音声科学

音声科学とは、音声の生成、伝達、知覚の研究を指します。音声科学には、解剖学、特に口腔顔面領域の解剖学、神経解剖学、生理学、音響学が含まれます。

発声は、約100の口腔顔面筋、喉頭筋、咽頭筋、呼吸筋を伴う非常に複雑な運動タスクです。^{[2] [3]}これらの筋肉の正確で迅速なタイミングは、周波数帯域間の遷移がわずか10ミリ秒^[4]で、平均発声速度が1秒あたり約15音であることを特徴とする、時間的に複雑な発声音の生成に不可欠です。発声には、肺からの空気の流れ（呼吸）が喉頭の声帯を通して発声され（発声）、顎、軟口蓋、唇、舌、その他の調音器官によって形成される声腔で共鳴する必要があります（調音）。

呼吸は、生物とその環境との間のガス交換の物理的プロセスであり、4 つのステップ (換気、分布、灌流、拡散) と 2 つのプロセス (吸気と呼気)が含まれます。呼吸は、容器の容積が増加すると気圧が低下するというボイルの法則の原理に基づいて、肺に出入りする空気の機械的プロセスとして説明できます。この相対的に負圧の高い圧力により、圧力が均等になるまで空気が容器に入ります。空気を吸気すると、横隔膜が収縮し、表面張力と負圧によって胸膜に引き寄せられて肺が膨張します。肺が膨張すると、空気圧が大気圧に比べて負になり、空気が圧力の高い領域から流れて肺を満たします。発声のための強制吸気では、補助筋を使用して胸郭を挙上し、胸腔を垂直方向と水平方向に拡大します。発声のために強制的に呼気を行う際、体幹と腹部の筋肉が腹部を圧迫したり、胸郭を引き下げて肺から空気を押し出すことで、胸腔の大きさを縮小します。

発声は、声帯を振動させることによって周期的な音波を発生させる行為です。肺からの気流と喉頭筋の収縮によって声帯が動きます。声帯が伸びたり、束になったり、くっついたり、離れたりするのは、張力と弾性の特性によるものです。発声前段階では、声帯は外転位から内転位へと動きます。声門下圧が高まり、気流によって声帯が下方から上方へと離れます。気流の量が一定であれば、流れの速度は狭窄部で増加し、分配されると下部の圧力が低下します。この負圧によって、最初は開いていた声帯が再び閉じます。このサイクルは、発声を阻害するため、または呼吸をするために声帯が外転するまで繰り返されます。

発声の3番目のプロセスである調音では、声帯の振動音が通過してさまざまな共鳴周波数を生成する際に、顔面の可動構造と固定構造（調音器官）が口、咽頭、鼻腔（声道）の形状を調整します。

脳病変の分析と病変部位と行動障害の相関関係は、長年にわたり、言語生成の基盤となる脳のメカニズムに関する最も重要な知識源であった。^{[5] [6]}ポール・ブローカの画期的な病変研究は、言語生成が左下前頭回の機能的完全性に依存していることを示した。^[7]

最近では、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）などの非侵襲的神経画像化技術の結果から、複雑な人間の能力は主に高度に特殊化した脳領域（例えば、ブローカ野）にあるのではなく、両半球のいくつかの異なる領域を接続するネットワークで構成されているという証拠が増えています。機能的神経画像化により、補足運動野、帯状運動野、一次運動野、基底核、小脳などの皮質および皮質下領域を含む発話生成の基盤となる複雑な神経ネットワークが特定されました。^{[8] [9]}

音声知覚とは、音声の理解を指します。音声を理解するプロセスの始まりは、まず話されたメッセージを聞くことです。聴覚系は、外耳から始まる音信号を受け取ります。音は耳介に入り、外耳道（外耳道）を経て鼓膜に送られます。槌骨、砧骨、アブミ骨からなる中耳に入ると、音は機械的エネルギーに変換されます。機械的エネルギーに変換された後、メッセージは内耳の始まりである卵円窓に到達します。内耳に入ると、メッセージは液体で満たされた蝸牛を通過してコルチ器官に送られ、水力エネルギーに変換されます。この器官は再び、音が神経インパルスに変換され、聴覚伝導路を刺激して脳に到達するのを助けます。音は次にヘシュル回で処理され、ウェルニッケ野で意味と関連付けられます。音声知覚の理論には、運動理論と聴覚理論があります。運動理論は、音声は音響信号に暗号化されているのではなく、エンコードされているという前提に基づいています。聴覚理論は、聞き手の感覚とフィルタリングのメカニズムを重視し、音声知識は知覚が困難な状況でのみ使用されるマイナーな役割であると示唆しています。

音声は音波を通じて伝達されますが、これは音響学の基本原理に従います。すべての音の源は振動です。音が存在するためには、音源（振動するもの）と媒体（振動を伝達するもの）が必要です。

音波は振動する物体によって生成されるため、振動する物体は一方向に移動し、その正面の空気を圧縮します。振動する物体が反対方向に移動すると、空気の圧力が低減し、空気分子の膨張、つまり希薄化が起こります。1 つの圧縮と 1 つの希薄化が 1 つの縦波を構成します。振動する空気分子は、波の運動方向と平行に前後に移動し、発生源に近い隣接分子からエネルギーを受け取り、発生源から遠い隣接分子にエネルギーを渡します。音波には、2 つの一般的な特性があります。擾乱は、エネルギーが場所から場所へと伝達されるが、媒体が 2 つの場所の間を移動しない、何らかの識別可能な媒体内にあります。

波の重要な基本特性は、波長、振幅、周期、および周波数です。波長は、繰り返される波形の長さです。振幅は、媒体の粒子の最大変位であり、波のエネルギーによって決まります。周期 (秒単位で測定) は、1 つの波が特定の点を通過する時間です。波の周波数は、単位時間内に特定の点を通過する波の数です。周波数はヘルツ (hz) (1 秒あたりの Hz サイクル) で測定され、ピッチとして認識されます。音波の完全な振動はそれぞれサイクルと呼ばれます。音の他の 2 つの物理的特性は、強度と持続時間です。強度はデシベル (dB)で測定され、音量として認識されます。

音には、純音と複音の 2 種類があります。音叉によって生成される音は、1 つの周波数で鳴る 1 つの音で構成されているため、純音と呼ばれます。楽器が特定の音、つまり音色を持つのは、さまざまな周波数で鳴るさまざまな音から音が生まれるからです。たとえば、ピアノで弾く 1 つの音は、実際には、わずかに異なる周波数で鳴る複数の音で構成されています。

• 喉頭
• 発声
• 呼吸（生理学）
• スピーチ
• 言語聴覚障害
• 音声知覚
• 声道

• ベアマン、アリソン。(2013)音声科学。カリフォルニア州サンディエゴ：プルーラル出版。ISBN 978-1-59756-481-6. OCLC  836744549.
• Hickok G、Houde J、Rong F (2011 年 2 月)。「音声処理における感覚運動統合: 計算基盤と神経組織」。ニューロン。69 (  3 ) : 407–22。doi : 10.1016 /j.neuron.2011.01.019。PMC 3057382。PMID 21315253。