参数与身高之间的相关性及其性别差异。
1 实验方法 1.1 被试年龄在19~30岁之间的成年被试214人，其中男性109人(平均24.4岁，标准差2.4岁)，女性105人(平均24.1岁，标准差2.5岁)。 多数被试为在校大学生/研究生，其他还包括大学教师、 医生、 司法鉴定人和公务员等。 所有被试均为汉族，能说比较标准的普通话，测试时身体健康，无嗓音疾病、 感冒等症状，无咽喉部手术史。
1.2 身体测量参照通用的人体测量方法[20]测量被试的身高。 具体方法是将钢卷尺(精度1 mm)竖直贴于房间墙上，让被试站直，头部固定于眼耳平面时，测量其脱鞋后的净身高。
1.3 声反射技术测量声道 1.3.1 数据采集分别在大连医科大学附属第二医院耳鼻喉科一安静的会议室内和北京大学中文系语言学录音室(控制室)内，使用Hood公司的Eccovision咽声反射仪采集被试的声道数据，具体程序如下：
1) 让被试坐在一张后背直立的椅子上，坐直，头部维持正常位置，正常呼吸，静坐5 min以上。
2) 向被试讲述测试全过程，使被试了解和熟悉声波发射管发出的“哒哒”声、 测试时呼吸的技巧以及口含器的使用方法，必要时给被试做示范。
3) 主试手持声波发射管使之与地面保持平行。
4) 测量过程中，要求被试在保持头部直立的情况下，盯住对面墙上高低位置可调的“+”号(帮助被试集中注意并保持静止)，左手捏住鼻子，想象着发一个自然状态下“/a/”(啊)的声音，但不真正发音，保持这个动作，用嘴缓慢呼吸。
5) 每个被试至少测量4次，每次测量之间视情况可以稍作休息，由主试比较多次测量值的稳定性，当4次测量数据重复性较好时，停止测量并保存数据，否则要增加测量次数，直至数据有效为止。
6) 遇到测试数据重复性不好，或对口含器过敏的被试时停止测试，最终将此被试剔除。
1.3.2 数据分析图 1是咽声反射仪采集到的2位男性被试声道部分的声反射曲线图。 横轴从门牙相对应的零点开始计算，表示声道各部分到门牙的距离，纵轴表示声道各断面的几何面积。 根据曲线中门牙右侧首次出现的凹陷点(截面积最小处)的位置确定为口腔和咽腔的分界点。 第2个凹陷点的位置即为声门所在的位置(少数情况可能是第3个凹陷点，此时需要根据经验判断，如成年人的声道长度一般不低于13 cm)。 由此，将口腔、 咽腔和声道的长度分别定义为门牙到口咽分界点、 口咽分界点到声门和门牙到声门的距离，如图中M1的口腔长度和M2的声道长度分别为8.88和17.02 cm。 口腔、 咽腔和声道的体积分别由声道对应部位的长度与截面积的积分得到。 最后取4次(或以上)测量的均值进行计算。 本文共测量和计算了8项声道参数： 口腔长度/体积、 咽腔长度/体积、 声道长度/体积、 口咽腔的长度比/体积比。
|
| 图 1 2位男性被试声道部分的咽声反射曲线 |
咽声反射仪测量声道也有一些局限性，如受口含器的限制，只适合测量开口度较大的元音(如/a-æ/等)的声道； 测量时被试“模仿的”元音与其自然发出的元音之间存在一定的差异； 将声道定义为从门牙到声门的部分，未包含嘴唇部分； 测量结果并不能反映声道各个软组织的具体形状和细节。
2 实验结果 2.1 描述性统计男女被试的身高和声道参数的统计结果分别见表 1和2。 从均值数据上看，男性身高为174.0 cm，比女性身高161.0 cm高13.0 cm； 在极差范围上，男女身高均大于或等于35.0 cm。 就声道参数而言，从均值数据上看，男性声道各部分在长度和体积维度上均比女性的更长、 更大，其中男性的声道长度平均为17.82 cm，比女性声道长度的均值16.68 cm长约1 cm，男性口腔和咽腔的长度比和体积比都比女性的小。
| 参数 | 均值 | 标准差 | 最小值 | 最大值 |
| 身高/cm | 174.0 | 7.7 | 155.0 | 193.5 |
| 口腔长度/cm | 9.06 | 0.76 | 7.59 | 11.45 |
| 咽腔长度/cm | 8.76 | 0.73 | 6.43 | 11.57 |
| 声道长度/cm | 17.82 | 0.95 | 15.74 | 20.45 |
| 口腔体积/cm3 | 55.75 | 9.21 | 40.11 | 83.53 |
| 咽腔体积/cm3 | 37.52 | 8.52 | 20.27 | 56.98 |
| 声道体积/cm3 | 93.27 | 13.14 | 62.39 | 133.15 |
| 口咽长度比 | 1.04 | 0.14 | 0.77 | 1.65 |
| 口咽体积比 | 1.57 | 0.45 | 0.89 | 2.90 |
| 参数 | 均值 | 标准差 | 最小值 | 最大值 |
| 身高/cm | 161.0 | 7.1 | 146.0 | 181.0 |
| 口腔长度/cm | 8.67 | 0.64 | 6.73 | 10.59 |
| 咽腔长度/cm | 8.01 | 0.84 | 6.00 | 9.43 |
| 声道长度/cm | 16.68 | 0.59 | 14.88 | 17.88 |
| 口腔体积/cm3 | 48.42 | 8.05 | 24.66 | 70.21 |
| 咽腔体积/cm3 | 29.52 | 8.13 | 10.97 | 48.12 |
| 声道体积/cm3 | 77.95 | 11.51 | 48.59 | 104.96 |
| 口咽长度比 | 1.10 | 0.20 | 0.78 | 1.65 |
| 口咽体积比 | 1.79 | 0.67 | 0.92 | 4.58 |
对身高和声道参数进行单样本Kolmogorov-Smirnov正态检验发现，男女被试的身高均未显著偏离正态分布(p≥0.263)，其分布直方图见图 2。 可以看出，男女被试的身高均基本呈正态分布。
|
| 图 2 男女被试的身高分布直方图 |
就声道参数而言，所有长度参数均显著偏离正态分布(所有p≤0.007)，但所有体积参数均未显著偏离正态分布(0.933≥p≥0.083)。 图 3为男女被试声道长度的分布直方图(分箱数0.2 cm)，可以看出，尽管男女声道长度的分布近似正态分布，但是数据均比较离散，这可能与咽声反射仪在长度上的测量精度不高(0.43 cm)有关，该误差可能大于部分被试声道长度参数之间的差异(即如果不同被试的声道长度差异小于0.43 cm，此时由咽声反射仪测量的数据可能是一样的)，使得声道长度的测量数据类似于“分类变量”，而非“连续变量”。 以性别为分组变量，对身高和声道参数进行独立样本t检验，结果显示身高(p＜0.001)和所有声道参数(p＜0.01)均存在显著的性别差异。
|
| 图 3 男女被试的声道长度分布直方图 |
2.2 声道参数与身高之间的相关性
由于声道的长度参数显著偏离正态分布，且身高及声道参数中可能存在离群值等情况，本文使用Spearman相关分析方法计算了声道参数与身高之间的相关程度。
表 3显示了男女被试各自及数据混合后声道参数与身高之间的Spearman相关系数(下文用rs表示)。 可以看出，男性被试的身高与口腔长度、 口腔体积、 口咽长度比、 口咽体积比之间均未见显著相关性(p＜0.05)，但身高与咽腔长度、 咽腔体积、 声道长度、 声道体积之间均存在较弱的正相关(0.269≤rs ≤0.329)，其中身高与声道长度的相关程度最强(rs=0.329，p＜0.001)。 女性与男性类似，但存在部分差异，如女性身高与口腔长度、 口咽长度比、 口咽体积比之间均未见显著相关性 (p＜0.05)，但与口腔体积之间呈现出很弱的正相关(rs=0.203，p＜0.05)； 女性身高与咽腔长度、 咽腔体积、 声道长度、 声道体积之间均存在显著正相关，整体而言，相关程度比男性的更高，其中女性身高与声道长度的相关程度达到中度水平(rs=0.486，p＜0.001)，其他情况均为低度水平(rs≤0.334)。 当不区分性别，将全部被试的数据合并在一起分析时，8个声道参数与身高之间均呈现出显著相关性。 其中身高与口咽长度比、 口咽体积比之间为负相关，但强度很弱； 其他情况均为正相关，与身高相关性最强的是声道长度(rs=0.662，p＜0.001)，其次是声道体积(rs=0.547，p＜0.001)，再次是咽腔长度和咽腔体积，相关程度均在中度水平。
| 口腔长度 | 咽腔长度 | 声道长度 | 口腔体积 | 咽腔体积 | 声道体积 | 口咽长度比 | 口咽体积比 | |
| 男性身高 | 0.297** | 0.329*** | 0.269** | 0.272** | ||||
| 女性身高 | 0.218* | 0.486*** | 0.203* | 0.277** | 0.334*** | |||
| 男女混合身高 | 0.230** | 0.467*** | 0.662*** | 0.377*** | 0.457*** | 0.547*** | -0.194** | -0.174* |
| 注：显著性水平(双尾): *p＜0.05； **p＜0.01； ***p＜0.001。 | ||||||||
为了更清楚地比较男女被试的身高与声道参数相关性的差异，图 4和5分别给出了男女被试的身高与声道长度的散点分布图。 图中直线、 点虚线和短线虚线分别表示线性、 二次和三次回归线。 可以看出，男女被试的身高与声道长度之间均存在比较明显的正相关关系，随着身高的增加，男女被试的声道长度均有随之增加的趋势，而且这种变化很可能是非线性的。
|
| 图 4 男性被试身高与声道长度散点图 |
|
| 图 5 女性被试身高与声道长度散点图 |
3 讨 论
本文使用咽声反射仪测量并计算了成年被试声道长度和体积的8维数据，结果与文[8]中汉族被试的声道数据具有一定的一致性，如文[8]测得男女声道长度的均值分别为17.16和14.98 cm，声道体积均值分别为71.46和58.14 cm3，此数据均比本文的结果稍低，可能是由于本文包含了较多身高较高的被试，而文[8]中对被试的身高进行了控制所致，部分差异还可能是由于测量时被试的声道形状不同造成的，本文是让被试保持发/a/的动作，而文[8]则是发/æ/的动作。
本文发现口腔、 咽腔和声道的长度均存在显著的性别差异，男性比女性的更长，这与文[1]的结果一致； 男性的口腔、 咽腔和声道体积均比女性的更大，该发现支持文[8]的结果； 在口咽腔的长度比例上，男女被试间也存在显著差异，与男性相比，女性的稍高，且变化较大，这与文[1]对青春后期男女被试的研究结果一致； 男女被试口咽长度比的均值都约为1，这与文[6]发现6~8岁以后，人类的口腔长度与咽腔高度的比值会保持在1.0左右的结果具有较好的一致性。
在声道参数与身高的相关性方面，男女被试表现出较大的差异性。 本文发现男性声道长度与身高之间存在低度正相关，这与文[5]的研究结果(r=0.08)不一致，然而由于本文的被试数量更多(109>15)，因此说服力也更强。 由于未见有前人对成年男性声道体积与身高关系的研究，亦未见有关于成年女性声道参数与身高关系的研究，因此暂无法对本文结果进行比较分析。 与文[4]发现成年水狗和成年银狐的声道长度均与身体长度存在中度正相关的研究结果相比，本文结果(相关程度)相对更弱。 人类与其他哺乳动物的进化存在明显的不同，在声道结构方面，哺乳动物的声道相对简单，而人类声道则更为复杂，据此人类能够掌握复杂的语言，而哺乳动物一般并不具备掌握复杂语言的能力； 在身高等体形方面，体形大的哺乳动物个体在生存竞争(同性竞争和吸引异性)中依旧存在明显优势，而在现代社会中，人类的生存主要依靠脑力劳动(以及其他社会因素，如社会地位和经济条件等)，身高等体形优势降至次要地位。 由于人类和哺乳动物的声道与身高进化的动因不完全相同，因此在声道与身高的关系上，人类和其它哺乳动物很可能会存在一定的差异，当然这需要进一步的研究加以验证。
本文发现男性声道与身高之间存在低度正相关，普遍低于女性声道与身高的相关性，其中女性声道长度与身高之间达到了中度正相关水平。 产生这种性别差异的原因同时来自2个方面： 一方面是身高存在性别差异； 另一方面是声道的结构和大小也存在性别差异。 就后者而言，青春期男女声道的不同生长模式直接导致了成年后男女声道结构上的差异。 其中最为关键的影响因素是男性的喉部会在青春后期发生显著降低，而女性则不会出现[1]。 喉部降低会导致咽腔增大，咽腔增大不仅体现在长度变长上，同时还表现为体积变大，从而使得声道变长、 变粗。 由于相关研究较少，目前尚不清楚青春期男性的咽腔长度和体积的变化在哪个方面更为显著，但是咽腔在这2个维度上的变化都会使共振峰降低。 从喉部降低的“体形夸大”假说[21]来看，与部分动物类似，人类男性会通过降低喉部，延长声道，从而实现降低共振峰频率的目的，使自己的身体听起来更大一些，同时达到吸引异性和对抗同性的目的[22-23]。 这种进化的动力使得与女性相比，成年男性的声道会表现出更强的多样性，不同个体的变化程度也会有较大差异。 很可能的情况是： 尽管青春期男性的身高等身体参数会出现生长突增，但是其声道(尤其是咽腔)的增长幅度相对更为显著，同时个体差异性会更大； 由于青春期女性并未出现喉部降低的现象，其声道长度的生长模式很可能与身高等身体参数的增长模式大致相当，使得成年女性该2类参数之间的关系强于成年男性，上述猜测还需要更进一步的研究加以验证。 当不区分性别对全部被试进行分析时，由于所有参数的范围都显著增加了，所以本文结果发现所有的声道参数均与身高呈现出显著相关性并不难理解。
鉴于同性别成年人的声道参数与身高之间多表现为低度正相关，且存在性别差异，因此有理由推测同性别成年人的元音(至少是元音/a/)共振峰与身高之间也存在一定的相关性，而且女性会高于男性，但是无论男性还是女性，相关程度可能都不高。
4 结 论本文测量了109位成年男性和105位成年女性的声道参数和身高参数，发现成年人的声道和身高之间的关系存在一定的性别差异： 男女被试的咽腔长度、 咽腔体积、 声道长度、 声道体积等参数均与身高存在显著正相关，但是整体来讲，女性声道参数与身高的相关程度高于男性，只有女性的声道长度参数与身高的相关程度达到中度水平，其他显著相关组合均为低度(较弱)水平，这种差异很可能是由青春期男女声道的不同生长模式造成的。 由于声道形态与元音共振峰之间存在密切关系，所以本文结果支持元音共振峰可以预测成年说话人身高的假设，并对声纹鉴定领域中通过语音判断未知说话人的身高提供了一定的理论支持。 下一步将研究声道参数与其他身体参数之间的相关性。
| [1] | Fitch W T, Giedd J. Morphology and development of the human vocal tract:A study using magnetic resonance imaging[J]. J Acoust Soc Am , 1999, 106 (3) : 1511–1522. DOI:10.1121/1.427148 |
| [2] | Fitch W T. Vocal tract length and formant frequency dispersion correlate with body size in rhesus macaques[J]. J Acoust Soc Am , 1997, 102 (2) : 1213–1222. DOI:10.1121/1.421048 |
| [3] | Riede T, Fitch W T. Vocal tract length and acoustics of vocalization in the domestic dog (Canis familiaris)[J]. J Exp Biol , 1999, 202 : 2859–2867. |
| [4] | Plotsky K, Rendall D, Riede T, et al. Radiographic analysis of vocal tract length and its relation to overall body size in two canid species[J]. J Zool , 2013, 291 (1) : 76–86. DOI:10.1111/jzo.2013.291.issue-1 |
| [5] | Hatano H, Kitamura T, Takemoto H, et al. Correlation between vocal tract length, body height, formant frequencies, and pitch frequency for the five Japanese vowels uttered by fifteen male speakers[C]//Proc 13th Annual Conf ISCA (INTERSPEECH). Portland, OR, USA, 2012:402-405. |
| [6] | Lieberman D, McCarthy R, Hiiemae K, et al. Ontogeny of postnatal hyoid and larynx descent in humans[J]. Arch Oral Biol , 2001, 46 (2) : 117–128. DOI:10.1016/S0003-9969(00)00108-4 |
| [7] | Vorperian H K, Wang S, Chung M K, et al. Anatomic development of the oral and pharyngeal portions of the vocal tract:An imaging study[J]. J Acoust Soc Am , 2009, 125 (3) : 1666–1678. DOI:10.1121/1.3075589 |
| [8] | Xue S A, Hao J G. Normative standards for vocal tract dimensions by race as measured by acoustic pharyngometry[J]. J Voice , 2006, 20 (3) : 391–400. DOI:10.1016/j.jvoice.2005.05.001 |
| [9] | Fant G. A note on vocal tract size factors and non-uniform F-pattern scalings[J]. Speech Transm Lab Q Prog Status Rep , 1966, 1 : 22–30. |
| [10] | Greisbach R. Estimation of speaker height from formant frequencies[J]. Forensic Linguistics , 1999, 6 (2) : 265–277. |
| [11] | Gonzalez J. Formant frequencies and body size of speaker:A weak relationship in adult humans[J]. J Phonetics , 2004, 32 (2) : 277–287. DOI:10.1016/S0095-4470(03)00049-4 |
| [12] | Rendall D, Kollias S, Ney C, et al. Pitch (f0) and formant profiles of human vowels and vowel-like baboon grunts:The role of vocalizer body size and voice-acoustic allometry[J]. J Acoust Soc Am , 2005, 117 (2) : 944–955. DOI:10.1121/1.1848011 |
| [13] | Fant G. Acoustic Theory of Speech Production with Calculations Based on X-ray Studies of Russian Articulations[M]. 2nd Ed. Hague & Paris: Mouton, 1970 . |
| [14] | Xue S A, Hao J G. Changes in the human vocal tract due to aging and the acoustic correlates of speech production:A pilot study[J]. J Speech Lang Hear Res , 2003, 46 (3) : 689–701. DOI:10.1044/1092-4388(2003/054) |
| [15] | Xue S A. Age-related changes in human vocal tract configurations and the effects on speakers' vowel formant frequencies:A pilot study[J]. Logoped Phoniatr Vocol , 1999, 24 (3) : 132–137. DOI:10.1080/140154399435084 |
| [16] | Xue S A, Hao J G, Mayo R. Volumetric measurements of vocal tracts for male speakers from different races[J]. Clin Linguist Phon , 2006, 20 (9) : 691–702. DOI:10.1080/02699200500297716 |
| [17] | Henigan-Douglas E, Kassulke K J, Durtschi R B, et al. Vocal tract measurements using imaging and acoustic pharyngometry:A comparative pilot study[C]//Proc Annual ASHA Convention. Chicago, IL, USA, 2008. |
| [18] | Vorperian H K, Theis S, Henigan-Douglas E, et al. VTLab Acoustic Pharyngometry® (APh) Protocol[Z/OL].[2014-06-29]. http://www.waisman.wisc.edu/vocal/APh-Protocol-Part%20I%20%26%20II-Running%20Participants-Copyright-v11-FINAL2.pdf. |
| [19] | Yan N, Ng M L, Man M K, et al. Vocal tract dimensional characteristics of professional male and female singers with different types of singing voices[J]. Int J Speech Lang Pathol , 2013, 15 (5) : 484–491. DOI:10.3109/17549507.2012.744429 |
| [20] | 席焕久, 陈昭. 人体测量方法[M]. 北京: 科学出版社, 2010 . XI Huanjiu, CHEN Zhao. Anthropometric Methods[M]. Beijing: Science Press, 2010 . (in Chinese) |
| [21] | Fitch W T. The evolution of speech:A comparative review[J]. Trends Cogn Sci , 2000, 4 (7) : 258–266. DOI:10.1016/S1364-6613(00)01494-7 |
| [22] | Collins S A. Men's voices and women's choices[J]. Anim Behav , 2000, 60 (6) : 773–780. DOI:10.1006/anbe.2000.1523 |
| [23] | Puts D, Doll L, Hill A. Sexual Selection on Human Voices[M]//Weekes-Shackelford V A, Shackelford T K. Evolutionary Perspectives on Human Sexual Psychology and Behavior. New York:Springer, 2014:69-86. |