Хотя голосовая система человека невелика, она способна создавать разнообразные красивые звуки, похожие на те, что извлекаются на музыкальных инструментах.
У всех инструментов есть источник звука, резонатор, используемый для его усиления, и излучатель, доносящий звук до слушателей.
Источниками человеческого голоса являются вибрирующие голосовые складки в гортани, резонатор – это усиливающая звук полость над гортанью, а в роли излучателя выступает отверстие во рту.
Человеческий голос может создавать такой впечатляющий ряд звуков, так как он располагает нелинейным эффектом, при котором небольшое входное усилие приводит к поразительным результатам.
Голосовой системе человека не уделялось бы столько внимания, если бы изготовители инструментов не поместили их в один ряд с традиционными оркестровыми инструментами. Если судить по размеру, например, гортань и воздушный проход в ней могли бы быть поставлены в один ряд с флейтой пикколо, одним из самых небольших музыкальных инструментов. И, все-таки, искусные певцы могут состязаться один на один со всеми сделанными человеком инструментами, а иногда и с целыми оркестрами. Недавние исследования по поводу того, как певческий голос создает такой выдающийся диапазон звуков, выявили сложность поведения и взаимодействия элементов голосовой системы.
В течение более чем полвека, ученые объясняли способность человеческого голоса создавать песню, ссылаясь на, так называемую, линейную теорию речевой акустики, согласно которой источник звука и резонатор (усилитель) работают независимо.
В наши дни ученые поняли, что в этом случае имеет место нелинейное взаимодействие, это означает, что источник звука и резонатор подпитывают друг друга, и это играет неожиданно важнейшую роль в генерировании человеческого голоса. Такой подход сделал возможным объяснение того, как великие певцы производят такие удивительные звуки.
Обладая удивительной гибкостью, человеческий голос создает такие же богатые и сложные звуки, как и общеизвестные музыкальные инструменты, но ему не требуется столь много оборудования.
Структурные и оперативные недостатки человеческого голосового аппарата являются очевидными во всех его частях. Для производства звуков музыкальному инструменту необходимо три базовых компонента: источник звука, который вибрирует в воздухе, создавая частоту, которую мы воспринимаем как высоту, и частоту, воспринимаемую нами как тембр (звуковую окраску); один (или более) резонатор, который усиливает фундаментальную частоту, увеличивая силу вибрации; и излучающую поверхность или отверстие, которые передают звуковое колебание в свободное воздушное пространство и к уху слушателя.
В случае, скажем, трубы, вибрируют губы музыканта, в то время, как вытесняемый легкими воздух устремляется между губами в чашеобразный мундштук, создавая фундаментальную частоту и несколько побочных частот, которые называются обертонами. Металлические трубки инструмента служат резонаторами, а раструб горна излучает звуковые волны. Трубачи изменяют основную частоту различным напряжением губ и нажимая клапаны для изменения длины трубок. Или, если взять скрипку, то струны вибрируют, создавая звук определенной высоты, воздушная полость и деревянная оболочка служат резонаторами, а f-образные отверстия на верхней пластине помогают распространить звуки в окружающее пространство.
Певец же, с другой стороны, рассчитывает на вибрацию голосовых складок, а воздух, проходя через них, генерирует звук определенной частоты. Голосовые складки являются двумя небольшими пучками особой ткани, которые иногда называют «голосовыми связками», которые выступают в виде мешочков из стенок гортани. Они создают основную частоту, производя вибрацию, периодически соприкасаясь друг с другом. Голосовая щель (место между складками) открывается и закрывается. Гортанное преддверие, воздушный проход, как раз над гортанью, действует как мундштук трубы, продвигая звук в оставшуюся часть резонатора, известную как голосовой тракт. Губы излучают звуковые колебания в окружающий воздух, действуя как раструб горна.
Производители музыкальных инструментов, исследуя голосовые складки, которые вместе взятые не превышают ширину ногтя большого пальца, вряд ли скажут, что они пригодны для производства звука, которые извлекаются на оркестровых музыкальных инструментах. Кроме их небольшого размера, не в их пользу будет тот факт, что они кажутся слишком мягкими и пористыми, чтобы поддерживать вибрацию и создавать звуки различной высоты.
Тем не менее, природа как производитель биологических инструментов может выдвинуть свои аргументы. Хотя складки действительно невелики, воздушные пути создают резонанс достаточный, чтобы значительно усилить звук, исходящий из гортани. Но и здесь производителя музыкальных инструментов, возможно, будет трудно убедить, так как воздушная трубка у человека простирается на 15-20 см над гортанью и на 12-15 см ниже ее, что не больше длины пикколо. Остальная часть тела практически не участвует в производстве звука. Духовые инструменты, которые издают звуки близкие по высоте человеческому голосу (тромбоны, трубы, фаготы) обычно имеют намного более длинные трубки: у трубы их общая длина может составлять около двух метров, а у тромбона может достичь и трех.
Ранее ученые фонетисты объясняли работу человеческого голоса на основе линейного подхода, считая, что результат, полученный на выходе, пропорционален усилию, произведенному на входе (и поэтому может быть представлен как линия, например). Не так давно, исследователи пришли к выводу, что голосовая система человека ведет себя нелинейно. В такой системе небольшие изменения могут привести к непропорционально внушительному эффекту.
Чтобы понять, как природа создала такой эффективный музыкальный инструмент с использованием голосовых связок, сначала нужно рассмотреть некоторые стандартные требования к источникам звуков. Чтобы струна или пластина поддерживали вибрацию, необходимо, чтобы они были сделаны из подходящего эластичного материала и стремились вернуться в исходное положение при деформации.
Эластичность зависит и от жесткости, и от гибкости, и от натяжения: пластина колеблется при деформации от собственной жесткости, а струна вибрирует, когда она натянута. Обычно, жесткость или натяжение определяет частоту звука через отношение, выраженное квадратным корнем. Таким образом, чтобы сделать стальную струну заданной длины и удвоить ее частоту (поднять высоту звука на октаву), необходимо учетверить ее натяжение. Это достаточно строгое требование может ограничить диапазон частот, который может быть достигнут изменением жесткости или натяжения.
К счастью, музыкант может также изменять частоту колебаний источника звука, эффективно удлиняя или укорачивая вибрирующий элемент. В пределах вибрирующей струны, например, частоты, обратно пропорциональны длине сегмента. Прижимая при помощи пальца струну в разных местах, музыкант выбирает различные частоты. Если, например, длина струны укорачивается вдвое, а натяжение ее не меняется, то частота колебаний удваивается. Для извлечения широкого диапазона звуков различных частот, инструмент обычно оснащается множеством струн.
Струнные инструменты имеют три основных механизма для изменения частоты: изменение длины струны, регулирование ее натяжения или переход на другую струну. На струнных инструментах натяжение струн обычно регулируется при помощи поворачивания колков, вокруг которых наматываются концы струн; струна, натягиваясь между двумя концами, приобретает заданное натяжение. Музыканты почти никогда не могут манипулировать длиной и натяжением одновременно.
Напротив, играя на человеческих голосовых складках», певцы должны делать то, что невозможно делать на любом музыкальном инструменте: одновременно изменять и длину, и натяжение вибрирующего материала, создавая различную частоту колебаний. Вместо того, чтобы прижимать голосовую складку при помощи пальца, укорачивая ее длину, мы используем мышцы, чтобы сместить концы складок. Но следует ли нам удлинять или укорачивать голосовые складки, чтобы поднять частоту? Аргументы могут быть приведены в пользу любой из этих «настроек». Голосовые связки в удлиненном состоянии будут вибрировать с более низкой частотой, но если увеличить их натяжение, то частота повысится.
Физическая формула для вычисления частоты струны, закрепленной на обоих концах и находящейся в напряжении, показывает: чтобы получить максимальное увеличение частоты, необходимо максимально увеличить натяжение (точнее, растягивающее напряжение или напряжение на площадь поперечного сечения), сделав длину источника минимальной. Для этого необходим необычный материал, так как большинство материалов имеют свойство увеличивать натяжение только, когда они удлиняются. Представьте резиновую ленту – растяните ее, и она станет жестче. Таким образом, частоту можно изменять посредством изменения и длины источника звука, и его натяжения.
В отличие от струн скрипки, источник человеческого голоса – голосовые складки (или голосовые связки) в гортани – имеют сложную трехкомпонентную структуру, которая позволяет нам генерировать частоты с диапазоном в несколько октав. В центре каждой складки находится струнообразная связка (поперечный разрез). Внутри связки находятся сократительные мышцы. И покрывает все это очень эластичная слизистая оболочка.
Каждый компонент вносит свой вклад в особые возможности единого целого. Напряжение растяжения связки при удлинении резко повышается (при помощи мышц, которые сдвигают хрящи, прикрепленные к складкам), что помогает производить колебания более высоких частот. Мягкая и пластичная поверхность наружной оболочки, которая вибрирует наподобие флага на ветру, в то время как воздух из легких проходит мимо нее, передает энергию вибрации воздушному потоку, создавая звуковые волны.
Природа справилась с этими проблемами, создав голосовые складки при помощи трех материалов, которые, будучи собранными воедино, обладают особенностями, превосходящими свойства стандартных струн музыкальных инструментов. Одним из компонентов является связка, которая выглядит как струна, вот почему складки на английском языке имеют другое популярное название «шнуры» или «веревки». По результатам биомеханического теста ученые определили, что напряжение в этой связке возрастает нелинейно, когда она растягивается совсем немного; она может быть совершенно расслабленной и короткой или чрезвычайно напряженной и длинной. Ее удлинение, например, с 1 см лишь до 1,6 см, может поднять ее внутреннее напряжение на 30 единиц, что может привести к изменению коэффициента частоты до значения 5 к 1 (вспомните отношение на основе квадратного корня, упомянутое ранее). Но факт, что длина, увеличенная на 60%, понижает уровень вибрации, возвращая коэффициент частоты к соотношению 3 к 1, что в музыкальном выражении равняется полутора октавам. Большинство из нас говорит и поет в этом диапазоне частот, но некоторые певцы могут издавать звуки в диапазоне от четырех до пяти октав, что до сих пор с трудом поддается научному объяснению.
В сложном биологическом механизме участвует и второй фактор, который расширяет диапазон высот звуков, производимых голосовыми складками, включающий в действие материал, который увеличивает натяжение при укорачивании, а именно, мышечная ткань. Внутреннее сокращение мышечных волокон, может увеличивать напряженность между концами голосовых складок, даже если сама складка укорачивается. Около 90% объема голосовой складки составляет мышечная ткань. В основном, природа решила проблему высоты голоса, вырастив пучок струн в виде многослойного материала, у которого некоторые слои имеют сократительные функции, а другие нет. На как может такая сложная ткань находиться в вибрирующем состоянии, если она не может изгибаться или периодически оттягиваться, как струна, внутри гортани? Единственным источником энергии, способным деформировать складки и, таким образом, вызвать вибрацию, то есть так же, как ветер заставляет хлопать развевающийся флаг, является воздух, вытесняемый легкими. Только мышца и связка будут слишком жесткими, чтобы произвести такие вибрации при прохождении через них воздуха. Чтобы произошла необходимая вибрация, причиненная воздухом, необходимо мягкая и пластичная ткань, которая может отвечать на воздействие воздушного потока, генерируя волны похожие на те, что формируются на поверхности океана.
И, действительно, складки имеют третий слой, слизистую оболочку, которая облегает комбинацию мышцы со связкой, осуществляя функцию распространения энергии. Эта оболочка, которая состоит из очень тонкой кожи (эпителия) с находящейся под ней субстанции, в близком к жидкости состоянии, легко деформируется и может поддерживать, так называемые, поверхностные волны. Я и мои коллеги при помощи математического анализа показали, что эти волны, возбуждаемые воздушным потоком, поддерживают вибрацию. Вспучивающееся лентообразное движение часто придает ткани такой вид, будто она заворачивает свой низ кверху, именно отсюда произошло название «голосовая складка».
Как можно «перебрать» несколько октав на этой на этой системе, состоящей из трех частей, чтобы произвести звук определенной частоты? Только используя опыт и сноровку. Во время вокализации на заднем плане всегда случаются хаотические эффекты, так как множественные натуральные (свободно возбуждающиеся) частоты «состязаются» друг с другом. Это соревнование может привести к неожиданным скачкам высоты звука или к его огрублению.
|
Знаете ли вы? Люди думают, что практически все их тело участвует в производстве звуков, что делает его сравнимым по размеру с контрабасом. Но большая часть человеческого тела не вносит свой вклад в голос – ни грудь, ни спина, ни живот, ни ягодицы, ни ноги. Все звуки исходят из гортани и воздушных проходов. |
Для производства звуков низких высот от средней до большой громкости певец активирует мышцу голосовой складки и заставляет все ее слои вибрировать. Голосовые складки в этот момент короткие, и в основном высоту тона определяет напряжение мышцы. В этом случае и слизистая оболочка, и связка расслаблены, и они, в основном, служат для распространения поверхностных волн, необходимых для самоподдерживающихся колебаний. Чтобы при этих высотах понизить громкость звука, мышца не вибрирует и используется только для изменения длины складки. Частоту определяет эластичность оболочки и связки. Для создания высоких звуков певец удлиняет голосовую связку, а напрягается только связка, которая определяет частоту, в то время как слизистая оболочка переносит поверхностные волны.
Не трудно представить, что сложная система управления и иннервация мышц гортани требует точного регулирования этих напряжений, чтобы производить необходимые частоты и уровень громкости. Мышцы гортани, находящиеся за пределами голосовых складок, точно координируют изменения длины голосовой связки. Во время этих сложных манипуляций качество голоса может неожиданно измениться, и этот феномен известен как «регистровка». Это в значительной степени происходит из-за недостаточного или чрезмерного использования мышцы голосовой связки для регулирования напряжения. Певцы часто используют регистровку намеренно, чтобы донести до слушателя контрастные звуки, как в пении альпийских пастушеских песен (йодлей). Тем не менее, если певец непроизвольно или случайно меняет регистр, это может вызвать замешательство, так как такая ошибка предполагает недостаток контроля над голосовым инструментом.
Певцы используют нелинейный процесс самовозбуждения в преддверии гортани (воздушный проход над гортанью), чтобы резонировать (усиливать) звуки, создаваемые голосовыми складками. Этот процесс, называемый инертным сопротивлением, происходит, когда певцы создают в преддверии «особые условия», чтобы обеспечить точно рассчитанный дополнительный «толчок» каждому циклическому открыванию и закрыванию складок, что усиливает их вибрацию и создает сильные звуковые волны. Толчок происходит в тот момент, когда продвижение столба воздуха через преддверие запаздывает по отношению к движению голосовых складок.
Действуя как трубчатый резонатор, для лучшего создания определенных высот голоса и резонансных обертонов голосовой тракт принимает определенные формы.
У музыкальных инструментов резонатор по большей части определяет общий размер, но певцам приходится иметь дело с резонатором объемом с половину литра. Тем не менее, резонатор человека работает весьма эффективно, несмотря на ограниченные размеры.
 |
|
Госпожа Джоан Сазерленд знала на уровне инстинкта, что при взятии определенных нот не могут использоваться некоторые звуки. Эта австралийская певица сопрано изменила некоторые гласные звуки в словах ее оперных текстов (изменяя некоторые из них до неузнаваемости), чтобы они лучше соответствовали необходимой высоте. |
У музыкальных инструментов планки, пластины, трубки или рожки обычно действуют, чтобы усилить колебания, которые производит источник звука. У скрипки, например, струны проходят через нижний порожек, который соединен с верхней пластиной, которая была подобрана так, чтобы вибрировать в ответ на колебания струн с той же частотой, которую они имеют, и усиливать звуки. Воздушная масса между верхней и нижней пластиной также колеблется с теми же частотами, что и струны. У многих медных и деревянных музыкальных инструментов рожок (со своими клапанами) сконструирован, чтобы сочетаться со многими со многими источниками частот, с какой высотой они бы не извлекались.
Так как физические законы гласят, что все устойчивые (постоянные) звуки составлены из частот источника, которые распределены гармонически, и это означает, что частоты источников звуков имеют свои целые кратные (2:1, 3:1, 4:1, . . . ) основной частоте, резонатор часто должен быть больших размеров, чтобы быть способным вместить в себя такой широкий диапазон частот. Этот физический закон предопределяет длину трубок трубы (от 1,2 до 2х метров), тромбона – от 3х до 9 метров, а у валторны длина трубок достигает от 3,7 до 5,2 метра.
А вот на размеры певческого резонатора природа поскупилась. Полная длина воздушного прохода над голосовыми складками составляет только 17 см. Самая низкая частота, которая может быть усилена, равняется 500Гц – в половине случаев, когда поются определенные звуки, такие как /у/ или /и/. Так как голосовой тракт является резонансной трубкой, один из концов которой практически закрыт, его резонансные частоты включают только нечетные целые кратные (1, 3, 5, . . . ) низшей резонансной частоты. Поэтому такая короткая трубка может усиливать одновременно только нечетные гармонические колебания кратные частоте источника 500Гц (50 Гц, 1500Гц, 3500Гц , . . . ). И так как голосовой не может изменять длину при помощи клапанов (кроме того, как при помощи выпячивания губ, или опускания гортани), наш резонатор, казалось бы, обречен на малую функциональность.
Усиление звука в короткой трубке
Недавние исследования показали, что на помощь здесь приходит нелинейный эффект. На этот раз представим нелинейное взаимодействие между элементами системы. Вместо того, чтобы усиливать гармонические колебания при помощи резонанса (что случается, например, в органных трубках различного размера, каждая из которых резонирует определенное гармоническое колебание), наш короткий голосовой тракт усиливает целую группу гармонических колебаний одновременно, используя процесс возврата энергии. Голосовой тракт может сохранять акустическую энергию в одной из фаз цикла колебаний и возвращать его источнику в другое более подходящее время. Другими словами, голосовой тракт дает «толчок» каждому циклу колебаний, чтобы увеличить амплитуду вибрации источника. По аналогии с раскачиванием кого-либо на качелях, этот циклический импульс напоминает хорошо рассчитанный толчок для увеличения размаха маятниковых колебаний.
 |
|
Итальянский тенор Лучано Паваротти, прославившийся красотой и великолепием своего тона, производил богатый резонанс в своем голосе, точно настраивая нелинейную инертную реактивную реакцию в своем горле. |
Идеальное время для толчка подходит, когда движение воздушного столба в трубе задерживается в соответствии с движением голосовых складок. Ученые говорят, что столб воздуха имеет инертное реактивное сопротивление (медленный или инертный ответ на приложенное давление). Инертное реактивное сопротивление помогает поддерживать вызванные потоком воздуха колебания голосовых складок в значительной степени.
Когда в начале цикла колебаний голосовые складки начинают расходиться, воздух легких устремляется в голосовую щель и начинает давить на неподвижный столб воздуха, расположенный сразу над преддверием гортани. Давление внутри голосовой щели и над ней ускоряет движение потока воздуха вверх, позволяя новой массе воздуха заполнить пространство сзади. Повышение давления раздвигает складки еще больше. Когда упругая отдача отбрасывает складки от стенок от стенок и закрывает голосовую щель, поток воздуха через нее прекращается. Тем не менее, по инерции столб воздуха продолжает двигаться вверх, оставляя в голосовой щели и над ней частичный вакуум, при этом голосовые складки прижимаются друг к другу еще сильнее. Таким образом, как и при хорошо рассчитанном толчке для увеличения размаха движения детских качелей, инертное реактивное сопротивление воздуха в голосовом тракте увеличивает амплитуду каждого колебательного движения, оказывая попеременное подталкивающее и оттягивающее движение.
Однако, голосовой тракт ведет себя в автоматически инерционном режиме не во всех формах. Задачей певца является корректирование формы голосового тракта (тщательно подбирая подходящие певческие гласные), чтобы инертное реактивное сопротивление поддерживалось в большей части диапазона высот, что является нелегкой задачей.
Рот в форме мегафона
Различные стили пения рассчитаны на использование разных форм голосового тракта с оптимальным использованием инертного реактивного сопротивления. Например, при производстве английского гласного звука /æ / (как в слове “mad”), голосовой тракт принимает форму мегафона. Голосовая щель сужается, но рот одновременно с этим расширяется. Певцы мужчины могут использовать инертное реактивное сопротивление при частоте 800 - 900Гц, а у певиц этот показатель на 20% выше. По крайней мере, два источника гармонических колебаний может достигнуть инертного реактивного сопротивления для достаточно высоких звуков, а для низких тонов появляется еще несколько. Этот факт означает, что одной из стратегий получения высоких звуков является как можно более широкое открывание рта. Когда голосовой тракт принимает форму мегафона, он приближается по конфигурации к обрезанной трубе (без изогнутых трубок и клапанов, но с мундштуком и раструбом).
Альтернативным подходом к усилению вибрации голосовых складок является принятие голосовым трактом, так называемой, формы «перевернутого мегафона». В этом случае преддверие гортани, служащее «мундштуком» становится узким, глотка (часть горла расположенная сразу же за ротовой и назальной полостью) расширяется, насколько это возможно, а выходное отверстие изо рта сужается. Эта конфигурация помогает спеть звук /у/. Техника «перевернутого мегафона» идеальна для классических исполнительниц, которые поют в средней части своего звукового регистра и мужчин, которые хотят спеть звуки из верхней части собственного регистра. Обучение классическому пению включает поиски путей использования большего диапазона из певческого регистра, в котором можно применять инертную реактивную реакцию для источника частот, при всех высотах и при исполнении различных гласных звуков. Обучение также включает получение «звона» в голосе, что достигается сочетанием узкого преддверия и широкой глотки. Учителя певцов используют термины «покрывание» голоса или «опрокидывание» его, чтобы описать процесс выбора нужного звука для нужной высоты, который позволит использовать инертную реактивную реакцию для большинства частот колебаний источника.
Стили пения основаны на том, что может предложить человеческая анатомия, чтобы природный акустический инструмент стал эффективным. Исследователи, изучающие элементы человеческой голосовой системы и неожиданные обороты в ее функционировании, накопили факты, которые привели к большему пониманию того, как певцы достигают больших высот в искусстве. И ученые, и певцы, несомненно, получат большую пользу от сотрудничества в изучении проблемы.
