CC BY
2
АКУСТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕВЧЕСКОГО ГОЛОСА Т.В. Харламова, певица, вокалистка
Астраханский музыкальный колледж им. М.П. Мусоргского (Россия, г. Астрахань)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-10-3-191-196
Аннотация. В статье даётся акустическая характеристика певческого голоса. Рассматривается анатомические механизмы пения. Приводятся подходы к количественной характеристике форм волн акустического давления, которые имеют различные звуки. Рассматриваются широкополосные и узкополосные спектрограммы, долгосрочный усреднённый спектр, дрожание и мерцание голоса и кепстр. Отмечается, что акустические характеристики певческого голоса коррелируют с физиологическим состоянием голосового аппарата певцов.
Ключевые слова: певческий голос, акустика, голосообразование, фонация, акустический анализ.
Акустическая структура певческого голоса определяет качество его звучания - биофизические характеристики, которые изменяются в процессе развития голоса [1]. С позиций акустики и физиологии постановка голоса сводится к приобретению устойчивой вокальной техники или системы управления певческой фонацией. Совершенствование вокальной техники, включая все элементы организации певческого звукообразования, развитие подвижности и гибкости голоса, лежит в основе постепенного обогащения палитры интонационных красок звучания певца. Вокально-техническая работа производится под постоянным слуховым контролем и нацелена на достижение определённых акустических и эстетических норм звучания певческого голоса [2]. Необходимый акустический эффект достигается путём нервной регуляции физиологических процессов во время пения. Развитие вокальной техники требует понимания не
только эстетических и психологических, но также акустических и физиологических факторов, относящихся к процессам голосообра-зования.
Целью работы является изучение акустической характеристики певческого голоса. Для её достижения был проведён анализ и синтез материалов по вокальной акустике, применён системно-структурный подход к рассмотрению ключевых аспектов проблемы исследования.
Чтобы петь, человек выдыхает воздух из лёгких [3]. Воздух проходит между голосовыми связками, которые представляют собой мышечные ткани в гортани (рис. 1). При правильно подобранном давлении воздуха, натяжении и положении голосовых связок можно получить вибрирование складок с частотой, необходимой для пения. Тогда гортань станет колеблющимся клапаном, пропускающим потоки воздуха в голосовой тракт.
Рис. 1. Строение гортани
Для создания вибраций используется чер-паловидный хрящ, ограничивающий голосовые связки в более узком положении, чем при обычном дыхании (рис. 2). Голосовая щель широко открывается для дыхания и некоторых непроизнесенных звуков, закрывается для герметизации воздуха в лёгких и придания жёсткости туловищу, сужается для шёпота и вибрирует для речи и пения. По сравнению с широкой голосовой щелью, используе-
мой для дыхания, узкая голосовая щель ограничивает поток воздуха, что приводит к большему устойчивому падению давления через гортань. При большем падении давления повышается скорость поступления воздуха через голосовую щель, а при меньшем поперечном сечении снижается объёмный поток, создаваемый данным давлением в лёгких [4].
Рис. 2. Строение голосовых связок
Мышцы не вызывают прямую вибрацию голосовых связок - они обычно колеблются со скоростью более 100 колебаний в секунду, что слишком быстро для прямого мышечного действия. Вместо этого энергия, необходимая для начала и поддержания колебания, извле-
кается из энергии воздушного потока через гортань и разницы давления на ней (рис. 3). Среднее давление под складками (давление, подаваемое из лёгких) больше, чем среднее давление над складками, которое близко к атмосферному.
Рис. 3. Схема колебания голосовых связок в поперечном сечении, вид спереди: a - складки зарыты, Ь - под давлением воздуха складки начинают подниматься и раздвигаться, с - складки открыты, d - в силу эластичности складки начинают возвращаться в исходное положение
Различные звуки имеют различные формы волн акустического давления [5]. Чтобы количественно охарактеризовать эти формы волн, необходимо применить математическую теорему - быстрое преобразование Фурье. Она гласит, что любая периодическая форма волны может быть описана как набор отдельных частотных компонентов (компонент Фурье). Каждый компонент частоты Фурье представляет собой синусоидальную волну, суммирование которых дают анализируемую сложную периодическую волну. Все синусоидальные волны, составляющие сложную периодическую волну, имеют особую взаимосвязь: все их частоты являются целыми кратными основной частоты. Этот набор частот-
ных компонентов называется гармоническим рядом. На рисунок 4 представлена сложная периодическая форма волны с 10 гармониками, каждая из которых является синусоидальной волной. Частоты этих 10 гармоник являются целочисленными произведениями основной частоты, нижние из которых соответствуют определённым музыкальным интервалам. Графически это можно представить как спектр, отображающий все компоненты звука, раскладывающий звуковые волновые формы во временной области на их спектр в частотной области. Правая часть рисунка отображает такой спектр. Здесь вертикальная ось представляет амплитуду каждой отдельной гармоники, горизонтальная ось - её частоту.
Рис. 4. Гармонический ряд сложного тона (слева) и его графическое представление в виде отображения спектра в один момент времени (справа)
Спектральная форма связана с воспринимаемым тембром, поэтому акустический анализ обычно используется в клинических и образовательных учреждениях [6]. Изучение за-
фиксированных изменений акустического давления с течением времени, то есть форм волн, позволяет проводить как перцептивную, так и акустическую оценку вокализации. В
клинике голоса анализ акустического сигнала помогает диагностировать голосовую функцию и здоровье голоса.
Тембральные характеристики в звуковых последовательностях или устойчивых звуках отражают спектрограммы [7]. Они позволяют анализировать комбинированные эффекты поведения гортани и движений акустического аппарата, таких как гласные и согласные во время речи и пения. Спектрограммы могут быть настроены для представления данных либо в соответствии с концентрацией энергии
в широких полосах - широкополосные спектрограммы, или в узких частотах - узкополосные спектрограммы (рис. 5). Первый вариант больше подходит для демонстрации резонансных стратегий, второй - детально отображает изменение отдельных гармонических частей во времени. С помощью широкополосных спектрограмм можно распознавать гласные, согласные и резонансные или формант-ные частоты голосового тракта в виде червеобразных узоров, отражающих артикуляционные жесты.
Рис. 5. Широкополосные (слева) и узкополосные (справа) спектрограммы, отображающие гласный /а/, спетый в D4 с модальным регистром
Для отображения важных физических свойств звуков используется долгосрочный усреднённый спектр (LTAS) [8]. Он показывает среднюю амплитуду в различных частотных диапазонах вдоль вертикальной оси и частоты полос вдоль горизонтальной (рис. 6). Пики в LTAS представляют средние значения формантных частот. Анализ LTAS позволяет
получить спектральный баланс - разницу амплитуд между низкочастотной и высокочастотной частью кривой LTAS. Альфа-коэффициент определяет соотношение между частотой выше и ниже 1000 Гц в LTAS. Этот показатель часто коррелирует с громкостью голоса и тембровой яркостью.
Рис. 6. LTAS сопрано, поющего «О тю ЬаЬЫпо саго» из оперы «Джанни Скикки» Джакомо Пуч-
чини. SPL - уровень звукового давления
Помимо качественного анализа тембра голоса, акустический анализ даёт количественную информацию о регулярности колебаний голосовых связок с точки зрения мер возмущения голоса. Традиционно регулярность голоса оценивается монопараметрически с точки зрения возмущений частоты и амплитуды и уровней шума. Дрожание голоса отражает изменение основной частоты, мерцание - изменение амплитуды [9]. Эти величины могут быть абсолютными и относительными, измеряемыми от цикла к циклу или с помощью интерполяции циклов.
Человеческий голос также генерирует непериодические сигналы или шум (рис. 7). Измерение уровней шума в голосе даёт информацию о степени периодичности голосовых циклов и неполном закрытии голосовой щели при вибрации голосовой связки. Отношения гармоники к шуму, шума к гармонике и возбуждения голосовой щели к шуму позволяют вычислить шум и гармонические компоненты и представить измеримые данные, которые связаны с восприятием придыхания и грубости голоса.
0 1 2 3 4 0 1 2 3
Frequency ¡Hz]
Рис. 7. Пример спектров голоса без придыхания (слева) и с придыханием (справа)
Другим визуальным представлением звука является кепстр, который представляет собой спектр спектра: ряды смежных спектров расположены во временной последовательности, которая рассматривается как аудиосигнал, что позволяет преобразовать спектр в сигнал во
временной области (рис. 8) [9]. Кепстр отражает как периодичность, так и спектральные свойства сигнала - гармонические компоненты. Плавное выступление кепстрального пика, обычно используемое для анализа кепстра, клинически связано с нарушениями голоса.
Рис. 8. Схема, иллюстрирующая компоненты сглаженного кепстра и его линию регрессии для
определения пика в квазипериодическом сигнале
Таким образом, акустические характери- акустических закономерностей, сопутствую-стики певческого голоса коррелируют с фи- щих изменениям качества звучания певческо-зиологическим состоянием голосового аппа- го голоса с позиций физиологии, позволит ис-рата певцов. Расчёт спектральных характери- полнителям более осознанно подходить к вы-стик может в значительной степени могут по- бору методических систем тренировок. казать состояние голоса вокалиста. Изучение
Библиографический список
1. Стулова Г.П. Акустические основы вокальной работы с детским хором: курс лекций для студентов магистратуры музыкальных факультетов высших педагогических учебных заведений. - М., 2015. - 123 с.
2. Харченко И.В. Особенности развития певческого голоса, совершенствование культуры исполнительского мастерства: методическое пособие. - Ростов-на-Дону: Ростовский колледж культуры, 2019. - 32 с.
3. Wolfe J., Garnier M., Bernardoni N.H., Smith J. The Mechanics and Acoustics of the Singing Voice. Registers, Resonances and the Source-Filter Interaction // The Routledge Companion to Interdisciplinary Studies in Singing, Volume I: Development. 1st Edition. 2020. - 15 p.
4. Wolfe J. Air speed and blowing pressure in woodwind and brass instruments: how important are they? UNSW. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.phys.unsw.edu.au/jw/air-speed.html.
5. Titze I.R., Verdolini-Abbot K. Vocology: The science and practice of voice habilitation. The National Center for Voice and Speech. - 2012. - 358 p.
6. Behlau M., Madazio G., Vaiano T., Pacheco C., Badaro F. Voice evaluation - contribution of the speech-language pathologist voice specialist - SLP-V: part A. History of the problem and vocal behaviour data, self-assessment and auditory perceptual judgement // Hearing, Balance and Communication. -2022. - Vol. 19. № 5. - Pp. 311-317. DOI: 10.1080/21695717.2021.2020509.
7. Stemple J.C., Roy N., Klaben B.K. Clinical voice pathology: Theory and management. Plural Publishing, 2020. - 540 p.
8. Bahmanbiglu S.A., Mojiri F., Abnavi F. The Impact of Language on Voice: An LTAS Study // Journal of Voice. - 2017. - Vol. 31, Iss. 2. - Pp. 249.e9-249.e12.
9. Backstrom T., Rasanen O., Zewoudie A. et al. Introduction to Speech Processing. 2nd Edition, 2022. DOI: 10.5281/zenodo.6821775.
10. Baker C.P., Sundberg J., Purdy S.C., Rakena T.O., LeJo S.H. CPPS and Voice-Source Parameters: Objective Analysis of the Singing Voice // Journal of Voice. - 2024. - Vol. 38, Iss. 3. - Pp. 549560. DOI: 10.1016/j.jvoice.2021.12.010.
ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF THE SINGING VOICE
T.V. Kharlamova, singer, vocalist
Astrakhan Music College named after M.P. Musorgsky
(Russia, Astrakhan)
Abstract. The article gives an acoustic characteristic of the singing voice. The anatomical mechanisms of singing are considered. Approaches to the quantitative characterization of acoustic pressure waveforms that have different sounds are presented. Broadband and narrowband spectrograms, long-term averaged spectrum, voice jitter and flicker, and cepstr are considered. It is noted that the acoustic characteristics of the singing voice correlate with the physiological state of the singers' vocal apparatus.
Keywords: singing voice, acoustics, voice formation, phonation, acoustic analysis.
