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这里先提出一个音高控制(Vocal Pitch Control)模型：反馈模型[1]。下图是典型工程控制系统反馈模型。
我们人类的很多控制能力，也可以套用该模型[2-3]。比如伸手去拿杯子，参照(Reference)物便是杯子所在的位置，它是静态的。人脑(Controller)发出控制指令，手臂等系统(System)做出动作(System output)，在动作的过程中，人眼(Sensor)会测量手臂与杯子之间的距离及相对方位(Measured output)，反馈给大脑做出反应以控制下一步的运动动作和方向。
发声的音高控制情况要稍微复杂一些，以给出一个连续的音高(在钢琴上不断弹出A音，A=440Hz)，人唱出对应的音高(A)这种最简单的情况为例。参考(Reference)是钢琴发出的A音，大脑(Controller)控制人发生，声带口腔等(System)做出动作发声(System output)，人耳(Sensor)听到发出的声音，根据与钢琴A音的误差(Measured output)，大脑做出调整，以使发出的声音更准确，减少误差。在实际情况中，这个调整过程可能非常短，在人意识到之前就完成了。经过训练的人，甚至可以不需要参考，就能发出准确的声音(绝对音高)。
既然考虑控制系统模型，就不得不考虑其控制效果的好坏，典型的有三种情况：
A, 收敛，有残差；即输出保持稳定，但跟需要的值有一定距离
B, 收敛，无产差；即输出保持稳定，跟需要的值差距可以忽略
C, 不收敛(震荡，甚至发散)。
上面的A和C都是我们不希望看到的情况，B是我们希望的，而且可以进一步的通过各种参数衡量B情况下控制效果的好坏：
上图中，显然B1是最优的情况，它具备三个特征：快速反应，小的振荡/甚至不振荡，快速收敛。一般人在儿童时期经过训练，音高控制能力能不断的增强，长大到7岁左右，该能力便基本不再增长[4-5]。所以声乐能力的锻炼要从幼儿时期抓起，不然以后便不可挽回了。你或许注意到，不管控制系统如何优化，残差总是有一点的，只是有些情况下它太小了，到了我们意识不到的程度或者不影响系统控制效果的程度，我们便认为不存在残差。对应音高控制的情况，实际上基本不存在能完美发出一个音的人，经过训练的声乐专业人员，也会有一点误差，而绝大多数人已经觉察不出来了。经过幼儿时期之后，虽然音高控制能力(vocal accuracy)不再增长，但是音高识别能力(pitch concepts)可以明显的通过训练增强(参考一个音，听到另一个音/和弦，说出音名/和弦名；相对音高)，这便是反馈回路(Sensor)的灵敏度增加[6-7]。
然后我们来考虑系统失效的情况（A, 收敛，有残差； C, 不收敛）。处在A或者C状态的人，我们统称为Poor Pitch Singers(PPS, 五音不全者)[8]，也就是唱歌跑调。原因可以简单划分为音高感知(Sensor, Control)系统异常和发声系统(system)异常。
发声系统异常即声带，肌肉等控制异常，机理上比较简单，一般是由于发声机构有不可避免的震动，比如震颤(Tremor), 抽动秽语综合症(Tourette Syndrome, TS), 帕金森综合症(Parkinson’s Disease, PD)，情况表现为C，即唱出的音高不断在想要的音高附近振荡，这样的人在说话时也会声带震颤。
音高感知异常，即人脑对音高认知混乱，意识不到自己唱出的音高跟想要的音高之间的相对情况/差距(表现为A)。失乐症(amusia)便是一种典型情况。人脑的音乐感知跟声音感知在很大程度上是相联系的，两种任务在ERP上的表现类似[9]：
上图中黑色线是处理语言的ERP，红色线是处理音乐时的ERP，可见二者相关性很高。
但是仔细探究又有细微的不同，通过fMRI分析，人脑的听觉皮层区域，似乎有一个音乐中枢[10]：
虽然和其他特征的声音处理相关区域位置临近，甚至有很多重合，但是还是可以把他们区分开来。通过给人听不同的音高，观察大脑内激活的区域，人们可以绘制出脑皮层的音高敏感拓扑结构，称为Tonotopy (听觉频率拓扑)[11]，正常情况下，该拓扑结构是非常规律的：
但是如果音高感知能力异常，该结构便不再规律，而且脑皮层在处理音乐时会放电异常[12]：
易于理解的，如果“音乐中枢”受到损伤，比如中风等，失乐症就不可避免了[13]。
既然人脑的音乐处理和语言处理有很大相关性，为什么失语症人群说话不受影响呢，说话时候可是要有语调的（疑问，感叹），这类似于唱歌。不妨来分别考察一下说话时和唱歌时语调的情况：
上图上一栏是以疑问语气说出‘She forgot her book’时语调的情况，下图是唱’Happy birthday to you’的情况，可以看到，说话时候语调是非常分散的，而唱歌时语调则比较连续。说话时分散的语调对”在调”的要求比较低，这样就听不出语调的异样了。但是像中文，泰语和越南语这种对语调连续性要求比较高的语言，失乐症患者说话语调异常情况可能比说英文时要严重一些。仔细听他们说话，还是能觉出一点异常的。
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[1] Desoer, C. A., et al. “Feedback system design: the fractional representation approach to analysis and synthesis.” Automatic Control, IEEE Transactions on25.3 (1980): 399-412.
[2] Ashby, W. Ross. “Design for a brain.” (1952).
[3] Fex, Jörgen. “Auditory activity in centrifugal and centripetal cochlear fibres in cat. A study of a feedback system.” Acta Physiologica Scandinavica. Supplementum 189 (1962): 1.
[4] Buckton, Roger. “A comparison of the effects of vocal and instrumental instruction on the development of melodic and vocal abilities in young children.”Psychology of Music (1977).
[5] Brandt, Anthony, Molly Gebrian, and L. Robert Slevc. “Music and early language acquisition.” Frontiers in psychology 3 (2012).
[6] Welch, Graham F. “A developmental view of children’s singing.” British Journal of Music Education 3.03 (1986): 295-303.
[7] Kim, Jinyoung. “Children’s pitch matching, vocal range, and developmentally appropriate practice.” Journal of Research in Childhood Education 14.2 (2000): 152-160.
[8] Welch, Graham F. “A schema theory of how children learn to sing in tune.”Psychology of music 13.1 (1985): 3-18.
[9] Patel, Aniruddh D. “Language, music, syntax and the brain.” Nature neuroscience 6.7 (2003): 674-681.
[10] Stewart, Lauren, et al. “Music and the brain: disorders of musical listening.”Brain 129.10 (2006): 2533-2553.
[11] Da Costa, Sandra, et al. “Tuning in to sound: frequency-selective attentional filter in human primary auditory cortex.” The Journal of Neuroscience 33.5 (2013): 1858-1863.
[12] Peretz, Isabelle, Elvira Brattico, and Mari Tervaniemi. “Abnormal electrical brain responses to pitch in congenital amusia.” Annals of neurology 58.3 (2005): 478-482.
[13] Murayama, Junko, et al. “Impaired pitch production and preserved rhythm production in a right brain-damaged patient with amusia.” Brain and Cognition56.1 (2004): 36-42.
[14] Peretz, Isabelle, and Krista L. Hyde. “What is specific to music processing? Insights from congenital amusia.” Trends in cognitive sciences 7.8 (2003): 362-367.
来源：知乎 www.zhihu.com
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