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本研究通过一项探索性试验，评估了语音韵律（speech prosody）作为压力评估生物信号的有效性。研究比较了两种20分钟的干预措施——振动声学刺激（vibroacoustic intervention）和引导式正念冥想（guided mindfulness meditation），并与对照组（control）在朗读任务前后的语音声学-韵律参数变化。多参数分析显示，两种干预组的参与者在干预后说话声音更“呼吸感”（breathier），而对照组的声音则更紧绷、音量更低且变化更小。结果表明，语音韵律是一种可用于评估放松干预效果的敏感生物标志物，为开发非侵入性压力监测工具提供了新视角。
引言：压力、健康与语音生物标志物
全球范围内的高压力和低幸福感持续加剧，对个人、社会和经济构成严重威胁，特别是大学生群体被视为高风险人群。压力引发的生理和心理问题日益普遍，开发非侵入性的压力缓解与评估工具需求迫切。本探索性研究旨在评估语音韵律作为一种生物信号，在压力诱发和评估中的效用，并比较两种放松干预与对照组的效果。
语音韵律指的是言语的旋律和节奏。其参数可被有意识或无意识地调节，是反映生理和心理网络状态的准确、无偏见的标记物。作为一种高度敏感的生物标志物，语音韵律可用于无创地量化生理网络的变化。大量研究表明，语音韵律对心理和生理压力高度敏感。在心理压力下，说话者的基频（fundamental frequency, f0，即感知音高的主要声学关联物）均值通常会升高，音高变异性在某些情境下增大，语调轮廓发生改变。在身体负荷下，说话者同样会表现出f0升高、声强增加、发音速率减慢、声音质量改变（如更紧绷）等适应性变化。这些变化源于压力对参与言语产生的复杂肌肉系统（包括喉部肌肉和呼吸肌肉）的影响，导致肌肉张力过高（hypertonicity），进而在声学上表现为音高、音质、语速和不流畅性的改变。正因语音模式对压力敏感，它们也成为检测和评估压力程度的有效生物信号，机器学习模型利用声学-韵律特征集在压力检测中已能达到较高的准确率。
基于此前研究发现45分钟的振动声学干预足以提升幸福感和减轻压力，本研究旨在采取逐步探索的方法，缩短干预时间，评估20分钟的暴露是否仍能引发语音压力标志物的可测量变化。研究假设，与对照组相比，20分钟的干预后，参与者的语调、发声努力度和响度等语音参数将反映出生理和心理放松及压力减轻的变化，具体表现为更低的音高水平、更平坦的语调轮廓、更低的响度、更低的发声努力度以及更放松（呼吸感更强）的音质。
材料与方法
2.1 材料
2.1.1 振动声学技术
振动声学技术是一种结合可听声音与同步触觉振动的硬件装置，形式多样，如椅子、床、桌子等。其术语多样，用途广泛，包括减轻疼痛、提升自我意识、促进放松、减轻抑郁症状等。该技术可通过降低交感神经系统活动来减少生理压力。本研究使用的设备是“The Viboard 3.0”振动声学模块，其内置触觉传感器扬声器，可产生可听-触觉声音。为干预设计的特定音景包含自然声音的现场录音（鸟鸣、虫鸣、流水声）以及常用于声音浴的乐器（如种子摇铃、音叉、马铃摇铃、弱音康加鼓）和电子乐器。音轨中整合了未经调制的40赫兹脉冲频率，因为40赫兹被证明在振动声学研究中最为有效，它与大脑伽马波的振荡频率一致，与情绪、唤醒、注意力等多种皮质过程相关。
2.1.2 冥想
冥想是一种支持放松和减压的认知练习，强调非评判性的自我反思。本研究使用的是由健康从业者Shamash Alidina叙述的引导式正念冥想，引导参与者将注意力集中在身体感受上，并伴有40赫兹至550赫兹的电子弦乐谐波作为背景音乐。冥想通过增加副交感神经系统活动来影响迷走神经张力，从而引发生理放松反应。大量研究表明，正念冥想能有效增加生理和心理放松，减轻压力。
2.2 方法
2.2.1 流程
30名年龄在27-50岁之间的参与者自愿参加了这项研究。研究采用处理前-处理后实验设计，包含三个阶段：处理前朗读（BEF）、放松处理（RELX-）和处理后朗读（AFT）。参与者被随机分为三组：振动声学干预组（RELX-VBRO）、引导式正念冥想组（RELX-MEDI）和无刺激对照组（RELX-CONT）。所有参与者在BEF和AFT阶段朗读相同的文本——《彩虹段落》（The Rainbow Passage），这是一段语音平衡且能引发一定情感色彩的英文文本。每次朗读任务时长约2分钟，中间的放松处理阶段统一为20分钟。在整个20分钟的RELX阶段，所有参与者均以仰卧位躺在振动声学模块上（非使用时关闭），闭眼，并佩戴降噪耳机。实验在柔和的灯光下进行，研究者和参与者之间设有隔板以减少暗示效应。
2.2.2 语音韵律分析
对BEF和AFT的录音进行声学-韵律多参数分析。分析的韵律特征包括：基频（f0）的最小值、最大值、范围、变异性和水平（单位：赫兹）；无声停顿的总数和平均持续时间；以每秒音节数计算的语速；以及以信号均方根（RMS, dB SPL）衡量的响度水平和变异性。为了评估发声努力度和音质，还测量了低共振峰频率水平F1、F2、F3（单位：赫兹），以及频谱斜率估计值H1-H2、H1-A1、H1-A2和H1-A3的水平和变异性。其中，共振峰频率和频谱斜率估计值对发声努力度高度敏感：发声努力度增加通常导致F1上移，频谱斜率减小（即H1-H2等值降低），表明声音更“压迫感”或更紧绷；反之，频谱斜率值增大则与更“呼吸感”的声音相关。本研究侧重于分析每位参与者从BEF到AFT的组内差异值，以最小化个体间变异性的影响，并采用多元方差分析（MANOVA）比较三组间的差异。
结果
统计分析显示，处理（Treatment）对三个声音维度产生了显著或边缘显著的影响：语调（F[2,30] = 4.77, p = 0.02, ηp2= 0.24）、发声努力水平（F[2,30] = 2.33, p = 0.1, ηp2= 0.13）、以及响度水平与变异（F[2,30] = 3.25, p = 0.05, ηp2= 0.18; F[2,30] = 3.10, p = 0.06, ηp2= 0.17）。
3.1 语调结果
在语调维度，对照组（CONT）的f0最小值从BEF到AFT的下降幅度（差值）显著大于振动声学组（VBRO）和冥想组（MEDI）。这意味着对照组在AFT阶段说话的音高最低点显著降低了，即声音变得更低沉。同时，对照组的f0范围（音高波动范围）在AFT阶段显著增大，而两个干预组的f0范围变化则接近于零。
3.2 发声努力度结果
在发声努力度维度，对照组在AFT阶段的频谱斜率估计值（如H1-A2, H1-A3）较BEF显著减小（差值为正且较大）。由于频谱斜率减小与声音更紧绷、发声努力度更大相关，这表明对照组参与者在干预后声音变得更紧绷、更费力。相比之下，振动声学组和冥想组则抵抗了这种发声努力度的增加，其AFT阶段的声音保持相对更“呼吸感”（频谱斜率减小幅度小，与基线接近）。
3.3 响度结果
在响度方面，对照组参与者在AFT阶段的说话响度（RMS水平）比BEF阶段降低了约4-5分贝，即声音变得更轻柔。而振动声学组和冥想组在干预后的响度则保持得显著更大。此外，所有组的响度变异性（RMS标准差）在AFT阶段均有所减小（声音响度更一致），但这种减小效应在对照组中比在两个干预组中更为显著。
讨论
本研究假设的五个预期变化（更低的音高、更平坦的语调、更低的响度、更低的发声努力度、更呼吸感的音质）并未得到完全证实，仅部分获得支持。唯一得到一致支持且符合假设方向的是声音质量的变化：振动声学组和冥想组在干预后表现出更“呼吸感”的嗓音音质。然而，最具特征性和一致的韵律变化反而出现在对照组中。对照组参与者在干预后表现出音高水平显著降低、音高变异性增加、响度降低、同时声音更紧绷的复合模式。
这种音高降低、响度减弱与嗓音紧绷并存的矛盾现象可能有两种解释。其一可能是心理/认知压力的情绪抑制：尽管躺卧休息可能带来生理上的平静，但 anticipation 实验任务或在休息后被迫进行朗读任务可能诱发认知压力，激活交感神经系统，导致喉部肌肉不自主的过度收缩（超功能模式），从而使声带更紧、更长时间地闭合，产生更紧绷、更压迫的嗓音音质。这种压力诱发的喉部收紧与通常因大声说话或体力消耗导致的“发声努力度”在性质上不同，它可以与降低的音高和强度同时发生。其二可能是心智疲劳与补偿性努力的结合：20分钟的无事可做可能导致疲劳，而为了完成朗读任务，参与者可能做出了补偿性努力，但由于呼吸支持不足，导致整体响度下降，声音缺乏活力，即出现了“韵律侵蚀效应”。
重要的是，振动声学组和冥想组在大多数韵律参数上变化的方向与对照组相似，但变化的幅度显著更小。这意味着，这两种干预措施更多地是帮助参与者在干预后保持了与干预前接近的言语韵律表现，而非引发一个全新的、“深度放松”的语音模式。换句话说，与对照组相比，VBRO和MEDI处理减轻了可能由心理压力或疲劳导致的韵律性能下降。有先前研究指出，振动声学处理对使用者产生的更多是刺激和聚焦效果，而非单纯的放松和催眠效果，这与本研究中干预组参与者韵律变化较小的发现可能相符。
综上所述，本研究结果表明，20分钟的振动声学刺激或正念冥想干预不足以引发广泛、系统的、符合典型“放松”预期的韵律特征变化，但能特异性地促使嗓音音质向更“呼吸感”的方向转变，并有效抑制因单纯休息可能产生的、与压力或疲劳相关的韵律性能下降。语音韵律被证实是检测治疗效应变化的敏感生物标志物。然而，由于样本量较小等限制，本研究结论是探索性的。未来的研究需要更大样本，并结合问卷、自我报告及其他生理信号（如心率变异性HRV、脑电图EEG）进行多角度验证，同时应探索更长的干预时间（如30分钟或以上），以更清晰地捕捉不同干预措施对压力缓解的差异性效应，并优化非侵入性压力监测与分类生物识别技术的发展。
