Акустические свойства голоса

1. Акустические  свойства голоса

 
Человеческий голос складывается из совокупности разнообразных по своим характеристикам звуков, образующихся при участии голосового аппарата. Источником голоса является гортань с колеблющимися голосовыми складками. Расстояние между голосовыми складками принято называть «голосовой щелью». При вдохе голосовая щель полностью раскрыта и приобретает форму треугольника с острым углом у щитовидного хряща (рис. 1). В фазе выдоха голосовые складки несколько сближаются, однако при этом не замыкают полностью просвет гортани. 
 
В момент фонации, т. е. воспроизведения звука, голосовые складки начинают колебаться, пропуская порции воздуха из легких. При обычном осмотре они кажутся сомкнутыми, так как глаз не улавливает скорости колебательных движений (рис. 2). 
 
При продуцировании шепота голосовые складки раскрыты, не колеблются, а выходящий из легких воздух встречает сопротивление органов артикуляции в виде щелей и смычек, что вызывает специфический шум. 
 
 
Человеческий голос, его акустические свойства, механизмы его порождения изучают самые различные науки — физиология, фонетика, фониатрия, логопедия и др. Поскольку голосовой феномен — явление не только физиологическое, но и физическое, он становится предметом изучения такого раздела физики, как акустика, которая дает четкие характеристики каждого воспроизведенного звука. Согласно акустике, звуком считается распространение колебаний в упругой среде. Человек и говорит, и поет в воздушной среде, поэтому звук голоса — это колебание частиц воздуха, распространяющихся в виде волн сгущения и разрежения, как волны на воде, со скоростью 340 м/с при температуре +18°С. 
 
Среди окружающих нас звуков различаются тоновые звуки и шумы. Первые порождаются периодическими колебаниями источника звука с определенной частотой. Периодичность колебаний создает в нашем слуховом органе ощущение высоты звука. Шумы появляются при беспорядочных колебаниях различной физической природы. 
 
В голосовом аппарате человека возникают и тоновые, и шумовые звуки. Все гласные имеют тоновой характер, а глухие согласные — шумовой. Чем чаще совершаются периодические колебания, тем выше воспринимаемый нами звук. Таким образом, высота звука — это субъективное восприятие органом слуха частоты колебательных движений. Качество высоты звука зависит от частоты колебаний голосовых складок в 1 с. Сколько смыканий и размыканий голосовые складки осуществляют в процессе своих колебаний и сколько порций сгущенного подскладочного воздуха они пропускают, таковой оказывается и частота рожденного звука, т. е. высота тона. Частота основного тона измеряется в герцах и может в обычной разговорной речи у мужчин изменяться в пределах от 85 до 200 Гц, а у женщин — от 160 до 340 Гц. 
 
Изменение высоты основного тона создает выразительность речи. Одной из составляющих интонации является мелодика — относительные изменения высоты основного тона звуков. Речь человека весьма богата сменами мелодического рисунка: повествовательным предложениям свойственно понижение тона в конце; вопросительная интонация достигается значительным повышением основного тона на слове, содержащем вопрос. Основной тон всегда повышается на ударном слоге. Отсутствие заметной, меняющейся мелодики речи делает ее маловыразительной и обычно свидетельствует о какой-либо патологии. 
 
Для характеристики нормального голоса существует такое понятие, как тоновой диапазон — объем голоса — возможность продуцировать звуки в определенных пределах от самого низкого тона до самого высокого. Это свойство для каждого человека индивидуально. Тоновой диапазон разговорного голоса у женщин находится в пределах одной октавы, у мужчин чуть меньше, т.е. изменение основного тона при разговоре в зависимости от его эмоциональной окраски колеблется в пределах 100 Гц. Тоновой диапазон певческого голоса значительно шире — певец обязательно должен владеть голосом в две октавы. Известны певцы, у которых диапазон достигает четырех и пяти октав: они могут брать звуки от 43 Гц — самые низкие голоса — до 2 300 Гц — высокие голоса. 
 
Сила голоса, его мощность, зависит от интенсивности амплитуды колебаний голосовых складок и измеряется в децибелах, чем больше амплитуда этих колебаний, тем голос сильнее. Однако в большей степени это зависит от подскладочного давления воздуха, выдыхаемого из легких в момент фонации. Вот почему, если человек собирается громко крикнуть, он предварительно делает вдох. Сила голоса зависит не только от количества воздуха в легких, но и от умения расходовать выдыхаемый воздух, поддерживая постоянное подскладочное давление. Обычный разговорный голос, по данным разных авторов, составляет от 40 до 70 дБ. Голос певцов имеет 90—110 дБ, а иногда достигает 120 дБ — силы шума авиационного мотора. Слух человека обладает адаптационными возможностями. Мы можем слышать тихие звуки на фоне сильного шума или, очутившись в шумном помещении, сначала ничего не различаем, затем привыкаем и начинаем слышать разговорную речь. Однако и при адаптационных возможностях человеческого слуха сильные звуки небезразличны для организма: при 130 дБ наступает болевой порог, 150 дБ — непереносимость, а сила звука в 180 дБ для человека смертельна. 
 
Особое значение в характеристике силы голоса приобретает динамический диапазон — максимальная разница между звуком самым тихим (piano) и самым громким (forte). Большой динамический диапазон (до 30 дБ) — необходимое условие для профессиональных певцов, но он важен в разговорном голосе и для педагогов, так как придает речи большую выразительность. 
 
При нарушении координационных взаимоотношений между натяжением голосовых складок и воздушным давлением происходит потеря силы голоса и изменение его тембра. 
 
Тембр звука является существенной характеристикой голоса. По этому его качеству мы узнаем знакомых людей, известных певцов, еще не видя их воочию. В человеческой речи все звуки сложны. Тембр отражает их акустический состав, т. е. строение. Каждый звук голоса состоит из основного тона, определяющего его высоту, и многочисленных добавочных или обертонов более высокой, чем основной тон, частоты. Частота обертонов в два, три, четыре и так далее раз больше, чем частота основного тона. Возникновение обертонов связано с тем, что голосовые складки колеблются не только по своей длине, воспроизводя основной тон, но и отдельными своими частями. Именно эти частичные колебания и создают обертоны, которые в несколько раз выше основного тона. Любой звук можно проанализировать на специальном приборе, расчленить на отдельные составляющие обертоны. Каждый гласный в своем обертоновом составе содержит области усиленных частот, которые характеризуют только этот звук. Эти области называются формантами гласных. В звуке их несколько. Для его различения достаточно двух первых формант. Первая форманта — диапазон частот 150—850 Гц — при артикуляции обеспечивается степенью подъема языка. Вторая форманта — диапазон 500—2 500 Гц — зависит от ряда гласного звука. Звуки обычной разговорной речи располагаются в области 300—400 Гц. От того, в каких частотных областях возникают обертоны, зависят такие качества голоса, как его звонкость, полетность. 
 
Изучением тембра голоса занимаются и в нашей стране (В. С. Казанский, 1928; С. Н. Ржевкин, 1956; Е. А. Рудаков, 1864; М. П. Морозов, 1967), и за рубежом (В. Бартоломью, 1934; R. Husson, 1962; Г. Фант, 1964). Тембр формируется благодаря резонансу, возникающему в полостях рта, глотки, гортани, трахеи, бронхов. Резонанс — это резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний, происходящих при совпадении частоты колебаний внешнего воздействия с частотой собственных колебаний системы. При фонации резонанс усиливает отдельные обертоны звука, формирующегося в гортани, и вызывает совпадение колебаний воздуха в полостях грудной клетки и надставной трубки. 
 
Взаимосвязанная система резонаторов не только усиливает обертоны, но и влияет на сам характер колебаний голосовых складок, активизируя их, что в свою очередь вызывает еще большее резонирование. Выделяют два основных резонатора — головной и грудной. Под головным (или верхним) понимают полости, расположенные в лицевой части головы выше нёбного свода, — носовую полость и ее придаточные пазухи. При использовании верхних резонаторов голос приобретает яркий полетный характер, а у говорящего или поющего возникает ощущение, что звук проходит через лицевые части черепа. Исследованиями Р. Юссена (1950) доказано, что вибрационные явления в головном резонаторе возбуждают лицевой и тройничный нервы, которые связаны с иннервацией голосовых складок и стимулируют голосовую функцию. 
 
При грудном резонировании происходит вибрация грудной клетки, здесь резонаторами служат трахея и крупные бронхи. При этом тембр голоса «мягкий». Хороший, полноценный голос одновременно озвучивает головной и грудной резонаторы и накапливает звуковую энергию. Колеблющиеся голосовые складки и система резонаторов увеличивают коэффициент полезного действия голосового аппарата. 
 
Оптимальные условия для функционирования голосового аппарата появляются при создании в надскладочных полостях (надставной трубке) определенного сопротивления порциям подскладочного воздуха, проходящего сквозь колеблющиеся голосовые складки в момент фонации. Это сопротивление называетсявозвратным импедансом. При формировании звука «на участке от голосовой щели до ротового отверстия возвратный импеданс проявляет свою защитную функцию, создавая в рефлекторном адаптационном механизме предварительные условия для наиболее благоприятного, быстро повышающегося импеданса»1. Возвратный импеданс на тысячные доли секунды предваряет фонацию, создавая для нее наиболее благоприятные щадящие условия. При этом голосовые складки работают с малой затратой энергии и хорошим акустическим эффектом. Феномен возвратного импеданса — один из важнейших защитных акустических механизмов в работе голосового аппарата. 
 
Большое значение для качества голоса имеет способ его подачи — атака звука. Принято различать три типа голосоподачи: 
 
1) сначала идет легкий выдох, затем смыкаются и начинают колебаться голосовые складки — голос звучит как бы после легкого шума. Такой способ считается придыхательной атакой; 
 
2) момент смыкания голосовых складок и начало выдоха совпадают. Этот способ принято называть мягкой атакой звука; 
 
3) голосовые складки смыкаются, а затем осуществляется выдох, приводящий к их колебаниям. Этот тип голосоподачи называется твердой атакой. 
 
Наиболее употребительна и физиологически оправдана мягкая атака. Злоупотребление твердым или придыхательным способами подачи голоса может привести к значительным изменениям в голосовом аппарате и потере необходимых качеств звука. Доказано, что длительное использование придыхательной атаки ведет к снижению тонуса внутренних мышц гортани, а постоянная твердая голосовая атака может провоцировать органические изменения голосовых складок — возникновение контактных язв, гранулем, узелков. Однако использование придыхательной и твердой атак звука все же возможно в зависимости от задач и эмоционального состояния человека, а иногда и в целях постановки голоса в каком-то одном, определенном периоде занятий. 
 
Рассмотренные акустические свойства присущи нормальному, здоровому голосу. У всех людей в результате голосоречевой практики формируется достаточно четкое представление о голосовой норме детей и взрослых в зависимости от пола и возраста. В логопедии «под нормой речи понимают общепринятые варианты употребления языка в процессе речевой деятельности»1. Это в полной мере относится и к определению нормы голоса. Здоровый голос должен быть достаточно громким, высота его основного тона соответствующей возрасту и полу человека, соотношение речевого и носового резонирования должно быть адекватным фонетическим закономерностям данного языка. 

2. Теории  механизма голосообразования

 
Вопрос о механизме голосообразования до настоящего времени нельзя считать разрешенным. Впервые попытка объяснить его была сделана А. Ферейном (A. Ferrein) в 1741 г. С момента изобретения М. Гарсия метода ларингоскопии начала развиваться миоэластическая (от греч. mys [myos] 'мышца', elastikos'упругий, гибкий') теория, согласно которой голосовые складки колеблются в результате прохождения между их сомкнутыми краями тока воздуха, создаваемого дыхательным аппаратом. В соответствии с данной теорией голосовые складки колеблются, как упругие перепонки, а частота колебаний определяется их эластическими свойствами. При этом активными факторами служат давление воздуха в трахее, живая игра и тонус внутренних мышц гортани. Высота основного тона зависит от силы выдыхаемой струи воздуха. Сложная система дыхательных мышц рефлекторно поддерживает внутритрахеальное и бронхиальное давления на определенном уровне, необходимом в соответствии с различными условиями голосообразования. По мере повышения и усиления звука подскладочное давление увеличивается, и наоборот. Действующей силой в процессе голосообразования является воздушная дыхательная струя, а голосовые складки пассивно колеблются под ее напором. 
 
Эта теория не объясняет некоторых явлений. Например, не ясно, почему при таком заболевании, как функциональная (психогенная) афония, голосовые складки иногда смыкаются достаточно хорошо, но звук не образуется. 
 
В противовес миоэластической теории колебаний голосовых складок французский физиолог Р. Юссен в 50-х гг. прошедшего столетия выдвинул нейрохронаксическую, или нейромоторную, теорию голосообразования. Согласно этой теории, голосовые складки колеблются не пассивно, а под действием импульсов биотоков, поступающих из центральной нервной системы. Нассон считал, что частота таких колебаний соответствует частоте импульсов, проходящих к ним через двигательный нижний гортанный нерв, и подчиняется регулирующим механизмам центральной нервной системы. Следовательно, по миоэластической теории воздух колеблет голосовые складки, а по нейрохронаксической — именно голосовые складки колеблют воздух, т.е., периодически сокращаясь под воздействием импульсов, они прерывают проходящий через них воздушный поток, образуя тем самым звуковые колебания. 
 
Свою теорию ученый подкрепил множеством опытов. В частности, во время операции на гортани он прикладывал к обнаженному двигательному нерву электроды и регистрировал на осциллографе частоту и форму биотоков нерва. Одновременно на том же осциллографе регистрировался звук голоса. Оказалось, что частота нервных импульсов, поступающих к голосовым складкам, и частота основного тона совпадают: сколько импульсов проходит за единицу времени, столько же раз сокращаются голосовые складки. В другом опыте воздушная струя не проходила через голосовые складки, человек говорил беззвучно, но голосовые складки колебались со звуковой частотой. Это не только свидетельствовало об активной природе колебаний голосовых складок, но и доказывало, что для образования звука необходима воздушная струя. Теория Р. Юссена и по сей день имеет своих приверженцев и противников. 
 
В физиологии известно, что нерв обладает способностью проводить сигналы с частотой не более 400—500 Гц. Это свойство называется лабильностью нерва. Лабильность мышц, реагирующих на импульсы сокращениями, еще ниже. Физиологи В. И. Медведев, Л. Н. Савина, Н. В. Суханова (1959) в опытах на животных установили, что синхронизм раздражений голосовых складок наблюдается до 100 Гц; при более высокой частоте раздражения голосовая складка впадает в состояние тетануса — длительного напряжения. Р. Нассон считал, что нерв, проводящий импульсы и содержащий много отдельных волокон, как бы делится на части. Каждая его часть проводит импульсы не более 500 Гц. Это свойство нерва и позволяет голосовым складкам человека совершать колебания очень высокой частоты. 
 
В 1962 г. испанский фониатр Й. Перейо (J. Perello) представил собственную теорию фонации — мукоондулаторную (от греч. mucusa 'слизистая оболочка',ondulatore 'волна'). По мнению автора, колебания голосовых складок — это волнообразное скольжение покрывающей их слизистой оболочки из подскладочного пространства вверх и спереди назад по краю голосовых складок. Перед тем как погаснуть одной волне, возникает следующая и так далее. Эти движения слизистой оболочки были хорошо видны на цветной пленке, которую ученый демонстрировал на одном из конгрессов Союза Европейских фониатров. 
 
Однако мукоондулаторная теория не получила широкого распространения. Хорошо известно, что болезненные изменения слизистой оболочки гортани даже при непродолжительных простудах влияют на качество голоса. 
 
Механизм голосообразования продолжает вызывать интерес у исследователей в связи с тем, что ни одна из существующих теорий не может полностью объяснить этот, столь важный для жизнедеятельности и здоровья человека, феномен как в норме, так и при патологии. 

3. Значение  дыхания в голосообразовании

 
Функцию дыхания в голосообразовании преувеличить невозможно. Природа не снабдила человеческий организм специальным голосовым органом. Продуцирующая звук гортань представляет собой часть дыхательной системы. В филогенетическом развитии первейшей функцией является дыхательная, второй — защитная и лишь следующей — голосовая. Для осуществления всех трех функций работа гортани должна быть точно и тонко координирована. 
 
Под голосовым аппаратом следует понимать целый комплекс органов, принимающих участие в процессе голосообразования: гортань, глотка, носовая полость и ее придаточные пазухи, трахея, бронхи, легкие, диафрагма. Патологическое состояние любого из этих органов может отрицательно повлиять на качество голоса. 
 
Особое место в голосообразующей системе занимает диафрагма — вдыхательная мышца. Сокращение ее мышечных пучков ведет к уплощению и снижению купола диафрагмы, увеличению объема грудной полости, расширению легких и заполнению их вдыхаемым воздухом. Органы брюшной полости при этом смещаются книзу. Хотя диафрагма типично вдыхательная мышца, она не остается пассивной и при выдохе. 
 
Как известно, выдох обеспечивается работой поперечно-полосатых межреберных мышц и мышц брюшного пресса. Струи выходящего воздуха, сопровождающей обычное дыхание, оказывается недостаточно для фонаторного выдоха, когда требуется тончайшая регулировка подскладочного давления и объема пропускаемого между голосовыми складками потока. В момент речи на помощь приходит диафрагма вместе с гладкими мышцами трахеи и бронхов. Благодаря слабым вдыхательным движениям, которые происходят во время фонаторного выдоха, диафрагма корригирует силу подскладочного давления и объем пропускаемого через голосовую щель воздуха, обеспечивая тем самым извлечение разных по высоте и силе наиболее красивых звуков. Это дает основание относить ее к системе органов голосового аппарата. 
 
Особенность дыхания состоит в том, что в состоянии покоя оно происходит непроизвольно, автоматически. Примером чисто произвольного акта может служить дыхание во время специальных исследований по команде «дышать, не дышать, вдохнуть и задержать вдох» и т. п. В речи и пении мы также пользуемся произвольным дыханием, когда оно полностью подчинено задачам голосоведения. Например, недопустимо сделать вдох посередине слова, а иногда даже и фразы, т.е. на одном выдохе необходимо произносить единую синтагму. 
 
В состоянии покоя вдох и выдох осуществляются через нос, и их продолжительность практически равна в среднем до 16—18 дыхательных движений в минуту. Характер дыхания при фонации существенно меняется: вдох осуществляется быстрее, а продолжительность выдоха увеличивается в 20, 30 и более раз, особенно при пении. Своеобразие фонационного дыхания выражается еще и в том, что вдох происходит и через нос, и через рот, а выдох только через рот. 
 
Различают три основных типа дыхания: 
 
1) реберное (костальное), иногда его называют грудным; 
 
2) брюшное (абдоминальное); 
 
3) смешанное (костоабдоминальное). 
 
В медицинской и педагогической литературе часто употребляется название «диафрагмальное дыхание» синонимически костоабдоминальному. Это не совсем оправдано, так как диафрагма всегда участвует в акте дыхания независимо от его типа. 
 
Наиболее рациональным, продуктивным физиологи считают костоабдоминальное дыхание, при котором достигается большой объем воздуха в легких (до 5 000 см3). 
 
Признается целесообразным вырабатывать костоабдоминальное дыхание у людей, посвятивших себя голосоречевым профессиям. Длительные практические наблюдения показывают, что у людей преклонного возраста, обладающих хорошо сохранившимся «молодым» голосом, оказывается, как правило, костоабдоминальный тип дыхания. 
 
Для полноценного голосообразования важно не количество воздуха, взятого на вдохе, а умение экономно произвести фонационный выдох, сформировать так называемую дыхательную «опору» — осознанное замедление выдоха. Опора характеризуется особой организацией выдыхательного процесса во время фонации, т.е. активным его торможением, выражающимся в произвольном препятствовании спадению стенок грудной клетки. Без опоры дыхания нет и опоры звука. Воспроизводимый при замедленном выдохе звук обладает способностью литься с достаточной силой и вместе с тем компактно. 
 
На основе множества наблюдений Л. Б. Дмитриев (1968) пришел к выводу, что опертный звук голоса является следствием акустического сопротивления возвратного импеданса, возникающего из-за сужения входа в гортань при фонации: чем больше подскладочное давление, тем сильнее сопротивление. Оперный выдох придает голосу хорошие качества и предохраняет его от быстрого истощения. 
 
Исследования Н. И. Жинкина (1958) показывают, что звук, возникая в гортани и проходя через глотку и ротовую полость, где приобретает форму гласного, теряет силу. Убывание его силы зависит от формы ротоглоточного канала при произнесении данного звука. Так, [а] формируется при узкой глотке и широкой ротовой полости, это наиболее громкий звук. На звуке [у] глотка расширена, а полость рта сужена; в таких условиях сила звука уменьшается. Все гласные обладают различной громкостью. Для того чтобы в речи это выравнивалось, включается механизм дыхания, который автоматически усиливает подскладочное давление для слабозвучащих звуков и уменьшает его при сильных. 
 
Известно, что при произнесении коротких фраз объем выдыхаемого воздуха значительно меньше, чем при многословных. Поэтому разговорная речь для человека легче, чем чтение текста вслух, ораторское выступление, сценическая речь и пение. Управление дыханием, умение регулировать замедленный фонационный выдох достигается длительным опытом и выработкой большего его автоматизма специальными тренировками. 
 
В логопедической практике давно известно, что речевая и голосовая патологии часто сопровождаются нарушениями дыхания. В этом смысле очень интересны исследования Э. К. Сийрде (1963). В эксперименте фиксировалась скорость учащенного дыхания в состоянии покоя у заикающихся — в среднем 20,8 раза в минуту, у глухих — 18,4 раза, у людей, обладающих нормальной речью, — 17,8 раза и у певцов — 12,8 раза. Во время речи наиболее учащенным дыхание было у глухих — 20,1 раза в минуту, у заикающихся этот показатель составил 19,6, при нормальной речи — 14,6, у певцов — 10,1. Аналогичная тенденция прослеживалась и при исследовании продолжительности выдоха в покое и при фонации. Самый короткий выдох в покое отмечался у заикающихся — 1,9 с, у людей с нормальной речью он длился 2,2 с, у глухих — 2,4 с, у певцов — 3,3 с. Во время речи продолжительность выдоха у заикающихся составила 2,8 с, у глухих — 2,9 с, у лиц с нормальной речью — 3,8 с, у певцов — 6,1 с. Эти данные свидетельствуют о том, что чем лучше человек владеет речью и голосом, тем оптимальнее у него показатели дыхания. На основании своих исследований Э. К. Сийрде делает вывод о том, что фонационное дыхание и дыхание в состоянии покоя функционально связаны. 
 
Знаменитый итальянский тенор Э. Карузо говорил, что на умении набрать достаточное количество воздуха и умении правильно и экономно его использовать зиждется все искусство пения. Эта же мысль справедлива и для речевого голоса, который без хорошо поставленного и управляемого дыхания останется малопродуктивным.

Вывод

Таким образом, мы можем убедиться в том, что механизмы голосообразования чрезвычайно сложны, а существующие теории фонации противоречивы. Современный уровень развития науки позволяет нам сделать вывод о том, что голосообразования – сложно скоординированный процесс сокращения различных групп мышц. 

В функции голосообразования человека принимают участие сорок отдельных мышц – дыхательных, гортанных и артикуляторных (это скоординированная деятельность многих органов и систем человеческого организма: органов дыхания, брюшного пресса, гортани, мышц полости рта, глотки и т.д.). Все они совмещают свою работу в рамках сложной физиологической модели. Согласованная работа мышц зависит от степени их напряжения и, соответственно, расслабления; другими словами, мышцы гортани проявляют свою функцию в изменении напряжения, длины и массы голосовых складок и собственных мышц, все мышечные движения являются результатом регулирующей деятельности центральной нервной системы, контролирующей эластическое напряжение мышц, однако не исключается значение воздушного столба в колебании голосовых складок, при этом параметры воздушного потока, определяемые в целом системой дыхания, также контролируются нервной системой человека.

Список литературы:

1. Бучель, В.Н. Технология мембранно-резонансного пения [Монография] / В.Н. Бучель. – М., 2007. – 64.: нот.

2. Емельянов, В.В. Практический метод воспитания голоса / В.В. Емельянов. – М., 2006. – 342 с.

3. Лаврова, Е.В. Основы Фониатрии / Е.В. Лаврова. – М., 2007. – 178 с.

4. Постановка голоса и вокальный ансамбль: Методические указания и рекомендации для самостоятельной работы студентов заочников специальности 051300 «Музыкальное искусство эстрады» квалификация «Артист оркестра, артист ансамбля, преподаватель» / Сост. И.В. Сахнова. – М.: МГУКИ, 2007. 26 с. 

5. Рудин, Л.Б. Основы голосоведения. – М.: Граница, 2009. – 104 с.