美国 Glottal 声门下压力测量系统 PG-20|PG-60

在说话或唱歌期间肺部的气压提供产生人类声音的能量。这种肺压通常也被称为声门下压力。（声门下压力或声门下压力是在声带下方（“Sub-”）积聚的压力。产生的声门下压力的量由通过声带之间的空气泄漏的气流和对该流量或气管压力的阻力来确定，尽管这些在技术上都略有不同。我们此后将使用术语声门下压力。了解驱动喉部声源的声门下压力对于理解声音的操作非常重要。直到最近，声门下压力仍难以非侵入性地测量。当唇部和腭咽通道闭合时，PG-20和PG-60在嘴内使用一种口内压力压力插值技术由Glottal 公司创始人马丁介绍（J.Acoustic Society of America 53,1632-1645）。通过独特的正在申请专利的电子电路实现实时操作。在PG-20 / PG-60中，当唇和腭咽通道在发一个/ P/ 辅音期间关闭时，内口口压力通过标准的鲁尔连接器接入，由主机内的压力传感器来记录的。 PG-20配有多个压力传感管，每个压力传感管都配有一个匹配的鲁尔连接器。用于口腔压力传感器的探管应放置在受试者的嘴唇之间，通常位于嘴角，受唇部运动影响最小。为了便于记录仪表读数，PG-

仪器信息

品牌	Glottal
分类	声门下压力测量系统
仪器编码	美国 Glottal 声门下压力测量系统 PG-20\|PG-60
地区来源	美国
更新时间	2026-10-10
研究领域	言语与嗓音科学、语音学、嗓音与音乐声学、生物医学信号处理与模式识别

实验方法

研究方向：基于 /p/ 闭塞段口腔内压的声门下压力无创估计、发声类型（嗓音音质）的产生与分类、颈部表面加速度信号用于嗓音声源评估、声门逆滤波与声源参数化、歌唱嗓音的空气动力学评估

基于颈部表面加速度信号的发声类型分类实验——以 PG-60 声门下压力监测仪同步监控口腔内压

方法说明：该实验针对中性声、气声、挤压声三种发声类型，考察由贴附于受试者气管壁（声门下方）的微型加速度计所提取的特征能否用于发声类型分类，并把其分类效果与逆滤波得到的声门气流信号、以及自由场辐射声信号所提取的特征进行对照。实验以五名受过训练的歌手为受试者，让其在自选的三个音高水平上重复发出音节 [pæ:]。之所以选择以塞音 /p/ 起首的音节，是因为在双唇闭合且软腭上抬的瞬间，声道成为一个封闭腔体，此时口腔内压近似等于声门下压力，从而可以借助口腔插管逐次取得声门下压力的无创估计。实验中把一根细管置于受试者口角处，另一端接入美国 Glottal Enterprises 公司的 PG-60 声门下压力监测仪，并把压力信号单独送入多通道录音设备的一个通道，与加速度信号、气流信号和麦克风声信号同步记录；压力通道通过把管端浸入已知深度水柱的方式完成定标。随后对三路信号分别提取声源相关特征（如 HRF、L1L2、CPPS、声级等），用随机森林分类器进行发声类型分类，并比较各信号的分类错误率与特征重要度。结果表明三路信号的分类错误率相当，说明基本不受声道共振污染的加速度信号相对普通麦克风信号并无明显优势。

实验仪器：声门下压力监测仪 PG-60；微型加速度计 BU-27135；气流面罩（Rothenberg 面罩）；多通道数字录音设备；麦克风

实验步骤

受试者招募与嗓音任务设计
说明：招募五名受过训练的歌手（两名女性、三名男性），要求其能够按指令稳定地产生中性声、气声、挤压声三种发声类型，并在自选的三个音高水平上完成任务。
关键点：受试者必须是训练有素的歌手，才能在同一音高、同一元音条件下自如地切换三种发声类型；音高水平由受试者按自身舒适音域自行确定，以保证各发声类型都能稳定产生。
语音材料选择
说明：统一采用以双唇塞音开头的音节 [pæ:] 作为发音材料，在每种发声类型、每个音高水平下重复多次。
关键点：选用 /p/ 起首的音节是整个压力测量方案的前提：只有在双唇闭合且鼻咽通道关闭的 /p/ 闭塞段内，声道才构成封闭腔体，口腔内压才可视为声门下压力的近似值。
多通道测量装置搭建
说明：在受试者颈部气管壁（声门下方）贴附微型加速度计采集颈部表面振动；配合气流面罩采集口腔气流以供逆滤波；同时用麦克风记录辐射声；一根细管置于口角，另一端连接 PG-60 声门下压力监测仪，其输出送入录音设备的独立通道。
关键点：加速度计须牢固贴附于声门下方的气管壁，以保证信号主要反映声门下振动；压力取样管应置于口角、尽量不受唇部运动干扰；四路信号必须严格同步记录，否则无法把逐次 /p/ 闭塞段的压力值与对应的发声段落对齐。
压力通道定标
说明：在正式录音前，把压力取样管浸入已知深度的水柱中，取得若干已知压力点对应的通道电平，建立通道读数与厘米水柱之间的换算关系。
关键点：水柱浸没深度即为已知的参考压力（cm H2O），定标点应覆盖实验中可能出现的压力范围；定标须在与正式录音相同的增益设置下完成，否则换算关系失效。
同步数据采集
说明：受试者按提示依次完成三种发声类型、三个音高水平的 [pæ:] 重复发音，系统同步记录加速度信号、气流信号、麦克风信号与 PG-60 压力信号。
关键点：每个条件下需重复足够次数，以便后续分类器训练；录音过程中应监看压力通道波形，确认每次 /p/ 闭塞段都出现清晰的压力平台，避免漏气或封闭不全导致压力峰畸变。
声门下压力提取与声源信号获取
说明：从压力通道上逐次读取 /p/ 闭塞段的口腔内压峰值或平台值，作为相邻元音段声门下压力的估计；同时对气流面罩信号做声门逆滤波，得到声门气流波形。
关键点：口腔内压只能在闭塞段取得，元音段的声门下压力需由相邻闭塞段的压力值内插得到；逆滤波时需消除声道共振的影响，才能得到可用于参数化的声门气流波形。
特征提取
说明：从声门气流信号、加速度信号和麦克风信号中分别提取一组声源相关特征，包括 HRF（基频谐波与共振峰能量之比）、L1L2（前两个谐波的级差）、CPPS（平滑倒谱峰突出度）以及声级等。
关键点：三路信号采用尽可能一致的特征集合，才能公平比较；部分特征（如声级）只对麦克风信号有意义，需在比较时单独说明。
随机森林分类与统计比较
说明：以发声类型为标签，用随机森林分类器分别对三路信号的特征集合建模，比较分类错误率，并计算各特征的重要度；同时考察各特征沿气声—中性声—挤压声连续统的变化趋势。
关键点：分类需按受试者分别评估，因为不同受试者的整体分类表现和特征重要度差异显著；除分类正确率外，还要检验特征是否随发声类型单调变化，以判断其作为嗓音音质指标的可解释性。

实验数据

/p/ 闭塞段口腔内压（声门下压力估计值）

数据来源：置于口角的取样管经 PG-60 声门下压力监测仪转换后送入录音设备独立通道所记录的压力信号

实验样本：同一音高下，气声、中性声、挤压声三种发声类型对应的闭塞段压力平台值依次递增，典型量级在数厘米水柱到二十余厘米水柱之间

数据呈现：以时间为横轴绘制压力通道波形，标注每次 /p/ 闭塞段的压力平台；按发声类型与音高水平绘制压力分布箱线图

颈部表面加速度信号

数据来源：贴附于受试者声门下方气管壁的微型加速度计

实验样本：随元音段稳定振荡的加速度波形及其频谱，谐波结构随发声类型由气声向挤压声逐步增强

数据呈现：波形图、窄带频谱图与谱包络图；按发声类型叠加显示平均频谱

逆滤波得到的声门气流波形

数据来源：气流面罩采集的口腔气流信号，经声门逆滤波处理后得到

实验样本：单个基频周期内的声门流脉冲及其微分波形，气声条件下可见明显的流泄漏成分

数据呈现：声门流波形图与流导数波形图；配合频谱显示声源谱倾斜

辐射声（麦克风）信号

数据来源：记录受试者口前辐射声压的麦克风通道

实验样本：[pæ:] 音节的语音波形与频谱，含声级随发声类型变化的信息

数据呈现：语图（声谱图）、波形图与声级时间曲线

发声类型分类错误率与特征重要度

数据来源：随机森林分类器对三路信号特征集合建模后的输出

实验样本：三路信号的分类错误率相近；各受试者之间在整体表现与特征重要度排序上差异明显

数据呈现：混淆矩阵、按信号类型与受试者分组的错误率条形图、特征重要度排序图

方法关联论文：基于颈部表面振动加速度的嗓音质量分类：与声门气流及辐射声的比较

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基于颈部表面振动加速度的嗓音质量分类：与声门气流及辐射声的比较

原文题名：Classification of Voice Quality Using Neck-Surface Acceleration: Comparison With Glottal Flow and Radiated Sound

发表年份：2025

作者：马尔钦·弗沃达尔恰克；博格丹·卢杜桑；约翰·松德贝里；马蒂亚斯·赫尔德纳

刊源：Journal of Voice

DOI 10.1016/j.jvoice.2022.06.034

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摘要 · 中文整理：本研究旨在考察从贴附于声门以下气管壁体表的微型加速度计所提取的特征，对发声类型分类的有用性，并将加速度特征的表现与逆滤波信号和辐射声信号所得特征进行比较。研究录制了五名受过训练的歌手（两名女性、三名男性）在中性声、气息声与挤压声三种嗓音质量以及由受试者自行确定的三个音高水平下发出的音节 [pæ:]。三类信号所提取的特征分别用随机森林分类器进行发声类型分类。结果显示三类信号的分类错误率相近；嗓音源参数（AQ、NAQ、L1-L2、CQ）沿气息声—中性声—挤压声连续统呈单调变化，且少量特征（HRF、L1-L2、CPPS、声级）在分类中系统性地起重要作用。结果表明，加速度信号对发声类型的判别能力与麦克风信号相当，尽管其受声道影响较小，但并未带来明显的额外优势。

原文摘要：The aim of the study was to investigate the usefulness of features extracted from miniature accelerometers attached to speaker's tracheal wall below the glottis for classification of phonation type. The performance of the accelerometer features was evaluated relative to features obtained from inverse filtered and radiated sound. Five trained singers (two females and three males) were recorded producing the syllable [pæ:] in three voice qualities (neutral, breathy and pressed) and at three pitch levels as determined by the participants' personal preference. Features extracted from the three signals were used for classification of phonation type using a random forest classifier. Comparable classification error rates were obtained for all three signal types. Voice source parameters (AQ, NAQ, L1L2, CQ) showed monotonic variation along the breathy - neutral - pressed continuum, and a small set of features (HRF, L1L2, CPPS, sound level) was systematically important for classification. The results indicate that the accelerometer signal discriminates between phonation types comparably to the microphone signal, and that it offers no clear additional advantage despite being less contaminated by the vocal tract.

关键词：加速度计、声信号、嗓音源、发声类型、分类

研究目标：解决的问题是：在无法直接获取声门声源信号的条件下，贴附于颈部（声门下气管壁）的微型加速度计所记录的振动信号，能否替代需要面罩和逆滤波才能获得的声门气流信号，用于中性声、气声、挤压声三种发声类型的自动分类；并进一步回答加速度信号因基本不受声道共振污染，是否比普通麦克风采集的辐射声信号更接近真实声源、从而带来分类性能上的优势。

主要结论：三路信号（声门气流、颈部加速度、辐射声）在发声类型分类上的错误率大体相当，加速度信号与麦克风信号的分类准确率都接近以逆滤波声源为基准的水平；换言之，尽管加速度信号在理论上不受声道共振污染，但在实际的发声类型区分任务中并未表现出优于普通麦克风信号的优势。此外，HRF、L1L2、CPPS 等特征在加速度信号与声信号中均随气声—中性声—挤压声连续统单调变化，可作为可解释的嗓音音质指标；但不同受试者之间的整体分类表现与特征重要度排序差异显著，提示发声类型的声学表现具有较强的个体特异性。

创新点：创新点在于：首次在同一批受试者、同一批发音任务上，把颈部表面加速度信号、逆滤波声门气流信号与辐射声信号三者置于统一的特征集合与统一的机器学习框架（随机森林）下做并列比较，从而直接检验了“加速度信号更接近声源、因此应更适合音质分类”这一长期假设；实验设计上借助以 /p/ 起首的音节，并用 PG-60 声门下压力监测仪同步记录闭塞段口腔内压，使发声类型的空气动力学条件可被同步监控，保证了三种音质确实在受控的声门下压力条件下产生；结论上给出了否定性但有价值的发现，即加速度计在该任务上并不优于普通麦克风。

后续建议：扩大受试者样本量并纳入未受过声乐训练者与嗓音疾患人群，检验结论在非歌手群体中的推广性；系统考察加速度计贴附位置、贴附压力与颈部组织厚度对特征稳定性的影响，建立位置标准化流程；把 PG-60 记录的声门下压力作为显式协变量或输入特征纳入分类模型，考察空气动力学信息能否进一步提升分类性能；引入说话人自适应或说话人归一化方法，缓解特征重要度与分类表现的个体间差异；把该方案迁移到连续言语和长时便携监测场景，验证其在日常嗓音负荷监测中的可用性

APA 引文：Włodarczak, M., Ludusan, B., Sundberg, J., & Heldner, M. (2025). Classification of voice quality using neck-surface acceleration: Comparison with glottal flow and radiated sound. Journal of Voice, 39(1), 10-24. https://doi.org/10.1016/j.jvoice.2022.06.034

仪器引用：The tube was connected to the Subglottal Pressure Monitor PG-60 (Glottal Enterprises), routed to a separate channel of the recording unit.

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