Акустика и голосовой аппарат

«Голосовой аппарат, — пишет В. П. Морозов, — это живой акустический прибор, и, следовательно, кроме физиологических законов, он подчиняется еще и всем законам акустики и механики». 16 Как всякий сложный аппарат, он имеет не один, а несколько относительно независимых механизмов регулирования, управляемых центральной нервной системой. Акустика голосового аппарата — еще один механизм, регулирующий певческий процесс и влияющий на формирование тембра голоса.

Звук голоса представляет собой колебание частиц воздуха, распространяющееся в виде волн сгущения и разряжения. Зародившись в гортани, звуковые волны распространяются во все стороны. Следовательно, лишь часть звуковой энергии выходит через ротовое отверстие в наружное пространство. Здесь важны два момента: поведение звуковой волны в голосовой трубке певца и поведение звука, вышедшего из ротового отверстия, т. е. излучающегося изо рта в наружное пространство.

Волны сгущения и разряжения распространяются в воздухе, частицы которого передают колебания, не сдвигаясь с места. Воздух является лишь передатчиком колебаний и звук мало зависит от направления его движения. Только сильный ветер может отнести звук в сторону. Звук распространяется в воздухе голосовой трубки певца по законам акустики. Движение же воздуха в голосовой трубке (струи выдоха), способного «отнести звук в сторону», осуществляется по законам аэродинамики. Данная взаимосвязь: одновременное движение волны (по законам акустики) и движение струи выдоха (по законам аэродинамики), — может иметь для певца важное значение, ибо является основным механизмом формирования явления резонанса, который в первую очередь выявляется и используется в вокально-педагогической практике и в максимальной степени определяет работу голосового аппарата в пении.

Расстояние между соседними волнами носит название длины волны. Длина волны измеряется метрами или сантиметрами, тогда как частота колебаний — количеством полных колебаний (периодов) в секунду, единицей измерения которых является герц (гц). Длина волны отражает то же качество, что и частота колебаний — высоту звука. Частота колебаний ассоциируется с моментом возникновения звука, тогда как длина волны — с последующим движением звука рожденного звука. Если звук встречает препятствие равное или превышающее длину волны, то он отражается по принципу «угол падения равен углу отражения». Если же препятствие меньше длины волны — происходит обтекание волной препятствия, т. е. волна огибает его.

У мужских голосов волны исчисляются метрами, а стенки голосовой трубки не превышают 10−15 см. Поэтому звук обтекает поверхности, не отражаясь от них. Выйдя изо рта в помещение, он хорошо отражается от твердых поверхностей. В голосовой трубке отражения возможны (от небного свода, например) лишь для той части звуковой энергии, которая заключена в обертонах певческого голоса, длина волн которых меньше длины ее поверхностей (небного свода).

Сила звука голоса выражается размахом колебательных движений (амплитудой колебаний) и зависит от силы подсвязочного давления. Однако только небольшая часть энергии подсвязочного давления переходит в звук. Сила звуковых волн быстро убывает. Основная часть энергии поглощается внутри организма, вызывая вибрацию тканей головы, шеи, груди.

Основным механизмом, изменяющим первоначальное звучание голоса, его тембр, является резонанс — причина усиления различных групп обертонов. Резонатором является объем воздуха, заключенный в упругие стенки и имеющий выходное отверстие. Каждый резонатор в зависимости от объема воздуха, формы и размеров, имеет свой собственный тон. Чем меньше размеры резонатора, тем выше его тон. Чем меньше выходное отверстие, тем ниже собственный тон. Собственный тон резонаторов небольшой величины высок, а большой величины — низок.

В голосовом аппарате человека имеется множество полостей и трубок, в которых могут развиваться явления резонанса: трахея и бронхи, полость гортани, глотки, рта, носоглотки, носа и придаточных полостей, которые обладают достаточно упругими стенками. Одни из них по форме и размерам неизменны, другие — меняют форму и размеры (рот, глотка). Механизм изменения исходного тембра голоса зависит от резонаторных явлений, которые развиваются в полостях голосового аппарата.17 Наиболее крупный по объему резонатор надставной трубки — рот, где проявляется резонанс более низких частот звука; меньше объем глотки — резонанс более высоких частот звука; еще меньше носоглотка и костно-черепных полостей лица, которые воспроизводят резонанс максимально высоких частот звука. Минимальным объемом пространства обладает надскладочная полость гортани.

Звуки речи, как известно, сложные: они состоят из основного тона и многочисленных обертонов, т. е. звуков более высокой частоты по сравнению с основным тоном. Высота человеческого голоса определяется частотой основного тона. Тембр же голоса, гласные и согласные — степенью выраженности в звуке тех или иных обертонов. Впервые обертоны голоса определил немецкий физик Герман Гельмгольц. Изучая гласные, Гельмгольц установил в каждой из них одну-две области особых усиленных обертонов и назвал их «характеристическими тонами гласных». Этими тонами гласные отличаются друг от друга на слух.

Современная аппаратура позволяет обнаружить в сложном звуке от 40 до 27 000 гц — практически весь улавливаемый человеком диапазон частот. Отдельные, очень выделяющиеся группы обертонов, благодаря которым распознают речевые звуки, названы формантами и соответствуют характеристическим тонам Гельмгольца. Каждый гласный звук характеризуется двумя главными областями усиления. Одна из них формируется благодаря резонансу глотки, а вторая — резонансу ротовой полости. В связи с этим при перемене гласных возникает необходимость перемещать язык из позиции в позицию. Его движения создают в ротовой и глоточной полостях необходимые для образования формант объемы воздуха.

Л. Б. Дмитриев, исследуя проблему формирования гласных, пишет: «Пение всегда происходит при более открытом, чем в речи, рте. Надставная трубка певца представляет собою своеобразный рупор, устьем которого является ротовое отверстие. Из акустики известно, что отдача звуковой энергии рупором тем лучше, чем больше размеры устья рупора. … Открывая более широко рот, певец увеличивает и объем ротовой полости». 18.

Дмитриев отмечает, что у певца есть два механизма изменения тембра — это изменение исходного тембра, возникающего в голосовой щели (перемена регистров — грудного и фальцетного, твердой или мягкой атаки) и изменение формы, размера резонансных полостей в процессе движения звука от голосовых складок до губ.

В звуке певческого голоса содержится значительно больше обертонов, чем в звуке обычной речи. Исследуя спектр хорошо сформированного певческого голоса, ученые выяснили, что такие свойства как звонкость, металличность, блеск и мягкость, округлость зависят от усиления соответственно двух областей обертонов, которые были названы певческими формантами (от лат. formans, т. е. образующая). Одна форманта с частотой 517 гц19 получила название низкой певческой форманты (НПФ) — отсюда округлое, полное, мягкое звучание, а другая с частотой 2500−2800 у низких голосов и до 3200 у более высоких — высокой певческой форманты (ВПФ). Благодаря ей голос отличается полетностью, яркостью, блеском, металлом. У крупных певцов в области высокой певческой форманты сосредоточено до 30−35% всей звуковой энергии.

Ответ на вопрос: какой из резонаторов усиливает ВПФ и придает голосу звонкость? — дает Л. Б. Дмитриев. Рассматривая голосовой аппарат под рентгеном, он обнаружил у лучших певцов во время пения образование небольшой надгортанной полости. Сверху эта полость отделяется от гортани сужением, которое образуется надгортанником и мягкими тканями черпаловидных хрящей. Размеры даной полости соответствуют резонированию ВПФ.

С точки зрения другого ученого Е. Рудакова интенсивность ВПФ превосходит по силе остальные обертоны спектра певческого звука и не может создаваться резонансом рото-глоточных полостей, ограниченного частотой не выше 2000 — 2500 кол/сек. Изменение объема этих полостей изменяет положение НПФ и формант гласных, но не воздействует на положение и интенсивность ВПФ. «Частоты выше 2500 кол/сек, — пишет Рудаков, — зарождаются в гортани, и ротоглоточные полости на них не оказывают воздействия». 20 ВПФ создается «механизмом, своего рода генератором высоких частот, который возникает в гортани всякий раз в условиях и при определенном режиме колебаний голосовых связок». 21.

Природу данного генератора Рудаков сравнивает с механизмом воспроизведения прерывистого свиста, возникающего благодаря особому положению и форме губ под давлением выдыхаемого через рот воздуха. Это значит, что ВПФ есть результат трения воздушной струи воздуха о края колеблющихся голосовых складок. Поэтому ВПФ не зависит от размеров резонаторов. Для ВПФ необходимы не резонаторная надставная труба, а соответственная форма отверстия — голосовой щели, благоприятная для возникновения так называемых «краевых тонов», и образование при этом воздушных вихрей, создающих звуковые колебания. Во время фаз смыкания и размыкания голосовых складок создаются условия для возникновения свистка (высокочастотного импульса). ВПФ образуется, таким образом, формой колебаний и структурой голосовых складок, а также интенсивностью подсвязочного давления. На уровне колебаний голосовых складок могут возникать высокочастотные импульсы до 5000 — 6000 кол/сек.

По мнению В. П. Морозова, точки зрения Дмитриева и Рудакова на природу ВПФ не противоречат друг другу, так как «при образовании звука в свистках резонаторы играют весьма существенную роль». 22.

Искусственное усиление ВПФ изменяет качество голоса в положительную сторону, создает впечатление «опоры дыхания» и манеры подачи звука, присущей мастерам бельканто итальянской школы. Усиление же других областей певческого спектра положительных эффектов не дает и воспринимается как неприятное искажение. В этом принципиальное отличие ВПФ.

Ровность голоса, по Дмитриеву, зависит от умения сохранять на всех гласных и на всем диапазоне ВПФ и НПФ. Гласные в пении звучат более «нейтрально», ровно — их форманты несколько изменены из-за необходимости формирования певческого звука. Первичный тембр певческого голоса, возникающий в голосовой щели, видоизменяется благодаря резонансу четырех основных полостей — трахеи, гортани, глотки и рта. В трахее и гортани оформляются певческие форманты, а в глотке и во рту — форманты гласных. Вот здесь и важна роль струи выдоха, которая по аналогии с ветром, выносит звук певческого голоса в наружное пространство. Техника певческого дыхания связывается с выявлением и развитием резонанса голосового аппарата.

Свой естественный тембр человеческий голос приобретает благодаря системе резонаторов, которые одновременно являются воздухоносными полостями дыхательного тракта, окружающими голосовые складки. Важнейшие резонаторы — глотка и ротовая полость, изменяющие свой объем. Резонирует и носовая полость, не изменяющая своей формы. Она может значительно изменять тембр и участвует также в образовании гласных и согласных. Мягкое небо регулирует взаимосвязь носовой полости с ротоглоточным резонатором. Однако злоупотребление носовым резонатором в пении рассматривается как недостаток. Огромную роль в процессе формирования певческого голоса играет грудной резонатор. В своей книге Морозов приводит мнение А. Крейдля: «Резонанс полостей, лежащих выше гортани, отступает совершенно на задний план сравнительно с могучим резонансом грудной полости, действующей в целом как резонирующий ящик и придающий грудному голосу свойственную ему силу». 23.

Американский ученый У. Т. Бартоломью определил качества, которыми должен обладать хороший мужской голос: вибрато с частотой 6−7 пульсаций в секунду в трех показателях — высоте тона, силе звука и тембра; общей силой звука, которая зависит от более сильного действия голосовых складок, свободного выхода звука через увеличенное пространство резонирующей надставной трубки; наличием НПФ в области 500 гц и ниже; ВПФ в области 2400−3200 гц. НПФ, по мнению Бартоломью, возникает в значительно расширенной и натянутой глотке.

Эти же характеристики показали и женские голоса за исключением ВПФ, которая находится еще выше, в области 3200 гц, что соответствует меньшим размерам гортани; хорошими оказываются женские голоса, обладающие меньшей величиной ВПФ (колоратурные сопрано иногда вообще ее не имеют, но считаются качественными из-за их чистоты и гибкости); в высоком женском голосе имеется заметная тенденция к исчезновению ВПФ вместе с возрастанием высоты тона.

По мнению Бартоломью, расширенная глотка способствует достижению всех свойств хорошо поставленного голоса. Расширение глотки, увеличение ее размеров в процессе пения и по всему диапазону голоса — чрезвычайно важно как в исполнительстве, так и в педагогике. Однако удержать в расширенном положении глотку оказывается довольно сложно из-за необходимости ее закрытия ради произношения согласных (дикции). Кроме того, увеличение пространства глотки ведет к расслаблению мощной глотательной группы мышц, которая у многих обычно находится в состоянии частичного сокращения и готова действовать в полурефлексе глотания.

Лучшее вокальное качество влечет за собой и способность поддержать проход через нос открытым во время пения гласных звуков. Бароломью отмечает парадокс: носовой и головной проходы не прибавляют ничего относительно полезного резонанса, однако косвенно имеют первостепенное значение в установке резонанса глотки. Попытка представить себе резонирование звука в «носовых полостях» или получить ощущение слабого прохождения дыхания «через ноздри» может помочь необходимому расширению глотки.

По мнению И. И. Левидова, «звучание голоса в „маске“ есть следствие резонации носовой и придаточной полостей, так что, вместо направления звука в „маску“, было бы правильнее сказать: направить его к названным полостям». 24 Левидов также акцентирует полезность этих полостей в качестве резонаторов, резонанс которых вызывается, главным образом, ударом звуковой волны в твердое небо, а не попаданием туда непосредственно звуковых волн. При этом наибольшая звучность достигается на средней линии твердого неба.

Явление резонанса полостей голосового аппарата воспринимается певцами через вибрационные ощущения. У хороших певцов стенки резонаторов вибрируют очень сильно. Современной наукой доказана важнейшая роль восприятия вибрационных колебаний чувствительными нервными окончаниями и влияние их на механизмы регулирования голосовой функции певца.

Тембр голоса в большей мере определяется характером вибрато 6−7 пульсаций в секунду. Более редкие пульсации воспринимаются как качание звука, а более частые — как дрожание («барашек» в голосе). Вибрато зависит от изменения силы, частоты и тембра звука. Без вибрато голос кажется прямым. С чрезмерным — в голосе наблюдается тремоляция (tremolo — дрожащий). Мастерам пения свойственно вибрато с четкой ритмичностью пульсаций. Вибрато «исправляет» погрешности интонации и неровности звучания голоса, заметные в безвибратном звуке, способно скрадывать даже ощущение гнусавости звука, как бы исправляя тембр. Пульсации вибрато придают голосу певца, помимо красоты, важные технические свойства — повышенную помехоустойчивость, звучность, полетность.

Голосовой аппарат представляет собой своеобразный рупор, а система полостей надставной трубки — своеобразный изогнутый волновод. В изогнутых волноводах звук собирается и стелется вдоль изогнутых поверхностей — это общее свойство. Для низких и средних частот примерно до 2500 гц стенки ротоглоточного рупора не являются отражателями звука, ибо длина волны больше размеров надставной трубки. Для более высоких частот — ВПФ и выше (очень высокие обертоны и ультразвуки, обнаруженные в спектре певческого голоса) — стенки надставной трубки являются препятствием большего размера, которое отражает звуковые волны меньшей длины. Следовательно, часть звуковой энергии распространяется в ротоглоточном рупоре по закону обтекания поверхностей, а часть — по закону отражения от них.

Сюда же относится и вопрос о направленности излучения звука: если длина звуковой волны меньше размеров излучающей поверхности — распространение осуществляется преимущественно в одном направлении, т. е. по принципу луча; если же больше — распространение происходит во все стороны без конкретной направленности. Исследования В. П. Морозова показали, что основной тон и низкочастотные обертоны голоса распространяются от ротового отверстия во все стороны примерно с равной интенсивностью. Область ВПФ, наоборот, имеет ярко выраженную направленность излучения звука вперед в зависимости от положения головы. Как отмечает Л. Б. Дмитриев, это важно знать в связи с проблемой дикции. Подача таких согласных как с, ц, ш, ч, щ по направлению к публике обеспечивает разборчивость слов даже на больших расстояниях.

Акустика голосового аппарата, как видим, рассматривается на основе аналогии между рупором и полостями надставной трубки. Роль мембраны выполняет голосовая щель, а роль предрупорной камеры — надсвязочная полость и суженный вход в гортань. При этом применим закон Ньютона: действие равно противодействию. Наилучшие условия фонации и образования большой интенсивности певческого звука возникают тогда, когда колебания голосовых складок, оказывая давление на прилегающие слои воздуха, вызывают его ответное сопротивление. Общее сопротивление (противодавление, создаваемое надставной трубкой, ее формой и различными сужениями, а также колеблющимся в ней столбом воздуха, называется импедансом (от лат. Impedire — сопротивляться).

По Юссону, «импеданс чрезвычайно сильно изменяет поведение голосовых связок… и является очень эффективным защитным механизмом нейромышечного функционирования гортани». 25 Юссон ссылается на открытие Е. Кромпотич: во время речи двигательные импульсы достигают в первую очередь мышц, которые управляют установкой гортани, глотки и рта, а во вторую — голосовых складок, т. е. после установки необходимой формы рупора. Фонация начинается тогда, когда рупор (надставная трубка) подготовлен для создания определенной величины сопротивления.26 При слабом импедансе, т. е. сопротивлении воздуха колеблющимся голосовым складкам, увеличивается расход воздуха через голосовую щель и гортань реагирует на это сильным сжатием. Более сильный импеданс позволяет развить интенсивность звука с меньшим расходом воздуха и меньшей реакцией сжатия гортани. Следовательно, чем сильнее импеданс — тем лучше вокальная техника певца.

Вокальную технику Р. Юссон классифицирует, сводя ее к трем типам: с сильным, промежуточным и слабым импедансом. Импеданс является переменной величиной. Певец может петь и со слабым импедансом, но всегда будет тяготеть к тому типу техники, которым овладел в процессе обучения. Певцы управляют импедансом бессознательно. Изучая механизм формирования импеданса, Л. Б. Дмитриев установил, что у певцов с хорошей опорой пения вход в гортань оказывается всегда суженной. Этим действием «создается своеобразная предрупорная камера, в которой может развиваться сопротивление … Эта „предрупорная камера“ в голосовом аппарате человека остается на всех гласных и на всем диапазоне неизменной». 27 При снятии звука с опоры, т. е. при пении с малым импедансом, сужение исчезало и надсвязочная полость раскрывалась, т. е. «предрупорная камера» переставала существовать. По Дмитриеву, «„предрупорная камера“ является непременным условием правильного опертого певческого голосообразования», 28 а подгонка, подбор наиболее выгодного импеданса для гортани певца — важнейшим моментом процесса постановки голоса.

Таким образом, взаимосвязанная система резонаторов надставной трубки (гортань, глотка, ротовая полость) не только резонирует, но и создает колеблющимся голосовым складкам определенное сопротивление сверху, т. е. импеданс.29 Эти два фактора создают условия для работы голосовых складок под давлением воздушной струи. Заключенный в надставной трубке резонируюший столб воздуха, сопротивляясь порциями колебаниям голосовых складок, вызывает максимальную раскачку резонаторов и позволяет развивать силу звука у входа в гортань, по Юссону, до 150 децибел (сила звука авиационного мотора). Благодаря встречному сопротивлению можно развить большое подсвязочное давление, в результате которого увеличивается энергия колебаний резонаторов — интенсивность, сила звука. По данным Юссона сила звука у больших оперных голосов (измерения проводились на расстоянии 1 м ото рта певца) достигает 120 и более децибел, у оперных — 110−120 дб, голосов комических опер — 100−110 дб, опереточных голосов — 90−100 дб, камерных — 80−90 дб, небольших «микрофонных» — менее 80 дб.