语音的故事（五十三）| 焦磊：控制横膈膜的神经索和伯努利效应（连载）

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      如果用管乐器来打个比方的话，那么声带产生振动的原理，跟我们吹唢呐的道理是一样的。吹唢呐的时候，要在口中含一个哨子，然后吹气，让气流从哨子中通过，使其振动发声。通过唢呐哨子的气流，是从我们的口中呼出的。而通过我们喉头，吹响我们的声带的气流，自然是来源于我们的呼吸器官——肺。

       如果我们看见过甚至亲手触摸过动物的肺，一定会觉得肺特别像一块海绵。摸上去感觉很疏松，充满弹性，如果用手一捏，又可以把肺部组织捏成一小团。原来，看起来很饱满的肺里面藏着的，其实都是空气。肺的这个特性使得它成为了我们的从外界获取空气的渠道。平时，我们就是通过肺与外部进行气体交换，先是舒展肺部组织，吸入空气，然后再压缩肺部组织，让新陈代谢所产生的二氧化碳被呼出。这个过程不断被循环，而人体正是依靠这个过程不断从外界获取氧气来维持自己的生命。人的呼吸过程是由我们胸腔内的各块肌肉，还有我们的腹肌以及横膈膜控制的，其中起主要作用的则是横膈膜。横膈膜位于肺的下方，是一块膜状的肌肉，把我们的胸腔和腹腔分离开来。横膈膜收缩时胸腔扩大，松弛时胸腔缩小。这样一伸一缩，一紧一松，就构成了我们有节律的呼吸。通常，肺里面大约能容纳三升空气，每次正常呼吸能吸入或呼出半升空气。我们呼气的时候，肺气压略高于大气压，大约比一个大气压高0.25%；而在说话的时候，它比大气压高0.05%或稍多，一般不会超过1%。

       通过横膈膜松弛，挤压胸腔，肺部的气体被排出，顺着气管向上，到达喉。喉在肺和口腔之间，其作用相当于一个阀门。阀门或开或关，以此来控制肺部气流。喉门还有另一个功能，那就是堵住进入肺里面的空气，扩张胸腔。那些利用前肢的动物——特别是善于攀爬的哺乳动物——都有非常发达的喉。因为发达的喉能够更有效地将空气闭锁在胸腔里面，从而给它们提供有力的支持，使前肢能产生更大的气力。所以，当我们用手臂干重活或作剧烈运动时，就常常不自觉地屏住气。例如我们看举重比赛，当运动员准备举起手中的杠铃时，通常都会先大喝一声，然后憋着气一下将杠铃举起来。但是，举重运动员不会在杠铃被举起的过程中大喝一声。不然，说话时喉门打开，就会大大减小其抬升重物的力量。

       肺部的稳定气流被喉门一开一合，切成一连串的喷流，就会发出一种嗡嗡声，听起来像蜂鸣一样，这种嗡嗡声再经过口腔中发音器官的调节，就成了我们说话的声音。在喉门部位用于切断肺气流的器官就是上面所说的声带。但是我们知道，声带在人发声的时候是处于振动状态的，也就是不断的来回运动。然而，声带只是一层很薄的韧带组织，里面没有肌肉，并不能受到神经的控制，主动发生运动。而肺部喷出的气流则是单向的，只能使得声带受到气流冲击向外运动，不能使声带向内回复到原来位置。那么，到底声带是如何在肺部气流的推动下作被动振动的呢。要想知道这里面的原理，我们先得从一个著名的家族说起。

       在十七世纪的欧洲，有一个家族在数学界的声名可谓是如雷贯耳，这个家族就是瑞士的伯努利家族。虽说每一个家族都有自己引以为傲的历史与自身特色，但伯努利家族显然更为光彩耀眼。这个家族仿佛就是上天派来研究数学的一样。在伯努利家族最初的3代人中，产生了8位数学家，而其中能够在数学史上被称为是顶尖数学家的，至少有3位；而更有趣的是，这8位数学家最初所选择的职业都不是数学，而他们的家人也并未希望他们从事数学这项事业。例如著名的雅可比·伯努利一世（Jacob I），最初他父亲希望他从事神学或是天文学的研究，而他的弟弟约翰尼斯一世（Johannes I）则是一位医学博士。后来的约翰尼斯二世（Johannes II）在大学里学的是法律，并成为了巴塞尔大学的一名辩论术教授。他的儿子约翰尼斯三世（Johannes III）和雅可比二世（Jacob II）最初也和自己的父亲一样，选择了法律作为专业。在人类科学发展的历史长河中，有十几位堪称最优秀的数学家与物理学家都拥有这个骄人的姓氏。但伯努利家族的天才并非仅仅只体现在数学方面，在他们一代又一代的众多子孙中，至少有一半相继成为杰出人物。伯努利家族的后裔有不少于 120位被人们系统地追溯过，他们在数学、科学、技术、工程乃至法律、管理、文学、艺术等方面享有名望。

      这里我们要介绍的是伯努利家族中最著名的一位数学家，也是历史上最具传奇性的数学家之一，他就是我们这篇故事的主人公丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）。

      丹尼尔出生于荷兰的格罗宁根，和家族的其他成员一样，他的学术生涯也并不是从数学开始的。丹尼尔在1716年16岁时获艺术硕士学位；1721年又获医学博士学位。他曾申请解剖学和植物学教授职位，但未成功。丹尼尔受父兄影响，一直很喜欢数学。1724年，他在威尼斯旅途中发表《数学练习》，引起学术界关注，并被邀请到圣彼得堡科学院工作。1725年，25岁的丹尼尔受聘为圣彼得堡的数学教授。1727年，20岁的欧拉到圣彼得堡成为丹尼尔的助手。然而，丹尼尔认为圣彼得堡那地方的生活比较粗鄙，因此在八年以后的1733年，他找到机会返回瑞士的巴塞尔，终于在那儿成为解剖学和植物学教授，最后又成为物理学教授。1734年，丹尼尔荣获巴黎科学院奖金，以后又10次获得该奖金。在这一项上面能与丹尼尔媲美的，只有为他做过助手的大数学家欧拉。丹尼尔于1747年当选为柏林科学院院士，1748年当选巴黎科学院院士，1750年当选英国皇家学会会员。

      有一个故事可以说明丹尼尔在当时科学界的地位是多么崇高。相传有一次在旅途中，年轻的丹尼尔同一个风趣的陌生人闲谈，他谦虚地自我介绍说：“我是丹尼尔·伯努利。”陌生人立即带着讥讽的神情回答道：“那我就是伊萨克·牛顿。”

      丹尼尔·伯努利一生中研究成果无数，特别是在数学和物理方面。但是，他惠及语音学的最大成就，则是在他1738年出版的经典著作《流体动力学》中，以其姓氏命名的“伯努利效应”。所谓“伯努利效应”则是说当某种流体（水流或是气流）高速通过某一窄道时，窄道内的压强会降低，如果外界对窄道存在压力，则窄道的内外就会出现压强差。

       声带之所以能够产生振动，正是和这个原理有关。在人说话的时候，来自肺部的气流从声带下面冲出来，为声带的振动提供了动力。由于声带下方的气压要大于声带上方的气压，因此肺部气流在冲开声带出来时，速度非常快。这股高速气流在通过声带缝隙的时候，由于伯努利效应的作用，声带缝隙处的压强，就会低于外界的大气压。因此，在声门内外就会由于压强差产生一个外部压力，这个压力和声带本身的弹性力共同作用，克服声门上下原有的气压差产生的压力，使得声带又闭合恢复原位，然后第二次被肺部气流冲开……周而复始，声带就在肺部气流的激发下，开始有规律地振动起来，我们的语音也就因此产生了。这个道理其实跟飞机靠他的翅膀飞起来直接有关。机翼上下的形状是不一样的，下面的弧度很缓，而上面的弧度很陡。气流在通过机翼上下时速度是不一样的，上面流经的速度快，下面的慢。速度快的压强小，慢的压强大。于是机翼上下就产生了一个向上的气压差，到一定程度，就能把机身抬升起来。

（原载《叫我如何不想她——语音的故事》，朱晓农、焦磊著，商务印书馆2013年第一版）

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本期小编：小  姜

 审读人员：曾如意

 责任编辑：老   甘

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