обертон

1. Обертони і спектр, тембр звуку.
2. Тембр (timbre-фр.) Означає «якість тону», «забарвлення тону» (tone quality).

•

Обертони і спектр, тембр звуку.

Вже більше двохсот років багато видатних учених намагаються дати наукове визначення цього параметра, яке, природно, змінюється з розширенням наших уявлень про механізми роботи слуховий системи. Визначення тембру дається в працях таких всесвітньо відомих вчених, як Гельмгольц (1877), Флетчер (1938), Ліклайде (1951), плом (1976), Наутсм (1989), Россін (1990), Ханд (1995).

Тембр (timbre-фр.) Означає «якість тону», «забарвлення тону» (tone quality).

Американський стандарт ANSI-60-дає таке визначення: «Тембр - атрибут слухового сприйняття, що дозволяє слухачеві судити, що два звуки, що мають однакову висоту і гучність, відрізняються один від одного».

У працях Гельмгольца міститься наступний висновок: «різниця в музичному якості тону (тембрі) залежить тільки від присутності і сили парціальних тонів (обертонів), і не залежить від різниці фаз, з якої ці парціальні тони вступають в композицію». Це визначення майже на сто років визначило напрямок досліджень в області сприйняття тембрів, і зазнало істотних змін і уточнення тільки в останні десятиліття. У працях Гельмгольца був зроблений ще цілий ряд тонких спостережень, які підтверджуються сучасними результатами. Зокрема, їм було встановлено, що сприйняття тембру залежить і від того, з якою швидкістю парціальні тони вступають на початку звуку і вмирають в його кінці, а також, що наявність деяких шумів і нерегулярностей допомагає в розпізнаванні тембрів окремих інструментів.

У 1938 р Флетчер зауважив, що тембр залежить від обертоновой структури звуку, але також змінюється при зміні гучності і висоти тону, хоча обертонового структура може при цьому зберігатися. У 1951 р відомий фахівець Ликлайдер додав, що тембр є багаторозмірний об'єктом сприйняття - він залежить від загальної обертоновой структури звуку, яка також може змінюватися зі зміною гучності і висоти тону.

У 1973 р до визначення тембру, яке у вищенаведеному стандарті ANSI, було зроблено наступне додавання: «тембр залежить від спектра сигналу, але він також залежить від форми хвилі, звукового тиску, розташування частот в спектрі і тимчасових характеристик звуку».

Тільки до 1976 р роботах Пломпа було доведено, що вухо не страждає «фазової глухотою», і сприйняття тембру залежить як від амплітудного спектра (в першу чергу, від форми спектральної обвідної), так і від фазового спектра. У 1990 році Россінг додав, що тембр залежить від тимчасової обвідної звуку і його тривалості. У роботах 1993-1995 рр. відзначено, що тембр є суб'єктивним атрибутом того чи іншого джерела (наприклад, голоси, музичного інструменту), тобто він дозволяє виділити цей джерело з різних звукових потоків в різних умовах. Тембр володіє достатньою инвариантностью (стабільністю), що дозволяє зберегти його в пам'яті, а також служить для порівняння його вміст і знову надійшла в слухову систему інформації про джерело звуку. Це предполает певний процес навчання - якщо людина ніколи не чув звучання інструменту даного тембру, то він його і не дізнається.

Французький математик Фур'є (1768-1830) і його послідовники довели, що будь-яке складне коливання можна представити у вигляді суми найпростіших коливань, які називаються власними частотами, або, іншими словами, що будь-яку періодичну функцію, в разі її відповідності деяким математичним умовами, можна розкласти в ряд (суму) косинусів і синусів з деякими коефіцієнтами, званий тригонометричним рядом Фур'є.

Обертоном називається будь-яка власна частота вище першої, найнижчої (основний тон), а ті обертони, частоти яких відносяться до частоти основного тону як цілі числа, називаються гармоніками, причому основний тон вважається першою гармонікою.

Якщо звук містить в своєму спектрі тільки гармоніки, то їх сума є періодичним процесом і звук дає чітке відчуття висоти. При цьому суб'єктивно відчувається висота звуку відповідає найменшого спільного кратного частот гармонік.

Сукупність обертонів, що становлять складний звук, називають спектром цього звуку.

По суті, спектр унтертонов (тобто тонів, які лунають нижче основного тону) і обертонів є тембр.

Розкладання складного звуку на найпростіші складові називають спектральним аналізом, здійснюваним за допомогою математичного перетворення Фур'є.

Як стверджує класична теорія, що розвивається, починаючи з Гельмгольца майже всі наступні сто років, сприйняття тембру залежить від спектральної структури звуку, тобто від складу обертонів і співвідношення їх амплітуд. Дозволю собі нагадати, що обертони - це все складові спектра вище фундаментальної частоти, а обертони, частоти яких знаходяться в цілочисельних співвідношеннях з основним тоном, називаються гармоніками.

Як відомо, для того, щоб отримати амплітудний і фазовий спектр, необхідно виконати перетворення Фур'є від тимчасової функції (t), т. Е. Залежно звукового тиску р від часу t.

За допомогою перетворення Фур'є будь-який часовий сигнал можна представити у вигляді суми (або інтеграла) складових його простих гармонійних (синусоїдальних) сигналів, а амплітуди і фази цих складових утворюють відповідно амплітудний і фазовий спектри.

За допомогою створених за останні десятиліття цифрових алгоритмів швидкого перетворення Фур'є (ШПФ або FFT), виконати операцію по визначенню спектрів можна також практично в будь-якій програмі обробки звуку. Наприклад, програма SpectroLab взагалі є цифровим аналізатором, що дозволяє побудувати амплітудний і фазовий спектр музичного сигналу в різній формі. Форми подання спектра можуть бути різними, хоча представляють вони одні і ті ж результати розрахунків.

Періодична структура звуків

Тембр і загальні принципи розпізнавання слухових образів

Тембр є ідентифікатором фізичного механізму утворення звуку по ряду ознак, він дозволяє виділити джерело звуку (інструмент або групу інструментів), і визначити його фізичну природу.

Це відображає загальні принципи розпізнавання слухових образів, в основі яких, як вважає сучасна Психоакустика, лежать принципи гештальт-психології (geschtalt, ньому. - «образ»), яка стверджує, що для поділу і розпізнавання різної звукової інформації, яка приходить до слуховий системі від різних джерел в один і той же час (гра оркестру, розмова багатьох співрозмовників та ін.) слухова система (як і зорова) використовує деякі загальні принципи:

- сегрегація - поділ на звукові потоки, тобто суб'єктивне виділення певної групи звукових джерел, наприклад, при музичної поліфонії слух може відслідковувати розвиток мелодії у окремих інструментів;

- подобу - звуки, схожі за тембром, групуються разом і приписуються одного джерела, наприклад, звуки мови з близької висотою основного тону і схожим тембром визначаються, як належать одному співрозмовнику;

- безперервність - слухова система може інтерполювати звук з єдиного потоку через Маскер, наприклад, якщо в мовної або музичний потік вставити короткий відрізок шуму, слухова система може не помітити його, звуковий потік буде продовжувати сприйматися як безперервний;

- «спільна доля» - звуки, які стартують і зупиняються, а також змінюються по амплітуді або частоті в певних межах синхронно, приписуються одного джерела.

Таким чином, мозок виробляє угруповання надійшла звукової інформації як послідовну, визначаючи розподіл за часом звукових компонент в рамках одного звукового потоку, так і паралельну, виділяючи частотні компоненти присутні і змінюються одночасно. Крім того, мозок весь час проводить порівняння надійшла звукової інформації з «записаними» в процесі навчання в пам'яті звуковими образамі.Сравнівая надійшли поєднання звукових потоків з наявними образами, він або легко їх ідентифікує, якщо вони збігаються з цими образами, або, в разі неповного збіги, приписує їм якісь особливі властивості (наприклад, призначає віртуальну висоту тону, як в звучанні дзвонів).

У всіх цих процесах розпізнавання тембру грає принципову роль, оскільки тембр є механізмом, за допомогою якого Екстрактується з фізичних властивостей ознаки, що визначають якість звуку: вони записуються в пам'яті, порівнюються з вже записаними, і потім ідентифікуються в певних зонах кори головного мозку.

Слухові зони мозку

Тембр - відчуття багатовимірне, залежне від багатьох фізичних характеристик сигналу і навколишнього простору. Були проведені роботи по шкалированию тембру в метричному просторі (шкали - це різні спектрально-часові характеристики сигналу, див. Другу частину статті в попередньому номері). В останні роки, однак, з'явилося розуміння, що класифікація звуків в суб'єктивно сприймається просторі не відповідає звичайному ортогональному метрическому простору, там відбувається класифікація за «субпространства», пов'язаним з вищевказаними принципами, які і не метричні, і не ортогональні.

Поділяючи звуки за цими субпространства, слухова система визначає «якість звуку», тобто тембр, і вирішує, до якої категорії віднести ці звуки. Однак слід зазначити, що всі безліч субпространств в суб'єктивно сприймається звуковому світі будується на основі інформації про двох параметрах звуку із зовнішнього світу - інтенсивності і часу, а частота визначається часом приходу однакових значень інтенсивності. Той факт, що слух розділяє надійшла звукову інформацію відразу по декількох суб'єктивним субпространства, підвищує ймовірність того, що в якомусь із них вона може бути розпізнано. Саме на виділення цих суб'єктивних субпространств, в яких відбувається розпізнавання тембрів і інших ознак сигналів, і спрямовані зусилля вчених в даний час.

Істотний вплив на сприйняття тембру музичного інструменту або голосу надає структура його стаціонарного (усередненого) спектра: склад обертонів, їх розташування на частотної шкалою, їх частотні співвідношення, розподілу амплітуд і форма обвідної спектра, наявність і форма формантних областей і т.д., що повністю підтверджує положення класичної теорії тембру, викладені ще в працях Гельмгольца. Однак експериментальні матеріали, отримані за останні десятиліття, показали, що не менше істотну, а, може бути, і набагато більш істотну роль в розпізнаванні тембру грає нестаціонарне зміна структури звуку і, відповідно, процес розгортання в часі його спектра, в першу чергу, на початковому етапі атаки звуку.

-----------------------------------

Підводячи деякі підсумки, можна сказати, що основними фізичними ознаками, за якими визначається тембр інструменту, і його зміна в часі, є:

- вибудовування амплітуд обертонів в період атаки; - зміна фазових співвідношень між обертонами від детермінованих до випадкових (зокрема, за рахунок негармонійними обертонів реальних інструментів); - зміна форми спектральної обвідної в часі в усі періоди розвитку звуку: атаки, стаціонарної частини і спаду; - наявність нерегулярностей спектральної обвідної і положення спектрального центроїда (максимуму спектральної енергії, що пов'язано зі сприйняттям формант) і їх зміна в часі;

Загальний вигляд спектральних огинають і їх зміна в часі

- наявність модуляцій - амплітудної (тремоло) і частотної (вібрато); - зміна форми спектральної що огинає і характеру її зміни в часі; - зміна інтенсивності (гучності) звучання, тобто характеру нелінійності звукового джерела; - наявність додаткових ознак ідентифікації інструменту, наприклад, характерний шум смичка, стукіт клапанів, скрип гвинтів на роялі і ін.

Зрозуміло, все це не вичерпує перелік фізичних ознак сигналу, що визначають його тембр. Пошуки в цьому напрямку тривають.

додаток
Вербальне (словесне) опис тембру

Якщо для оцінки висоти звуків є відповідні одиниці виміру: психофізичні (мели), музичні (октави, тони, півтони, центи); є одиниці для гучності (еони, фони), то для тембрів такі шкали побудувати неможливо, оскільки це поняття багатовимірне. Тому, поряд з описаними вище пошуками кореляції сприйняття тембру з об'єктивними параметрами звуку, для характеристики тембрів музичних інструментів користуються словесними описами, підібраними за ознаками протилежності: яскравий - тьмяний, різкий - м'який і ін.

У науковій літературі є велика кількість понять, пов'язаних з оцінкою тембрів звуку. Наприклад, аналіз термінів, прийнятих в сучасній технічній літературі, дозволив виявити найбільш часто зустрічаються терміни, показані в таблиці. Були зроблені спроби виявити найбільш значущі серед них, і провести шкалювання тембру по протилежним ознаками, а також зв'язати словесний опис тембрів з деякими акустичними параметрами.

Таблиця

Основні суб'єктивні терміни для опису тембру, які використовуються в сучасній міжнародній технічній літературі (статистичний аналіз 30 книг і журналів) Acidlike - кислий forceful - посилений muffled - заглушений sober - тверезий
(Розважливий) antique - старовинний frosty - морозний mushy - пористий soft - м'який arching - опуклий full - повний mysterious - загадковий solemn - урочистий articulate - розбірливий fuzzy - пухнастий nasal - носової solid - твердий austere - суворий gauzy - тонкий neat - акуратний somber - похмурий bite, biting - кусачий gentle - ніжний neutral - нейтральний sonorous - звучний bland - вкрадливий ghostlike - примарний noble - благородний steely - сталевий blaring - ревучий glassy - скляний nondescript - невимовний strained - натягнутий bleating - Мекаючий glittering - блискучий nostalgic - ностальгічний strident - скрипучий breathy - дихальний gloomy - сумовитий ominous - зловісний stringent - стиснутий bright - яскравий grainy - зернистий ordinary - ординарний strong - сильний brilliant - блискучий grating - скрипучий pale - блідий stuffy - задушливий brittle - рухливий grave - серйозний passionate - пристрасний subdued - пом'якшений buzzy - дзижчить growly - гарчить penetrating - проникаючий sultry - спекотний calm - спокійний hard - твердий piercing - пронизливий sweet - солодкий carrying - польотний harsh - грубий pinched - обмежений tangy - заплутаний centered - концентрований haunting - переслідує placid - безтурботний tart - кислий clangorous - звеняще й hazy - смутний plaintive - тужливий tearing - шалений clear, clarity - ясний hearty - щирий ponderous - важкий tender - ніжний cloudy - туманний heavy - важкий powerful - потужний tense - напружений coarse - грубий heroic - героїчний prominent - видатний thick - товстий cold - холодний hoarse - хрипкий pungent - їдкий thin - тонкий colorful - барвистий hollow - порожній pure - чистий threatening - загрозливий colorless - безбарвний honking - гуде
(Автомобільний гудок) radiant - сяючий throaty - хрипкий cool - прохолодний hooty - гуде raspy - деренчить tragic - трагічний crackling - тріскучий husky - сиплий rattling - гуркітливий tranquil - заспокійливий crashing - ламаний incandescence - розжарений reedy - пронизливий transparent - прозразний creamy - вершковий incisive - різкий refined - рафінування triumphant - переможний crystalline - кристалічний inexpressive - невиразний remote - віддалений tubby - бочкоподібний cutting - різкий intense - інтенсивний rich - багатий turbid - мутний dark - темний introspective - поглиблений ringing - дзвінкий turgid - вис копарний deep - глибокий joyous - радісний robust - грубий unfocussed - несфокусованого delicate - делікатний languishing - сумний rough - терпкий unobtrsuive - скромний dense - щільний light - світлий rounded - круглий veiled - завуальований diffuse - розсіяний limpid - прозорий sandy - пісочний velvety - оксамитовий dismal - віддалений liquid - рідкий savage - дикий vibrant - вібруючий distant - виразний loud - гучний screamy - кричущий vital - життєвий dreamy - мрійливий luminous - блискучий sere - сухий voluptuous - пишний (розкішний) dry - сухий lush (luscious) - соковитий serene, serenity - спокійний wan - туск ий dull - нудний lyrical - ліричний shadowy - затінений warm - теплий earnest - серйозний massive - масивний sharp - різкий watery - водянистий ecstatic - екстатичний meditative - споглядальний shimmer - тремтячий weak - слабкий ethereal - ефірний melancholy - меланхолійний shouting - кричущий weighty - великоваговий exotic - екзотичний mellow - м'який shrill - пронизливий white - білий expressive - виразний melodious - мелодійний silky - шовковистий windy - вітряний fat - жирний menacing - загрозливий silvery - сріблястий wispy - тонкий fierce - жорсткий metallic - металевий singing - співучий woody - дерев'яний flabby - в'ялий мisty - неясний sinister - зловісний yearning - тужливий focussed - сфокусований mournful - траурний slack - розхлябаний forboding - відштовхуючий muddy - брудний smooth - гладкий

Однак, головна проблема полягає в тому, що немає однозначного розуміння різних суб'єктивних термінів, що описують тембр. Наведений в таблиці переведення далеко не завжди відповідає тому технічного змістом, який вкладається в кожне слово при описі різних аспектів оцінки тембру.

У нашій літературі раніше був стандарт на основні терміни, але зараз справи йдуть зовсім сумно, оскільки не ведеться робота по створенню відповідної російськомовної термінології, і вживається багато термінів в різних, іноді прямо протилежних, значеннях.

У зв'язку з цим AES при розробці серії стандартів за суб'єктивними оцінками якості аудіоапаратури, систем звукозапису та ін. Почав приводити визначення суб'єктивних термінів в додатках до стандартів, а так як стандарти створюються в робочих групах, що включають провідних фахівців різних країн, то ця дуже важлива процедура призводить до узгодженого розуміння основних термінів для опису тембрів.

Відповідно до сучасних поглядів, найважливішу роль для сприйняття тембру має зміна динаміки розподілу максимуму енергії між обертонами спектра.

Для оцінки цього параметра введено поняття «центр ваги спектра», який визначається як середня точка розподілу спектральної енергії звуку, його іноді визначають як «балансних точку» спектра. Спосіб визначення його полягає в тому, що розраховується значення деякої середньої частоти:, де Ai амплітуда складових спектра, fi їх частота. Для прикладу, це значення центроїда становить 200 Гц.

визначення центроїда

F = (8 х 100 + 6 х 200 + 4 х 300 + 2 х 400) / (8 + 6 + 4 + 2) = 200.

Зсув центроїда в сторону високих частот відчувається як підвищення яскравості тембру.

Істотний вплив розподілу спектральної енергії по частотному діапазону і її зміни в часі на сприйняття тембру пов'язано, ймовірно, з досвідом розпізнання звуків мови по формантного ознаками, які і несуть інформацію про концентрацію енергії в різних областях спектру (невідомо, правда, що було первинним).

Ця здатність слуху має істотне значення при оцінці тембрів музичних інструментів, оскільки наявність формантних областей характерно для більшості музичних інструментів, наприклад, у скрипок в областях 800 ... 1000 Гц і 2800 ... 4000 Гц, у кларнетів 1400 ... 2000 Гц і т.д. Відповідно, їх положення і динаміка зміни в часі впливають на сприйняття індивідуальних особливостей тембру.

Відомо, яке значний вплив на сприйняття тембру співочого голосу надає наявність високої співочої форманти (в області 2100 ... 2500 Гц у басів 2500 ... 2800 Гц у тенорів, 3000 ... 3500 Гц у сопрано). У цій області у оперних співаків зосереджується до 30% акустичної енергії, що забезпечує дзвінкість і політ голосу. Видалення за допомогою фільтрів співочої форманти із записів різних голосів (ці досліди були виконані в дослідженнях проф. В.П. Морозова) показує, що тембр голосу стає тьмяним, глухим і млявим.

Зміна тембру при зміні гучності виконання і транспонировании по висоті також супроводжується зрушенням центроїда за рахунок зміни кількості обертонів. Приклад зміни положення центроїда для звуків скрипки різної висоти показаний на малюнку 9 (по осі абсцис відкладена частота розташування центроїда в спектрі). Дослідження показали, що у багатьох музичних інструментів є майже монотонна зв'язок між збільшенням інтенсивності (гучності) і зрушенням центроїда в високочастотну область, за рахунок чого тембр стає яскравішим.

Зміна положення центроїда для звуків скрипки

Нарешті, різниця у сприйнятті тембрів реальних звуків і звуків з «віртуальної висотою», тобто звуків, висоту яких мозок «добудовує» за кількома цілочисельним обертонам спектра (це характерно, наприклад, для звуків дзвонів), можна пояснити з позицій положення центроїда спектра. Оскільки у цих звуків значення частоти основного тону, тобто висоти, може бути однаковим, а положення центроїда різний через різного складу обертонів, то, відповідно, тембр буде сприйматися по-різному.

Цікаво відзначити, що ще більше десяти років тому для вимірювання акустичної апаратури був запропонований новий параметр, а саме тривимірний спектр розподілу енергії по частоті і по часу, так званий розподіл Вігнера, яке досить активно використовується різними фірмами для оцінки апаратури, оскільки, як показує досвід , дозволяє встановити найкращу відповідність з її якістю звучання. З огляду на викладене вище властивість слуховий системи використовувати динаміку зміни енергетичних ознак звукового сигналу для визначення тембру, можна припустити, що цей параметр розподіл Вігнера може бути корисний і для оцінки музичних інструментів.

Оцінка тембрів різних інструментів завжди носить суб'єктивний характер, але якщо при оцінці висоти і гучності можна на основі суб'єктивних оцінок розташувати звуки за певною шкалою (і навіть ввести спеціальні одиниці виміру «сон» для гучності і «крейда» для висоти), то оцінка тембру значно більш важке завдання. Зазвичай для суб'єктивної оцінки тембру слухачам пред'являються пари звуків, однакових по висоті і гучності, і їх просять розташувати ці звуки за різними шкалами між різними протилежними описовими ознаками: «яскравий» / »темний», «дзвінкий» / »глухий» і т.д . (Про вибір різних термінів для опису тембрів і про рекомендації міжнародних стандартів з цього питання ми обов'язково поговоримо в подальшому).

Істотний вплив на визначення таких параметрів звуку, як висота, тембр і ін., Робить поводження в часі перших п'яти-семи гармонік, а також ряду «неразвернутих» гармонік до 15 ... 17-ій. Однак, як відомо із загальних законів психології, короткочасна пам'ять людини може одночасно оперувати не більше ніж сім'ю-вісьмома символами. Тому очевидно, що і при розпізнаванні і оцінці тембру використовується не більше семи-восьми істотних ознак.

Спроби встановити ці ознаки шляхом систематизації і усереднення результатів експериментів, знайти узагальнені шкали, за якими можна було б ідентифікувати тембри звуків різних інструментів, зв'язати ці шкали з різними тимчасово-спектральними характеристиками звуку, робляться вже давно.

Основні механізми звукоутворення мови

Мовний сигнал є засобом передачі різноманітної інформації як вербальної (словесної), так і невербальної (емоційної). Для швидкої передачі інформації в процесі еволюції був відібраний особливим чином закодований і структурований акустичний сигнал. Для створення такого спеціалізованого акустичного сигналу використовується «голосовий апарат», поєднаний з фізіологічним апаратом, призначеним для дихання і жування (оскільки мова виникла на пізніх стадіях еволюції, то до речеобразования довелося пристосувати вже наявні органи

Процес утворення і сприйняття мовних сигналів, схематично показаний на малюнку 1, включає в себе наступні основні етапи: формулювання повідомлення, кодування в мовні елементи, нейромускульние дії, руху елементів голосового тракту, випромінювання акустичного сигналу, спектральний аналіз і виділення акустичних ознак в периферичної слухової системи , передача виділених ознак по нейронних мереж, розпізнавання мовного коду (лінгвістичний аналіз), розуміння змісту повідомлення.

Основні процеси освіти і сприйняття мови

Голосовий апарат є, по суті, духовим музичним інструментом. Однак серед усіх музичних інструментів він не має собі рівних за своєю багатогранністю, різнобічності, можливості передачі найменших відтінків і ін. Всі способи звуковидобування, які використовуються в духових інструментах, використовуються і в процесі освіти мови (в т.ч. вокальної мови), однак всі вони перестраіваемость (за наказами мозку), і мають найширші можливості, недоступні жодному інструменту.

Структура голосообразующего апарату

Якщо розглядати структуру голосообразующего апарату як духового музичного інструменту, він складається з трьох основних частин (рисунок 2):

- генератора - дихальної системи, яка складається з повітряного резервуара (легких), де запасається енергія надлишкового тиску, м'язової системи і вивідного каналу (трахеї) зі спеціальним апаратом (гортанню), де повітряний струмінь переривається і модулюється;

- вібраторів - голосових зв'язок, повітряних турбулентних струменів (створюють крайові тони), імпульсних джерел (вибухів);

- резонаторів - розгалуженої і перебудовується системи резонансних порожнин складної геометричної форми (глотки, ротової і носової порожнини), званої артикуляційної системою.

Генерація енергії повітряного стовпа відбувається в легенях, які представляють собою своєрідні хутра, що створюють потік повітря при вдиху і видиху за рахунок різниці атмосферного і внутрілегочного тиску. Процес вдиху і видиху відбувається за рахунок стиснення і розширення грудної клітини, які здійснюються зазвичай за допомогою двох груп м'язів: міжреберних і діафрагми, при глибокому посиленому диханні (наприклад, при співі) скорочуються також м'язи черевного преса, грудей і шиї. При вдиху діафрагма ущільнюється і опускається вниз, скорочення зовнішніх міжреберних м'язів піднімає ребра і відводить їх в сторони, а грудину - вперед. Збільшення грудної клітини розтягує легені, що призводить до падіння внутрілегочного тиску по відношенню до атмосферного, і в цей «вакуум» спрямовується повітря. При видиху м'язи розслаблюються, грудна клітка за рахунок своєї ваги повертається в початковий стан, діафрагма піднімається, об'єм легенів зменшується, внутрилегочное тиск зростає, повітря спрямовується в зворотному напрямку. Таким чином, вдих - процес активний, що вимагає витрати енергії, видих - процес пасивний. При звичайному диханні цей процес відбувається приблизно 17 разів на хвилину, управління цим процесом як при звичайному диханні, так і при мови, відбувається несвідомо, але при співі процес постановки дихання відбувається свідомо і вимагає тривалого навчання.

Кількість енергії, яке може бути витрачено на створення мовних акустичних сигналів, залежить від обсягу запасеного повітря і відповідно від величини додаткового тиску в легенях. З огляду на, що максимальний рівень звукового тиску, який може розвивати співак (мається на увазі оперний), становить 100 ... 112 дБ, то очевидно, що голосовий апарат є не дуже ефективним перетворювачем акустичної енергії, Його ККД становить близько 0,2%, як і у більшості духових інструментів.

Модуляція повітряного потоку (за рахунок вібрацій голосових зв'язок) і створення подглоточного надлишкового тиску відбувається в гортані. Гортань (larynx) - це клапан, (рисунок 3), який знаходиться на кінці трахеї (вузької трубки, по якій повітря піднімається з легких). Цей клапан призначений для запобігання трахеї від попадання сторонніх предметів і для підтримки високого тиску при підйомі важких предметів. Саме цей апарат і використовується в якості голосового джерела при мови і співі. Гортань утворена з набору хрящів і м'язів. Спереду її охоплює щитовидний хрящ (thyroid), ззаду - перстнеподібний хрящ (cricoid), ззаду також розташовуються більш дрібні парні хрящі: черпаловідние, рожковідние і клиновидні. Зверху гортані розташований ще один хрящ-надгортанник (epiglottis), також типу клапана, який опускається при ковтанні і закриває гортань. Всі ці хрящі з'єднані м'язами, від рухливості яких залежить швидкість повороту хрящів. З віком рухливість м'язів зменшується, хрящі також стають менш еластичними, тому можливості віртуозного володіння голосом при співі також зменшуються.

будова гортані

Найбільш складно влаштований середній відділ гортані (малюнок 4), в якому розташовані парна м'язова перегородка (еластичний конус) і дві пари складок. Верхні називаються преддверно, або «помилковими голосовими», а нижні - голосовими. У товщі останніх лежать голосові зв'язки, утворені еластичними волокнами, і м'язи (малюнок 5). Проміжок між правою і лівою голосовими складками називається голосовою щілиною. Голосові зв'язки натягнуті між щитовидним і хрящів. Розміри голосової щілини у відкритому стані 2 см в довжину і 1 см в ширину.

Перетин трахеї і гортані

Саме голосові складки і є основним (але не єдиним) джерелом голосоутворення (вібратором). Переддверно голосові складки виділяють спеціальну слизову секрецію, яка допомагає змащувати голосові складки і оберігає їх від пошкодження при терті під час звукоутворення. Зазвичай вони не беруть участі в процесі звукоутворення, однак при деяких патологіях справжніх зв'язок, вони можуть брати участь в утворенні звуку (наприклад, спів Луї Армстронга). (Хрипота голосу Армстронга була викликана бородавчастими утвореннями на голосових зв'язках - це лейкоплакия, що виявляється як ділянки зроговіння епітелію. Діагноз «лейкоплакія» був поставлений артистові в зрілому віці, але хрипота в голосі присутня вже на його перших записах, зроблених у віці 25 років.

Голосова щілина і голосові складки в динаміці

Між двома парами складок знаходяться невеликі порожнини (шлуночки гортані), які дозволяють безперешкодно голосовим складкам і грають роль акустичних фільтрів, зменшуючи рівень високих гармонік (скріпучесть голосу), вони ж грають роль резонаторів для тихих тонів і при співі в фальцет. При русі хрящів голосові складки можуть зрушуватися і розсуватися, відкриваючи прохід повітря. При поворотах щитовидного і перстневидного хрящів вони можуть розтягуватися і стискатися, при активації вокальних м'язів вони можуть розслаблятися і напружуватися. Процес утворення звуків мови визначається рухом (коливаннями) зв'язок, що призводить до модуляції потоку повітря, що видихається з легких. Такий процес називається фонації (існують і інші механізми звукоутворення, вони будуть розглянуті далі).

У статті використано матеріал:

Основи психоакустики.
Ірина Алдошина

Механізм утворення мови

Денис Мерзляков

схоже