2008
呼吸带说明
AnIntroductiontoRespiratoryBelt吴君如
WuJunru
摘要：本文旨在介绍呼吸带的工作原理和使用方法，提供一种呼吸参数的提取方法。
此外，本文还简要介绍了前人使用呼吸信号进行的语言学研究。
Abstract：Thispaperaimsatintroducingtheworkingprincipleandusageofrespiratorybelt,providingoneofthemethodsfortheextractionofrespiratoryparameters.Ontheotherway,someapproachesoflinguisticresearchwithrespiratorybeltareprovided.关键词：语音生理学呼吸带说明Keywords：physiologicalics,respiratorybelt,introduction 0引言 呼吸带在呼吸生理研究领域已经有了广泛的利用，在语言学领域，呼吸带主要用于言语呼吸动力及朗读节奏的研究。
积共同决定的，呼吸运动是胸腹联合运动的结果。
(KonnoandMead1967;Hixon1973;Hixon,Meadetal.1976;Bakenandal.1979) 呼吸带利用的正是呼吸时胸腔或腹腔周长的改变。
呼吸带的核心是一个压电传感器，这个压电传感器能够用电压信号反映长度的线性改变，利用这个特性，我们可以用呼吸带来测量呼吸时胸腔或腹腔周长的改变。
1.2呼吸带结构一条呼吸带包括三个部分：压电传感器、松 紧带、电缆。
呼吸带产生的原始信号须经采集器处理，才能输入计算机，用于分析。
1呼吸带简述 1.1呼吸带原理首先，让我们稍微了解一下呼吸运动的生理 基础。
呼吸运动是由肺容积的改变决定的，吸气时肺的容积变大，呼气时肺容积缩小。
而肺容积是由胸腔和腹腔容积共同决定的，呼吸运动是胸腹联合运动的结果。
胸腔体积可以通过胸廓的运动而增大也可以通过横隔膜的运动来增大。
由于这两部分是共同作用的，所以肺部体积的变化应该是这两部分体积变化的和。
如果胸腔扩大而横隔膜收紧，那么它们都会导致吸气。
但是，如果胸腔体积缩小，而同时横隔膜收紧，那么是呼气还是吸气就取决于胸腔缩小的体积是否大于腹腔扩大的体积。
因此我们必须明白不能单凭胸腔或腹腔的变化知道此时是吸气还是呼气，在判断是呼气还是吸气之前，我们必须首先了解这两个部位的变化以及它们对于胸腔体积变化的贡献度。
现在利用呼吸带进行研究通常采集两条呼吸带的信号，一条采集胸部的呼吸信号，一条采集腹部的呼吸信号。
这是因为肺容积是由胸腔和腹腔容 图1(MLT1132PiezoRespiratoryBeltTransducer,ADInstruments) 1.3呼吸带生产商现在语言学研究采用的呼吸带主要有两种： 一种是澳大利亚埃德仪器公司（ADInstrument）生产的MLT1132压电呼吸带传感器（MLT1132PiezoRespiratoryBeltTransducer），另一种是美国动态监测公司（AmbulatoryMonitoring,Inc.）生产的Respitracesystem。
前者生产的呼吸带须和该公司生产的生物电信号采集器（PowerLab）及Chart软件配合使用，后者生产的呼吸带须和该公司生产的Inductotrace接口及Inductoview软件配合使用。
(ADINSTRUMENTS:AmbulatoryMonitoring) 2呼吸带的使用方法 -81- 语音乐律研究报告2008 2.1实验设备以下以MLT1132压电呼吸带传感器为例。
（1）MLT1132压电呼吸带传感器（呼吸带） 一条或两条；
（2）生物电放大器（如ML880PowerLab 16/30）一部；
（3）计算机一部，须装有Windows或苹果 系统；
（4）Chart软件（如Chart5forWindows）；
（5）（可选）话筒一个，用于同步采集语音 信号，须为莲花插头或转接莲花插头；
（6）（可选）电子声门仪（EGG）一套，用 于同步采集声门阻抗信号； 2.2操作步骤
（1）启动计算机；
（2）初次使用应安装Chart软件（也可在
4. 打开生物电放大器后安装）；
（3）接好生物电放大器电源，并将呼吸带电 缆连接到生物电放大器一个BNC输入口上，如果要同步采集语音信号，将话筒莲花头接到生物电放大器的另一个BNC输入口上，如果要同步采集EGG信号，将EGG的BNC输出口接到生物电放大器的另一个BNC输入口上；
（4）开启生物电放大器电源；
（5）运行Chart软件，新建文件，设置通道数（每条呼吸带、话筒、EGG各占一个通道）、采样频率（如果和声音信号同步使用，建议使用1000Hz以上采样频率）、和信号量程（呼吸信号10mV-20mV）；
（6）将第一条呼吸带环扎于被试胸部，上缘至腋下五厘米；若使用两条呼吸带，另一条呼吸带环扎于被试腹部，上缘在肚脐位置，不能接触下肋，以免胸腹呼吸信号混淆。
实验者可以根据需要调整呼吸带的位置，原则是要将呼吸带系于呼吸时胸或腹扩张最大处，在吸气至最大时，呼吸带应接近最大延展极限，以保证呼吸带达到其最高灵敏度，并保证采集到的呼吸信号和胸腹周长线性相关。
(DennyandSmith2000;McFarland2001;Connaghan,Higashakawaetal.2004;Huber2007;Huber2008)
7.根据Chart软件显示的呼吸信号调整软件设置，既要充分利用量程，又要避免出现过载削波现象。
注意，计算机启动完毕再启动生物电放大器，以免出现设备冲突等问题。
图2用Chart5采集的四通道信号（谭晶晶2008） 3呼吸参数的提取和分析 3.1呼吸参数的定义对呼吸信号进行分析，首先需要定义一些概 念和参数。
下面以(谭晶晶2008;谭晶晶2008;谭晶晶,李永宏etal.2008)的研究为例说明一种呼吸信号参数的提取方法： 呼吸曲线：呼吸信号的变化反映在二维图谱上，横轴是时间，纵轴是由呼吸导致的电压变化这就是“呼吸曲线”，呼吸曲线上升表示吸气，下降表示呼气。
呼吸重置时长：从开始吸气到开始呼气之间经过的时间，即图中波谷和波峰之间的水平距离
T。
呼吸重置幅度：一次吸气过程中呼吸信号数值的变化幅度，即图中中波谷和波峰之间的垂直距离
A。
图3参数定义（谭晶晶2008） 3.2呼吸参数的提取参数提取可以使用北京大学中文语音乐律平 台呼吸信号处理软件（BreathBand），该软件须在Matlab环境下运行，可以对呼吸信号进行归一化和平滑滤波，对呼吸重置时长和呼吸重置幅度进行自动标记和手工标记，还可以批处理标记好的文件，自动标记数据到EXCELL表格中。
-82- 语音乐律研究报告2008 图4北京大学中文语音乐律平台呼吸信号处理软件（BreathBand）界面。
从上往下第一格为语音信号，第
二 格为EGG信号，第三格为第一通道的呼吸信号 4利用呼吸信号进行语言学研究 使用呼吸信号进行的语言学研究主要有以下几个方面：
（1）语言的呼吸动力学研究。
研究表明，说话时呼吸动力模式和正常呼吸的呼吸动力模式是大为不同的(Hoit2000;Connaghan,Higashakawaetal.2004)。
在这个基础上，还有呼吸动力参数和声强的关系的研究。
声强指的是声波携带的按分贝计的总能量，语音的声强与发音动力息息相关，而呼吸带采集的呼吸信号可以反映发音动力的情况。
虽然通常两者间是正相关关系，但这种关系显然是复杂的和非线性的。
(Huber2007)
（2）语言心理研究。
一则谈话互动研究发现自然交谈中说话人转换话题时会伴随呼吸信号的改变，而且这时听话人的呼吸信号也会相应地发生改变。
(McFarland2001)
（3）语言病理研究。
有研究者利用呼吸信号研究构音障碍的模式和变异(Hammen1994)，还有研究者将呼吸信号和脑电（EMG）信号结合起来研究口吃者的呼吸神经控制问题。
(DennyandSmith2000)
（4）朗读呼吸节奏研究。
早期研究即已发现，呼吸重置往往发生在语法边界上(Hixon1973;Hixon,Meadetal.1976;Bakenandal.1979)。
近期研究发现呼吸重置可以依其幅度分为不同级别，呼吸重置的级别与呼吸边界前的高音点与低音点的音高有关，不同级别的呼吸重置的呼吸边界上无声段时长有显著差异，重置时长和重置幅度的相关。
(谭晶晶2008;谭晶晶2008;谭晶晶,李永宏etal.2008) 表1重置时长和重置幅度的相关性统计结果（谭晶晶2008） 4总结 以上介绍了呼吸带的工作原理和使用方法，并提供了一种呼吸参数的提取方法。
呼吸带在语言学领域是一个比较新的研究手段，在言语呼吸动力研究和语言节奏研究方面日益展现出其迷人风采。
参考文献[1]ADINSTRUMENTS."MLT1132Piezo RespiratoryBeltTransducer."from.[2]AmbulatoryMonitoring,
I."BatteryOperatedInductotraceSystem."from.[3]ADINSTRUMENTS."MLT1132PiezoRespiratoryBeltTransducer."from.[4]AmbulatoryMonitoring,
I."BatteryOperatedInductotraceSystem."from.[5]Baken,
R.J.ande.al.(1979)."Chestwallmovementspriortophonation."JournalofSpeechandHearingResearch22:862-872.[6]Connaghan,
K.P.,
M.Higashakawa,etal.(2004)."Respiratorykinematicsduringvocalizationandnonspeechrespirationinchildrenfrom9to48months."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch47
(1):70.[7]Denny,M.andA.Smith(2000)."RespiratoryControlinStutteringSpeakers:EvidenceFromRespiratoryHigh-FrequencyOscillations."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch43
(4):1024.[8]Hammen,
V.L.,&Yorkston,
K.M.(1994). -83- 语音乐律研究报告2008 "Respiratorypatterningandvariabilityindysarthricspeech."JournalofMedicalSpeech-LanguagePathology2:253-262.[9]Hixon,
T.J.,Goldman,
M.H.,&Mead,
J.(1973)."Kinematicsofthechestwallduringspeechproduction:Volumedisplacementsoftheribcage,abdomen,andlung."JournalofSpeechandHearingResearch19:297-356.[10]Hixon,
T.J.,
J.Mead,etal.(1976)."Dynamicsofthechestwallduringspeechproduction:Functionofthethorax,ribcage,diaphragm,andabdomen."JournalofSpeechandHearingResearch19:297-356.[11]Hoit,
J.D.a.H.L.L.(2000)."InfluenceofContinuousSpeakingonVentilation."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch43
(5):1240.[12]Huber,
J.E.(2007)."Effectofcuestoincreasesoundpressurelevelonrespiratorykinematicpatternsduringconnectedspeech."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch50
(3):621.[13]Huber,
J.E.a.J.S.,III(2008)."Age-relatedchangestospeechbreathingwithIncreasedvocalloudness."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch51
(3):651.[14]Konno,K.andJ.Mead(1967)."Measurementoftheseparatevolumechangesoftheribcageandtheabdomenduringbreathing."JournalofAppliedPhysiology22:407-422.[15]McFarland,
D.H.(2001)."RespiratoryMarkersofConversationalInteraction."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch44
(1):128.[16]谭晶晶(2008).普通话朗读时的呼吸节奏研究.中文系,北京大学.硕士.[17]谭晶晶(2008)."新闻朗读的呼吸节奏研究."中国语音学报
1.[18]谭晶晶,李永宏,etal.(2008).汉语普通话不同文体朗读时的呼吸重置研究.清华大学学报——2007年第九届全国人机语音通讯学术会议NCMMSC特刊.北京,清华大学出版社. （姓名吴君如单位北京大学中文系语音乐 律实验室邮编100871电子邮件 yuerr@） -84-
此外，本文还简要介绍了前人使用呼吸信号进行的语言学研究。
Abstract：Thispaperaimsatintroducingtheworkingprincipleandusageofrespiratorybelt,providingoneofthemethodsfortheextractionofrespiratoryparameters.Ontheotherway,someapproachesoflinguisticresearchwithrespiratorybeltareprovided.关键词：语音生理学呼吸带说明Keywords：physiologicalics,respiratorybelt,introduction 0引言 呼吸带在呼吸生理研究领域已经有了广泛的利用，在语言学领域，呼吸带主要用于言语呼吸动力及朗读节奏的研究。
积共同决定的，呼吸运动是胸腹联合运动的结果。
(KonnoandMead1967;Hixon1973;Hixon,Meadetal.1976;Bakenandal.1979) 呼吸带利用的正是呼吸时胸腔或腹腔周长的改变。
呼吸带的核心是一个压电传感器，这个压电传感器能够用电压信号反映长度的线性改变，利用这个特性，我们可以用呼吸带来测量呼吸时胸腔或腹腔周长的改变。
1.2呼吸带结构一条呼吸带包括三个部分：压电传感器、松 紧带、电缆。
呼吸带产生的原始信号须经采集器处理，才能输入计算机，用于分析。
1呼吸带简述 1.1呼吸带原理首先，让我们稍微了解一下呼吸运动的生理 基础。
呼吸运动是由肺容积的改变决定的，吸气时肺的容积变大，呼气时肺容积缩小。
而肺容积是由胸腔和腹腔容积共同决定的，呼吸运动是胸腹联合运动的结果。
胸腔体积可以通过胸廓的运动而增大也可以通过横隔膜的运动来增大。
由于这两部分是共同作用的，所以肺部体积的变化应该是这两部分体积变化的和。
如果胸腔扩大而横隔膜收紧，那么它们都会导致吸气。
但是，如果胸腔体积缩小，而同时横隔膜收紧，那么是呼气还是吸气就取决于胸腔缩小的体积是否大于腹腔扩大的体积。
因此我们必须明白不能单凭胸腔或腹腔的变化知道此时是吸气还是呼气，在判断是呼气还是吸气之前，我们必须首先了解这两个部位的变化以及它们对于胸腔体积变化的贡献度。
现在利用呼吸带进行研究通常采集两条呼吸带的信号，一条采集胸部的呼吸信号，一条采集腹部的呼吸信号。
这是因为肺容积是由胸腔和腹腔容 图1(MLT1132PiezoRespiratoryBeltTransducer,ADInstruments) 1.3呼吸带生产商现在语言学研究采用的呼吸带主要有两种： 一种是澳大利亚埃德仪器公司（ADInstrument）生产的MLT1132压电呼吸带传感器（MLT1132PiezoRespiratoryBeltTransducer），另一种是美国动态监测公司（AmbulatoryMonitoring,Inc.）生产的Respitracesystem。
前者生产的呼吸带须和该公司生产的生物电信号采集器（PowerLab）及Chart软件配合使用，后者生产的呼吸带须和该公司生产的Inductotrace接口及Inductoview软件配合使用。
(ADINSTRUMENTS:AmbulatoryMonitoring) 2呼吸带的使用方法 -81- 语音乐律研究报告2008 2.1实验设备以下以MLT1132压电呼吸带传感器为例。
（1）MLT1132压电呼吸带传感器（呼吸带） 一条或两条；
（2）生物电放大器（如ML880PowerLab 16/30）一部；
（3）计算机一部，须装有Windows或苹果 系统；
（4）Chart软件（如Chart5forWindows）；
（5）（可选）话筒一个，用于同步采集语音 信号，须为莲花插头或转接莲花插头；
（6）（可选）电子声门仪（EGG）一套，用 于同步采集声门阻抗信号； 2.2操作步骤
（1）启动计算机；
（2）初次使用应安装Chart软件（也可在
4. 打开生物电放大器后安装）；
（3）接好生物电放大器电源，并将呼吸带电 缆连接到生物电放大器一个BNC输入口上，如果要同步采集语音信号，将话筒莲花头接到生物电放大器的另一个BNC输入口上，如果要同步采集EGG信号，将EGG的BNC输出口接到生物电放大器的另一个BNC输入口上；
（4）开启生物电放大器电源；
（5）运行Chart软件，新建文件，设置通道数（每条呼吸带、话筒、EGG各占一个通道）、采样频率（如果和声音信号同步使用，建议使用1000Hz以上采样频率）、和信号量程（呼吸信号10mV-20mV）；
（6）将第一条呼吸带环扎于被试胸部，上缘至腋下五厘米；若使用两条呼吸带，另一条呼吸带环扎于被试腹部，上缘在肚脐位置，不能接触下肋，以免胸腹呼吸信号混淆。
实验者可以根据需要调整呼吸带的位置，原则是要将呼吸带系于呼吸时胸或腹扩张最大处，在吸气至最大时，呼吸带应接近最大延展极限，以保证呼吸带达到其最高灵敏度，并保证采集到的呼吸信号和胸腹周长线性相关。
(DennyandSmith2000;McFarland2001;Connaghan,Higashakawaetal.2004;Huber2007;Huber2008)
7.根据Chart软件显示的呼吸信号调整软件设置，既要充分利用量程，又要避免出现过载削波现象。
注意，计算机启动完毕再启动生物电放大器，以免出现设备冲突等问题。
图2用Chart5采集的四通道信号（谭晶晶2008） 3呼吸参数的提取和分析 3.1呼吸参数的定义对呼吸信号进行分析，首先需要定义一些概 念和参数。
下面以(谭晶晶2008;谭晶晶2008;谭晶晶,李永宏etal.2008)的研究为例说明一种呼吸信号参数的提取方法： 呼吸曲线：呼吸信号的变化反映在二维图谱上，横轴是时间，纵轴是由呼吸导致的电压变化这就是“呼吸曲线”，呼吸曲线上升表示吸气，下降表示呼气。
呼吸重置时长：从开始吸气到开始呼气之间经过的时间，即图中波谷和波峰之间的水平距离
T。
呼吸重置幅度：一次吸气过程中呼吸信号数值的变化幅度，即图中中波谷和波峰之间的垂直距离
A。
图3参数定义（谭晶晶2008） 3.2呼吸参数的提取参数提取可以使用北京大学中文语音乐律平 台呼吸信号处理软件（BreathBand），该软件须在Matlab环境下运行，可以对呼吸信号进行归一化和平滑滤波，对呼吸重置时长和呼吸重置幅度进行自动标记和手工标记，还可以批处理标记好的文件，自动标记数据到EXCELL表格中。
-82- 语音乐律研究报告2008 图4北京大学中文语音乐律平台呼吸信号处理软件（BreathBand）界面。
从上往下第一格为语音信号，第
二 格为EGG信号，第三格为第一通道的呼吸信号 4利用呼吸信号进行语言学研究 使用呼吸信号进行的语言学研究主要有以下几个方面：
（1）语言的呼吸动力学研究。
研究表明，说话时呼吸动力模式和正常呼吸的呼吸动力模式是大为不同的(Hoit2000;Connaghan,Higashakawaetal.2004)。
在这个基础上，还有呼吸动力参数和声强的关系的研究。
声强指的是声波携带的按分贝计的总能量，语音的声强与发音动力息息相关，而呼吸带采集的呼吸信号可以反映发音动力的情况。
虽然通常两者间是正相关关系，但这种关系显然是复杂的和非线性的。
(Huber2007)
（2）语言心理研究。
一则谈话互动研究发现自然交谈中说话人转换话题时会伴随呼吸信号的改变，而且这时听话人的呼吸信号也会相应地发生改变。
(McFarland2001)
（3）语言病理研究。
有研究者利用呼吸信号研究构音障碍的模式和变异(Hammen1994)，还有研究者将呼吸信号和脑电（EMG）信号结合起来研究口吃者的呼吸神经控制问题。
(DennyandSmith2000)
（4）朗读呼吸节奏研究。
早期研究即已发现，呼吸重置往往发生在语法边界上(Hixon1973;Hixon,Meadetal.1976;Bakenandal.1979)。
近期研究发现呼吸重置可以依其幅度分为不同级别，呼吸重置的级别与呼吸边界前的高音点与低音点的音高有关，不同级别的呼吸重置的呼吸边界上无声段时长有显著差异，重置时长和重置幅度的相关。
(谭晶晶2008;谭晶晶2008;谭晶晶,李永宏etal.2008) 表1重置时长和重置幅度的相关性统计结果（谭晶晶2008） 4总结 以上介绍了呼吸带的工作原理和使用方法，并提供了一种呼吸参数的提取方法。
呼吸带在语言学领域是一个比较新的研究手段，在言语呼吸动力研究和语言节奏研究方面日益展现出其迷人风采。
参考文献[1]ADINSTRUMENTS."MLT1132Piezo RespiratoryBeltTransducer."from.[2]AmbulatoryMonitoring,
I."BatteryOperatedInductotraceSystem."from.[3]ADINSTRUMENTS."MLT1132PiezoRespiratoryBeltTransducer."from.[4]AmbulatoryMonitoring,
I."BatteryOperatedInductotraceSystem."from.[5]Baken,
R.J.ande.al.(1979)."Chestwallmovementspriortophonation."JournalofSpeechandHearingResearch22:862-872.[6]Connaghan,
K.P.,
M.Higashakawa,etal.(2004)."Respiratorykinematicsduringvocalizationandnonspeechrespirationinchildrenfrom9to48months."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch47
(1):70.[7]Denny,M.andA.Smith(2000)."RespiratoryControlinStutteringSpeakers:EvidenceFromRespiratoryHigh-FrequencyOscillations."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch43
(4):1024.[8]Hammen,
V.L.,&Yorkston,
K.M.(1994). -83- 语音乐律研究报告2008 "Respiratorypatterningandvariabilityindysarthricspeech."JournalofMedicalSpeech-LanguagePathology2:253-262.[9]Hixon,
T.J.,Goldman,
M.H.,&Mead,
J.(1973)."Kinematicsofthechestwallduringspeechproduction:Volumedisplacementsoftheribcage,abdomen,andlung."JournalofSpeechandHearingResearch19:297-356.[10]Hixon,
T.J.,
J.Mead,etal.(1976)."Dynamicsofthechestwallduringspeechproduction:Functionofthethorax,ribcage,diaphragm,andabdomen."JournalofSpeechandHearingResearch19:297-356.[11]Hoit,
J.D.a.H.L.L.(2000)."InfluenceofContinuousSpeakingonVentilation."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch43
(5):1240.[12]Huber,
J.E.(2007)."Effectofcuestoincreasesoundpressurelevelonrespiratorykinematicpatternsduringconnectedspeech."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch50
(3):621.[13]Huber,
J.E.a.J.S.,III(2008)."Age-relatedchangestospeechbreathingwithIncreasedvocalloudness."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch51
(3):651.[14]Konno,K.andJ.Mead(1967)."Measurementoftheseparatevolumechangesoftheribcageandtheabdomenduringbreathing."JournalofAppliedPhysiology22:407-422.[15]McFarland,
D.H.(2001)."RespiratoryMarkersofConversationalInteraction."JournalofSpeech,Language,andHearingResearch44
(1):128.[16]谭晶晶(2008).普通话朗读时的呼吸节奏研究.中文系,北京大学.硕士.[17]谭晶晶(2008)."新闻朗读的呼吸节奏研究."中国语音学报
1.[18]谭晶晶,李永宏,etal.(2008).汉语普通话不同文体朗读时的呼吸重置研究.清华大学学报——2007年第九届全国人机语音通讯学术会议NCMMSC特刊.北京,清华大学出版社. （姓名吴君如单位北京大学中文系语音乐 律实验室邮编100871电子邮件 yuerr@） -84-
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