IV. Основы акустики

Звук – это распространение колебаний, т. е. волн в упругой среде. Звук голоса – это колебание частиц воздуха, распространяющееся в виде волн сгущения и волн разряжения, при этом частицы не бегут вместе с волной, а лишь колеблются, передавая колебания своим соседям. Когда звук, например, проникает через стену, ее частицы передают колебания, не сдвигаясь с места. Плавающий на воде лист, поднятый и опущенный проходящей волной, не бежит вместе с ней, а лишь колеблется. Это есть акустический закон распространения волн. Существует еще аэродинамический закон – при помощи ветра, сильный ветер может относить звуки в сторону.

Среди звуков, которые нас окружают, мы различаем звуки, имеющие определенную высоту, тоновые звуки, и звуки, неопределенные по высоте – шумы. В голосовом аппарате человека при речи и пении возникают и тоновые и шумовые звуки. Например, все гласные имеют тоновой характер, а глухие согласные – шумовой. Музыка – это царство тоновых звуков, а пение осуществляется на гласных. Всякий музыкальный звук характеризуется высотой, силой и тембром.

Высота звука – это субъективное восприятие частоты колебательных движений. Чем чаще совершаются периодические колебания воздуха, тем выше для нее звук. Какова бы ни была частота звука, скорость, с которой он распространяется по воздуху, остается одинаковой и при + 18° С равна 342 м/сек. Расстояние между двумя соседними волнами, т. е. между двумя соседними сгущениями или разрежениями воздуха, носит название длины волны. Частота колебаний и длина волны находятся в обратно пропорциональной зависимости. Их произведение всегда равно 342 м/сек., следовательно, зная частоту колебаний, мы легко можем вычислить длину ее волн и наоборот. Таким образом, длина волны отражает то же качество, что и частота, т. е. высоту звука. Длинные волны и редкие колебания – это низкие звуки; короткие волны и частые колебания – высокие. Длины волн выражаются в метрах или в сантиметрах и т. д., а частота колебаний – в количестве полных колебаний в секунду, так называемых герцах (гц). Если ухо воспринимает от 16 гц до 20000 гц, то звуковой диапазон певцов распространяется чаще всего от 60-70 гц (низкие ноты баса) до 1200-1300 гц (высокие ноты сопрано), что соответствует длинам волн от 5,7 м – 4,8 м до 0,25 – 0,26 м. Е = 75 гц, до² = 512 гц, до³ = 1024 см

4,5 м 60 см 30 см.

Мы дали эти цифры, чтобы ответить на вопрос, как будет себя вести звуковая волна при встрече с препятствиями.

Согласно акустическому закону – возбуждению близлежащих молекул – длина волны будет огибать препятствие, если оно меньше, и звук будет отражаться согласно закону светового луча, т. е. угол падения равен углу отражения, если длина волны меньше препятствия. Если же длина волны соответствует длине препятствия, может произойти эффект резонанса, если препятствие является резонатором или декой; если нет, то часть энергии будет поглощаться, часть – отражаться.

Сила звука – это наше субъективное восприятие размаха колебательных движений, его амплитуда. Амплитуда не зависит от его частоты. Если струну на фортепиано слегка ударить молоточком, а потом сильно – высота звука не изменится, изменится только сила толчков, с которой струна будет давить на окружающие ее частицы воздуха. Сила звука голоса так же, как и его высота, рождается в гортани и растет с увеличением силы подсвязочного давления. Чем с большим напором прорываются сквозь голосовую щель порции воздуха, тем выше энергия, которую они несут, т. е. сильнее амплитуда колебаний частиц воздуха и, естественно, сильнее их давление на барабанную перепонку.

Наиболее сложным качеством певческого голоса является его тембр.

Музыкальные тоны, как и большинство окружающих нас звуков, являются тонами сложными, состоящими из многих колебаний разной частоты и силы. В сложном звуке различают основной тон, который определяет высоту звучания сложного звука, и частичные тоны, или обертоны, сумма звучания которых создает совершенно определенный тембр, то есть характер звучания. Когда колеблется упругое тело, например, струна, она совершает колебания с наибольшим размахом всей своей длиной, но каждая колеблющаяся ее часть толкает окружающий воздух со свойственной ей частотой, что и рождает обертоны. Частота этих колебаний будет в 2, 3, 4 и т. д. раз больше, чем частота колебаний всей струны. Эти частичные колебания струны передаются воздуху и входят в общее звучание, придавая ему определенный тембр. Обычно основной тон самый сильный (у струны - это наибольшая амплитуда), а обертоны - слабее по мере убывания. Но в голосе человеческом (или у духовых инструментов) основной тон может оказаться в ряде случаев небольшим, тогда как отдельные обертоны или группы обертонов выглядят на осциллографе не по степени убывания, как у рояля или гитары, а резко усиленными. Это изменение исходного спектра источника колебаний связано с явлением резонанса дек или трубок, коробок и др. резонаторов, в зависимости от инструмента, о котором идет речь. В настоящее время имеется ряд аппаратов, которые позволяют производить точный анализ звуков, например, осциллограф, компьютер.

Остановимся на явлении резонанса, которое является основным механизмом, изменяющим первоначальное звучание источника звука в различных музыкальных инструментах. Резонанс является причиной усиления различных групп обертонов, т. е. основным темброобразующим механизмом.

Как известно, струна, натянутая на колок, издает звук определенной высоты, и это зависит от ее упругости, длины, толщины и характера материала, из которого она сделана, т. е. каждая струна имеет собственную частоту колебаний. Если эта частота совпадает с частотой подходящих волн, то струна начнет колебаться. С каждой новой подходящей волной струна начнет получать новую маленькую порцию энергии и станет постепенно раскачиваться все больше и больше. В других струнах от этих малых порций ритмической поступающей энергии (т. е. периодических толчков) раскачки не произойдет, потому что толчки будут осуществляться не в такт собственным колебаниям струн. Если качели подталкивать в такт – они раскачиваются; если не в такт, они, качнувшись от первого толчка, будут остановлены вторым или третьим. Если собственная частота струны вдвое, втрое и т. д. больше, чем частота подходящих волн, то такие струны тоже раскачиваются, получая подталкивание в такт через одно, два и т. д. колебаний. Но в этом случае раскачка получается менее сильной. Поэтому фортепиано отвечает не только раскачкой той струны, которая по собственной частоте совпадает с частотой подходящих волн, но и слабой раскачкой октавной струны к этому тону, квинтовой струны через октаву и т. д., составная часть которых в 2, 3, 4 и т. д. раза больше частоты подходящих волн. Поэтому явление резонанса возникает не только в случае совпадения основных тонов, но и обертонов. Только в этом случае раскачка получается менее сильной. Необходимо отметить, что, несмотря на то, что при резонансе получается усиление звучания, новой энергии тут не возникает, не добавляется. Энергию для своих колебаний резонирующая струна получила от другого инструмента; эта энергия не родилась в ней, а лишь постепенно накопилась, аккумулировалась, аналогично энергии, накапливающейся от нашей руки при раскачивании в такт качелей. В приведенном примере мы коснулись для наглядности резонанса в струнах. В голосовом аппарате мы имеем дело с резонансом объемов воздуха.

Под резонатором в акустике подразумевается какой-то объем воздуха, заключенный в упругие стенки и имеющий выходное отверстие. Резонатором он называется потому, что если возбудить колебания находящегося в нем воздуха, то резонатор издаст звук совершенно определенной высоты. С точки зрения акустики стакан, полый шар, трубка, бутылка являются резонаторами. Чем меньше разметы резонатора и вместе с этим объем заключенного в нем воздуха, тем выше тон, который родится в резонаторе – его собственный тон. Это связано с тем, что поскольку скорость распространения волн в воздухе постоянна, то за одно и то же время в небольшом объеме воздуха волна успеет совершить много полных колебаний (т. е. собственный тон будет иметь высокую частоту), в больших объемах – мало (т. е. небольшую частоту).

Как и при резонансе струн, сам резонатор не добавляет энергии, а лишь аккумулирует, накапливает ту энергию, которая содержится в подходящих к нему волнах. Потом резонатор отдает ее в наружную среду, гудит, отзвучивает, отчего звук для слушателя становится громче.

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 окружающие его мелкие придаточные полости обладают достаточно упругими стенками для того, чтобы в них возникли явления резонанса. Одни из них по форме и размерам неизменны, даны от природы, следовательно, всегда усиливают одни и те же обертоны, порождают постоянно присутствующие в голосе призвуки и не могут быть специально приспособлены для усиления каких-либо других обертонов (например, нос и его придаточные полости). Другие легко меняют свою форму и размеры: ротовая полость, глотка, надсвязочная полость гортани; они могут использоваться в широких пределах для изменения исходного тембра путем резонаторного усиления определенных групп обертонов. Именно благодаря резонаторным явлениям, в спектре голоса человека получаются усиления отдельных обертонов, которые часто оказываются сильнее основного тона. В струнных инструментах основным механизмом, меняющим исходный тембр струн, являются деки. Под деками понимаются специально сконструированные деревянные доски, образующие, например, в скрипичных инструментах, их корпус. Деки отдают воздушной среде те колебания, которые они получили от источника колебаний – от струн. Однако они являются не только передатчиками, но и трансформаторами тембра исходного звука струн. Например, ксилофон – инструмент, состоящий из отдельных деревянных дощечек – брусочков различной длины, которые при ударе палочкой издают музыкальный тон определенной высоты. Этот тон зависит от длины брусочка, его толщины и материала, из которого он сделан. Соответственно и резонировать дощечка будет на этот тон. Деки можно себе представить как сумму таких дощечек, скрепленных воедино и имеющих у разных инструментов различную форму. Общеизвестно, что ценность скрипки определяется особенностями строения ее корпуса, ее дек, а не качеством натянутых на нее струн. То же относится и к фортепиано, где, кроме механики, ценится прежде всего то, что дает красивый звук, т. е. качество деревянных конструкций, дек, которые образуют спектр с усилением тех или иных частот.

V. Основы акустики (окончание)

Гортань родит звук индифферентный, не имеющий еще формы того или иного гласного. Характер речевого звука исходный тембр гортани получает, проходя через надставную трубку, т. е по ротоглоточному каналу. Люди знали это давно. В старые времена преступникам вырезали язык, при этом они лишались возможности произносить различные гласные и согласные, лишались дара речи, сохраняя голос.

Форманты гласных звуков речи

Как известно еще со времен Гельмгольца, каждый звук содержит в своем обертоновом составе две основные усиленные области частот, так называемые характеристические тоны Гельмгольца, по которым наше ухо и различает один гласный звук от другого. Эти области частот носят название формант гласных. Язык является тем основным артикуляционным органом, перемещение которого создает в ротовой и глоточной полостях нужные для образования формант объемы воздуха. Формантные области для гласных русского языка по Фанту равны: а – 700 и 1000 гц; о – 535 и 780 гц; у – 300 и 780 гц; е – 440 и 1800 гц; и – 240 и 2280 гц. Первая цифра – это всегда область усиления глотки, а вторая – ротовой полости. Глоточная полость увеличивается при переходе от и к у в последовательности и-е-а-о-у.

Таким образом, переход от гласного к гласному есть тембральное изменение звука, обязанное своим происхождением и изменением резонансу ротоглоточных полостей. Мы также различаем на слух голос мужской и женский, голос знакомый и незнакомый, детский. Подобные особенности тембра связаны как формантной особенностью спектра, т. е. усилением отдельных частот, благодаря резонансу, так и неформантными особенностями спектра, т. е. общим набором обертонов. Термин форманта применяется там, где имеются усиленные обертоны, формирующие характерную окраску тембра данного звука или инструмента. Особым набором обертонов-формант характеризуется, например, звучание гобоя, флейты, кларнета, фагота и т. п.

Певческие форманты

При анализе хорошо поставленных певческих голосов было выяснено, что основные качества такого тембра – это металличность и блеск, с одной стороны, и мягкость, округлость – с другой, зависят от усиления в спектре голоса соответственно двух областей обертонов. Эти области усиления частот, характеризующие специфический тембр голоса, были названы певческими формантами. Установили, что в спектре хорошо поставленного мужского голоса всегда присутствуют усиленные обертоны с частотой 517 гц. Эта форманта получила название низкой певческой форманты. В 1934 году Бартомолью открыл высокую певческую форманту. Для низких голосов это область 2500 – 2800 гц, для более высоких она доходит до 3200 гц. Высокая певческая форманта привносит в звук яркость, блеск, металл. От ее присутствия зависит дальнобойность, полетность звука, способность пробивать оркестр. В лаборатории Ленинградской консерватории высокая певческая форманта была выделена В. П. Морозовым из голоса поющего певца в изолированном виде. Она воспринимается как высокий свист – в районе частот на высоте фа⁴. Этот тон слегка вибрирует, напоминая соловьиную трель. Без него даже очень мощные голоса теряют полетность. Частоты порядка 2500 – 3000 гц возникают в гортани человека. Надсвязочная полость гортани, образующаяся между голосовыми связками и входом в гортань, имеет размеры 2,5 – 3,0 см и резонирует на эти частоты. Местом возникновения низкой певческой форманты предположительно считают трахею.

При пении форманты гласные звучат ближе друг к другу, более нейтрализовано, чем в речи. Певческие форманты в пении для нас более важны, особенно при повышении тесситуры. По мнению Емельянова, выше ми второй октавы для женщин и детей и первой, соответственно для мужчин, гласные звучат максимально нейтрально, следовательно, в четкости соблюдения формант гласных отпадает необходимость, а вот наличие в спектре голоса певческих формант должно быть всегда; в высокой тесситуре должна присутствовать низкая певческая форманта, так же как и в низких нотах нельзя терять высокую певческую форманту или, как ее еще называют, – высокую позицию.

Тембр певческого голоса зависит не только от спектрального состава звука, но и от vibrato. Vibrato делает голос теплым, живым, выразительным. Оно воспринимается нашим слухом как составная часть тембра звука, причем чаще 6 - 7 гц – это тремоляция, реже – качание. Голос в процессе vibrato изменяется по высоте, силе и тембру. По высоте 1/2 тона, по силе – более сильный в центре и более слабый по краям, по тембру – от более светлого к более темному.

Теперь коснемся вопроса перехода звука от колеблющегося тела в пространство и восприятия звука нашим слухом.

Переход энергии колеблющегося тела в звуковые колебания воздушной среды носит название излучения звука. Излучение тем лучше, чем больше площадь излучающей поверхности. Наоборот, при малых площадях излучение невелико. Например, камертон сам по себе звучит слабо, но, будучи прислонен к какому-либо упругому предмету – столу, двери, шкафу и т. п. - начинает звучать значительно сильнее. Аналогичное явление происходит и со струной, которая имеет малую площадь соприкосновения с воздухом и потому нуждается в деках.

Голосовой тракт человека представляет собою своеобразный рупор: над источником колебаний – связками – расположена трубка, открытая в наружную среду. В рупоре его широкая часть – раструб – оканчивается устьем – выходным отверстием, откуда уже начинается свободное воздушное пространство. Излучателем энергии в рупорах является его устье. Чем больше площадь устья рупора, тем лучше излучение энергии рупора в наружное пространство. С этой точки зрения, чем больше открыт рот во время фонации, тем лучше энергия переходит в наружное пространство. Так при крике рот раскрывается максимально, а при желании быть слышимым на более далекое расстояние человек увеличивает раструб и устье рупора за счет рук, сложенных в виде рупора и приставленных ко рту. Следует помнить, что в изогнутых волноводах, коим является надставная трубка, звук собирается и стелется вдоль вогнутых поверхностей. Следовательно, если при пении мягкое небо опущено, то звук попадает в капкан – ловушку – в носоглотку, который съедает частоты порядкa 2000 гц. Без этих частот звук воспринимается на слух как носовой, гнусавый. Такой оттенок голоса является порочным призвуком тембра, и певцы стремятся его избежать. Хорошим поднятием мягкого неба этот дефект исправляется.

Говоря о проведении звука ротоглоточным каналом и излучении его в наружное пространство, необходимо коснуться вопроса направленности излучения. Излучающийся из ротового отверстия звук распространяется во все стороны, как любые звуковые волны. Основной тон и низкочастотные составляющие, имеющие большую длину волны в соотношении с размерами рта, не позволяют нам думать о ярко выраженной направленности. Что касается высокочастотных обертонов, порядка высокой певческой форманты и выше, то тут отмечается определенно выраженная направленность, степень которой повышается по мере повышения частоты обертонов. Одним из наиболее важных и интересных моментов в работе рупорообразного устройства ротоглоточного канала является то, что взаимосвязанная система резонаторов (гортань – глотка – ротовая полость) не только резонирует, накапливая звуковую энергию, но и, колеблясь, создает работающей голосовой щели определенное сопротивление сверху. Надставная трубка работает как система взаимосвязанных резонаторов, в сильнейшей степени влияющих не только на изменение спектра проходящего по ним звука, но и на само возникновение звука – на работу голосовой щели. Оказывается, что для работы голосовой щели совершенно не безразлично, какова среда – тот резонирующий столб воздуха, который находится в надсвязочных полостях. Резонаторная раскачка воздуха в резонаторах не только улучшает выведение звуковой энергии, но и в сильнейшей степени воздействует на источник колебания – голосовую щель. В результате этого обратного воздействия голосовая щель начинает работать так, что это вызывает максимальную раскачку резонаторов. Получается взаимосвязанная система колебаний работающих голосовых связок и резонаторов, при которой коэффициент полезного действия голосового аппарата очень сильно возрастает. При этом голосовые мышцы будут совершать свою колебательную работу с умеренной затратой энергии, так как часть борьбы с подсвязочным давлением возьмет на себя противодавление находящегося сверху столба воздуха. Это противодавление носит название импеданса. Если сравнить рупор надставленной трубы с рупором громкоговорителя, то можно найти сходство – перед колеблющейся мембраной ставится коробка с зауженным выходом из нее – предрупорной камерой, после которой идет уже сам рупор. Роль предрупорной камеры сводится к тому, чтобы создать непосредственно перед мембраной сопротивление, которое позволяет источнику колебаний работать с наилучшей отдачей энергии. В рупоре надставной трубки роль предрупорной камеры выполняет гортанный - вход в гортань. Он всегда суживается, если певец поет профессионально на хорошей певческой опоре, будь то forte или piano. При снятии звука с опоры надсвязочная полость раскрывается и предрупорная камера перестает существовать. Создание импеданса является важнейшим акустическим механизмом в работе голосового аппарата. Когда установлен этот механизм, певец получает возможность при сравнительно малых затратах энергии голосовых связок получать чрезвычайно большой акустический эффект. Постановку голоса, собственно, и следует рассматривать как нахождение этой верной взаимосвязи между резонирующей надставной трубкой и фонирующей голосовой щелью.

В постановку голоса входит также нахождение высокой позиции – высокой певческой форманты. От нахождения в тембре частот 2500 – 3000 гц зависит полетность голоса. Полетность зависит не от силы звука, а именно от этих частот. Это связано с устройством нашего уха. Барабанная перепонка принимает на этих частотах сильнейшие колебания, идущие от резонирования наружного слухового прохода уха. Этим и объясняется способность звука лететь через оркестр. Следовательно, качество полетности певческого звука зависит не от того, как звук летит, распространяется (все звуки распространяются одинаково), а от того, как он улавливается ухом; и для того, чтобы звук казался громким, совсем не надо очень сильно повышать энергию звука, достаточно так сформировать тембр, чтобы основная энергия содержалась в высоких обертонах. Это и носит название высокой позиции звука. Морозов назвал это коэффициентом звонкости высокой певческой форманты. Он должен быть равен примерно 30%. Спектры хороших певцов показывают именно такую цифру.