共振峰

共振峰（formant）是用來描述聲學共振現象的一種概念，^[1]在語音科學及語音學中，描述的是人類聲道中的共振情形。常用的量測方法是由頻譜分析或聲譜圖（spectrogram，見圖）中，尋找頻譜中的峰值。但假如說話者，用比較高的基頻發出元音，例如小孩或女性的聲音，則頻譜上看起來比較像是寬帶狀，比較無法看出明顯的峰值。在聲學中，共振峰是用來描述聲源內部的共振，特別是對樂器而言，指的是共鳴箱內的共振。我們也可以討論室內空氣的共振峰頻率，例如 Alvin Lucier 就在他的作品 I Am Sitting in a Room 中使用了這個概念。

美式英語元音[i, u, ɑ]的聲譜圖，圖中顯示了共振峰f₁ 和 f₂

共振峰及語音學

人類說話或唱歌產生的聲音包含許多不同的頻率，共振峰是這些頻率中較有意義的部分。定義上，人類若想分辨幾個不同的元音，我們所需要的資訊是完全可以被量化的。共振峰是使聽者能夠區分元音的關鍵泛音。大部份的這些共振峰是由管內或腔體的共振產生，但是有些哨音是由文丘里效應中的低壓區域週期性回縮產生。頻率最低的共振峰頻率稱為 f₁，第二低的是 f₂，而第三低的是 f₃（基頻一般以 f₀ 標示）。絕大多部分的情形是，前兩個共振峰，f₁ 和 f₂ 就足以劃分不同元音。這兩個共振峰可以描述元音的開/閉、前/後兩個維度（過去傳統上把這和舌頭的位置聯結在一起，不過這並不完全精確）。因此開元音如 [a] 有比較高的第一共振峰頻率f₁，而閉元音如 [i u] 的則比較低；前元音如 [i] 的第二共振峰頻率 f₂ 較高，後元音如 [u] 的則比較低。^[2][3]元音幾乎都有四個以上的共振峰，有時還會超過六個。然而，前兩個共振峰還是最關鍵的。通常我們會用第一共振峰對第二共振峰的 關係圖描述不同元音的性質。^[4] 但這不足以描述某些元音的性質，例如圓唇與否。^[5]圓唇會降低 f₃，該效果對高前元音最明顯。

鼻音通常在 2500 Hz 附近會有額外的共振峰，第二共振峰較弱甚至消失。流音[l] 則通常在 1500 Hz 附近有額外的共振峰，其第二共振峰以上的共振峰都比較弱。而英語的"r"音（[ɹ]）則是用非常低的第三共振峰分辨（低於 2000 Hz）。

塞音（在某種程度上，其他輔音如擦音也是）會對相鄰元音與之相連部分的的共振峰產生影響，元音受影響的部分稱為音征。塞音一發即逝，所以音征對於識別塞音來說十分關鍵。雙唇音例如 [b p] 使這部分共振峰向 700Hz 靠近，主要體現為降低共振峰；軟齶音如 [g k] 使共振峰向 3000Hz 靠近，主要體現為提高共振峰（發音之前f₂ 和 f₃ 幾乎都會互相接近，在軟齶音結束後才再分開，這種現象也被稱為「軟齶夾」）；齒齦音如 [d t] 使共振峰向 1800 Hz 靠近，因此所造成的共振峰變化部份視元音種類而定。各共振峰所指向的共同軌跡，比如上述的 700 Hz、1800 Hz、3000 Hz，稱為「音軌」^[6]。需要注意的是，輔音反過來很大程度上也受臨近元音影響，元音造成的輔音圓唇以及發音部位的前移，會改變輔音的形態進而改變其音軌，如 [tʷ kʲ] 的音軌就不同於 [t k]。上述元音共振峰頻率的變化稱為「共振峰轉變」（formant transition）。

假如聲波的基頻比系統的共振波基頻還高，則共振峰頻率所展現出的大部分特質會流失。最明顯的例子是歌劇中的女高音，她們的音高到很高，以至於元音很難分辨。

控制共振峰是泛音唱法這種歌唱技巧的重要環節，歌手必須唱出一個基頻很低的音，然後產生尖銳的共振並選擇泛音，讓人感覺同時有兩種不同的音調。

聲譜圖可以用來觀察共振峰。

元音平均共振峰^[7]

元音 (IPA)	共振峰 f1	共振峰 f2
i	240 Hz	2400 Hz
y	235 Hz	2100 Hz
e	390 Hz	2300 Hz
ø	370 Hz	1900 Hz
ɛ	610 Hz	1900 Hz
œ	585 Hz	1710 Hz
a	850 Hz	1610 Hz
æ	820 Hz	1530 Hz
ɑ	750 Hz	940 Hz
ɒ	700 Hz	760 Hz
ʌ	600 Hz	1170 Hz
ɔ	500 Hz	700 Hz
ɤ	460 Hz	1310 Hz
o	360 Hz	640 Hz
ɯ	300 Hz	1390 Hz
u	250 Hz	595 Hz

歌手的共振峰

研究歌手的頻譜時，特別是男歌手的，發現在 3000 Hz 附近有清楚的共振峰（在 2800 到 3400 Hz 之間），而在平常說話或是沒受過訓練的歌手的頻譜中則沒有。這個現象就是使歌手從交響樂團中能突顯出來的原因。因為交響樂團的共振峰大約在500Hz附近，比 3000 Hz 要低得多。歌唱訓練會特別發展這個共振峰，例如透過「voce di strega」（女巫的聲音）這個練習^[8]，使聲道的一部份成為共振器（resonator）。^[9][10]

參考資訊

1. Titze, I.R. (1994). Principles of Voice Production, Prentice Hall, ISBN 978-0137178933.
2. Ladefoged, Peter (2006) A Course in Phonetics (Fifth Edition), Boston, MA: Thomson Wadsworth, p. 188. ISBN 1-4130-2079-8
3. Ladefoged, Peter (2001) Vowels and Consonants: An Introduction to the Sounds of Language, Maldern, MA: Blackwell, p. 40. ISBN 0-631-21412-7
4. Deterding, David (1997) 'The Formants of Monophthong Vowels in Standard Southern British English Pronunciation', Journal of the International Phonetic Association, 27, pp. 47-55.
5. Hayward, Katrina (2000) Experimental Phonetics, Harlow, UK: Pearson, p. 149. ISBN 0-582-29137-2
6. 林燾/王理嘉. 语音学教程. 北京大學出版社. 2013年8月: 85–86. ISBN 9787301228289.
7. Catford, J.C. (1988) A Practical Introduction to Phonetics, Oxford University Press, p. 161. ISBN 978-0198242178
8. Frisell, Anthony. Baritone Voice. Boston: Branden Books. 2007: 84. ISBN 0-8283-2181-7.
9. Vocal Ring, or The Singer's Formant. The National Center for Voice and Speech. [2008-04-07]. （原始內容存檔於2020-11-08）.
10. Sundberg, Johan. The science of the singing voice. DeKalb, Ill: Northern Illinois University Press. 1987. ISBN 0-87580-542-6.

參見

• 線性預測編碼
• 人聲

外部連結

• What are formants?^{[永久失效連結]}
• Formants for fun and profit
• Formants and wah-wah pedals （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• What is a formant? （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 討論「formant」的三種不同意義
• Formant tuning by soprano singers （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 源自 University of New South Wales
• The acoustics of harmonic or overtone singing （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 源自 the University of New South Wales
• Materials for measuring and plotting vowel formants （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）