《歌唱的解》——声音背后的科学与艺术系列连载③

孤波在喉：非线性声波的秘密与歌者的爆发力

马金龙

（中国科学院，长沙市老干部大学艺术团）

有些声音，如雷鸣乍响，穿透胸腔与空间；

有些歌声，哪怕音量不大，却仿佛子弹破空，直击人心。

它们，有一个共同的物理底色：非线性能量集中型声波。

今天，我们来谈谈“喉中的孤波”。

一、听见孤波：从一次爆发音说起

一位老京剧演员曾这样描述他的“甩腔”：

“不是喊出来，是从咽里‘冲’出来，那一口气、那个音，能直接飞到戏台最远处。”

又比如，蒙古呼麦中那种低频共鸣与高频尖啸的分离态，往往被观众形容为“如风穿颅”，穿透而不刺耳，结实而不沉重。

这些声音现象常被歌者归因于“状态对了”“气脉通了”——但在物理学里，我们可以尝试这样描述它们：

这是一种非线性激发、局部能量集中、不扩散衰减的声波结构。

换句话说：它具有 “声学孤波”（acoustic soliton）的若干特征。

二、什么是“孤波”？它真的能在喉中存在吗？

“孤波”（soliton）原指水波中一种特殊结构，19世纪的 Russell 发现：一股浪涌沿水渠滑行，波形不变、速度恒定、传播稳定，与普通波相比，不扩散、不减弱。

在物理学上，孤波是一类非线性–色散平衡下的特殊解，其波动行为满足如 KdV 方程（Korteweg–de Vries equation）等非线性偏微分方程的形式解。

那我们能否说：“在人体声道中，也存在类似的孤波现象”？

科学上，我们不能轻率断言“存在”，但已有不少研究提供了合理的模型依据：

因此，我们提出“孤波在喉”这一概念，并非意味着“喉中存在数学意义上的孤子”，而是：

一种非线性声波在咽–喉–鼻系统中被激发与保持稳定传播的状态，它具备类孤波的物理行为与声学表现。

三、如何“调谐孤波”？——激发机制三要素

在系统性训练中，如果希望产生“孤波型”声音，需满足以下三大机制耦合：

1. 非线性激发：声门的短促爆发

• 声门必须快速、干净、闭合力强地开启气流；

• 如使用“glottal burst”（声门爆发）策略，或“半声带振动”调制脉冲宽度；

• 目标是产生高能、集中的脉冲信号——“波源”。

2. 带通调谐：咽穹–鼻穹的频率选择性共振

• 咽穹弯曲构型形成一级共振；

• 鼻穹调节鼻腔阻抗与反射窗；

• 联合构成“准带通滤波器”，使孤波维持能量不扩散。

3. 边界反馈：骨导、感知与动作策略形成的闭环

• 歌者需能“感知”波峰是否完整发出；

• 实时微调喉位、软腭、舌根结构；

• 构成听觉–动作–反馈三角系统，稳定输出状态。

4. 孤波激发三要素

图3-1  孤波激发三要素模型图

图3-1《孤波激发三要素模型图》中，构成声学孤波（soliton）激发的三大关键要素，具体名称如下：

1)  气息（Breath） 对应模型顶点，表示持续而有力的亚声门气流驱动，是孤波生成的能量源泉。

2)  声门的非线性控制（Nonlinear control of the glottis） 位于模型左下角，指通过声门的动态张闭、紧闭度与周期变化，实现局部压力增强与调节机制，是触发孤波形成的非线性核心机制。

3)  声道阻抗（Vocal tract impedance） 位于模型右下角，强调声道几何结构与声阻抗分布对声波反射与共鸣的调谐作用，是孤波得以维持传播形态的必要边界条件。这三者的协同耦合，就是“孤波歌唱状态”的形成条件，并构成一个具有能量聚焦（focusing）、非线性激发（nonlinear excitation）与结构调谐（structural tuning）特征的动力系统，从而使孤波在歌者喉部系统中得以产生并传播。

5.喉部声孤波传

喉部声孤波传播结构（图3-2）要素说明如下：

1)  气道：其功能是提供亚声门气流，即从肺部和气管上来的空气流，是孤波激发的能量源泉。这个气流不仅推动声门振动，也为形成非线性声学现象（如孤波）提供动力输入。

2)  声门，位于图中中部的狭窄通道。图中描绘为一个突起处，气流通过这个狭窄“门槛”后，形成强非线性扰动。声门是声带所在部位，当紧闭和突然打开时，会产生非线性压力激发，这是形成孤波的关键。

3)  孤波（soliton）这是一种局部集中的、稳定传播的非线性波动。代表了一个非扩散、稳定的高能声压团块；在特定条件下（如气流充足、声门瞬时压强集中、声道几何匹配），这种孤波可以沿声道前向传播而不被扩散；可视为歌唱者在高爆发力唱法（如吼声、民族唱法）中发出的“声弹”。

图3-2  喉部声孤波传播结构图

该图的结构逻辑从上至下的闭环路径为：

气道气流 → 穿越声门形成非线性扰动 → 孤波被激发 → 孤波沿喉道传播并影响上腔共鸣

这个路径也体现出歌唱发声系统中一个典型的非线性系统链条，其关键是：

• 气流驱动（输入）

• 非线性激发（中枢）

• 声道调控与传播（输出）

基于物理与声学视角，孤波（Soliton）是非线性动力学中的一种解，具有：保持形状稳定传播的能力；在声门激发后，不像普通声波那样快速扩散，而是持续维持峰值结构传播；一般需要满足非线性与色散效应之间的平衡。

在喉部，孤波可能被看作一种具有生物物理约束的“自组织结构”，尤其在爆发型歌唱或某些特定技术中尤为重要。

总之，这张图意在以简洁的结构表达喉部声孤波的产生与传播路径，并强调三个要点：

1)  声门非线性激发是关键触发器；

2)  孤波代表了能量集中、稳定传播的声学结构；

3)  整个系统体现出生理-气动-声学三位一体的协同系统行为。

四、孤波歌唱的艺术表现：穿透力与节制感的统一

孤波式歌声并不等于“大声”或“喊叫”，它恰恰具有以下审美特征：

例如，金龙吟唱@SOLITON的作品中，即展示出以鼻穹与咽穹共振为主导的“孤波样声音”，其音色独特、传播远、表达力强。《孤波咽唱·鼻穹共振》实验录音链接https://space.bilibili.com/408361496?spm_id_from=333.1007.0.0。

五、结语：孤波，是声音的科学，也是灵魂的结构

“孤波在喉”，不仅是物理建模的命题，也是歌者对声音深度控制与风格创造的境界体现。

它告诉我们：

• 歌唱不是气息叠加、技巧堆砌，而是系统协同的结构调谐；

• 声音不是模仿来的，而是由结构–非线性–反馈构成的表达方式；

• 人体，不仅是器官的集合，也是活体非线性滤波器。

当我们理解了“孤波”，我们或许就理解了歌唱中最深层的那种“爆发中的秩序”“穿透中的柔和”。

那是声音的真，那是艺术的“解”。