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 называется возвратным 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»[2]. 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.