Śpiewajcież aniołowie

formantyNadchodzi czas śpiewania kolęd. Co prawda nie znam nikogo, kto by to robił chętnie i bez zażenowania. No dobra, pewnie znam, ale wyparłem to ze świadomości. Ja w każdym razie raczej śpiewał nie będę.

Jak powstaje śpiew? W zasadzie tak samo jak mowa. Ludzkie drogi oddechowe są rurą, w której powstaje fala akustyczna. Różnego rodzaju mruki, mlaski i cmoki powstają przez przepychanie powietrza przez różne bariery w tych drogach, ale większość tego, co określamy jako dźwięki, powstaje dzięki drganiom strun głosowych w krtani.

Otóż wcale nie strun – to, co drga w krtani, to nie żadne naprężone włókna wiszące w poprzek światła przewodu oddechowego. Tak naprawdę są to fałdy głosowe. Między fałdami głosowymi znajduje się szpara głośni, a w krtani poza głośnią (obejmującą fałdy głosowe i szparę) znajdują się też inne fałdy, niebiorące bezpośrednio udziału w tworzeniu głosu, ale izolujące przewód oddechowy.

Fałdy głosowe zresztą też to robią i wydaje się, że to jest ich pierwotna funkcja, natomiast ich istnienie u naszych przodków stało się ewolucyjną preadaptacją (egzaptacją) umożliwiającą wydawanie głosu. Krtań przechodzi w gardło, którego jama w zasadzie bez wyraźnej granicy przechodzi w jamę ustną, a przegrodą między tymi dwiema jamami a jamą nosową jest podniebienie – twarde (nieruchome) i miękkie (ruchome). Na końcu tego układu są usta i nozdrza.

Na końcu, patrząc z perspektywy płuc, które wypychając powietrze na zewnątrz, nadają dynamikę całemu procesowi. To wypchnięte (chwilowo zapomnijmy o głoskach ingresywnych) powietrze wpada między fałdy. Fałdy głosowe są oscylatorem powstających zagęszczeń powietrza, a więc fali, a cały przewód głosowy, od krtani po usta, jest rezonatorem.

Powietrze, napierając na zwarte fałdy, rozwiera je, one z powrotem się zwierają i tak dalej. Częstotliwość tych drgań decyduje o częstotliwości drgań powietrza, a więc ostatecznie o częstotliwości fali akustycznej. Fal powstaje mnóstwo. Ta, która powstaje bezpośrednio dzięki drganiom fałdów głosowych, ma częstotliwość podstawową, czyli ton podstawowy. Oprócz niej powstają tony dodatkowe. Te, których częstotliwości są odpowiednim zwielokrotnieniem tonu podstawowego, rezonują i stają się bardziej słyszalne niż reszta.

W mowie zwykle daje się wyróżnić kilka częstotliwości rezonansowych, nazywanych formantami. Na widmach akustycznych są one zauważalne jako zagęszczenia tworzące paski. Mnie ten obraz nieco przypomina paski elektroforetyczne na żelu. Formant zwany zerowym mówi o ogólnym tonie dźwięku, podczas gdy rozkład kolejnych formantów odpowiada za barwę dźwięku. Różne głoski (zwłaszcza samogłoski) mają swój charakterystyczny układ formantów, zwłaszcza pierwszego i drugiego, podczas gdy kolejne są zwykle coraz bardziej podobne dla różnych głosek.

Gdyby przewód głosowy był po prostu rurą o stałej średnicy i rozmiarach takich, jak u przeciętnego mężczyzny, o 17,5 cm długości, kolejne formanty miałyby częstotliwości blisko 500 (co odpowiada 1/4 długości fali stojącej tworzącej się w takiej rurze), 1500, 2500 i 3500 Hz. Ale nie jest. Powietrze w przewodzie głosowym obija się o różne struktury z językiem na czele. Gdy język czubkiem dotyka dziąseł (górnych), może powstać syczące [s] lub [z], gdy się nieco uniesie, dotykając twardego podniebienia, syk ten przechodzi w szmer [sz] lub [ż], a dalej w [ś] lub [ź]. Gdy w tym czasie przewód głosowy rozszerzy się o jamę nosową (przez opuszczenie miękkiego podniebienia), powstają głoski nosowe, jak [n] czy [ń].

Z kolei brzmienie samogłosek właściwie nie zależy od języka, a od rozwarcia ust i żuchwy (znaczenie może mieć też układ warg). Od tego zależy częstotliwość formantów. Dwa pierwsze formanty angielskiej samogłoski [a] czy [o] są dość sobie bliskie (różnica 300-400 Hz), a samogłoski [i] dość odległe (ponad 2000 Hz). Nie podaję konkretnych liczb bezwzględnych, bo wbrew pozorom jest dość duży rozrzut. A może właśnie nie wbrew pozorom – ludzkie głosy różnią się między sobą.

Jak napisałem wyżej, za rozróżnianie samogłosek odpowiadają głównie formanty F1 i F2. Formant trzeci w większości przypadków niezbyt odbiega od 2500 Hz u mężczyzn i 3000 Hz u kobiet. Natomiast Johan Sundberg odkrył, że śpiewacy operowi mają zauważalny jeszcze czwarty formant. Badając ich rentgenologicznie, stwierdził, że uzyskują go, obniżając krtań. Ten dodatkowy formant akurat wybija się ponad częstotliwości generowane przez orkiestrę, dzięki czemu śpiewak może ją przekrzyczeć, nie śpiewając wcale głośniej, tj. z większym wysiłkiem. Skutkiem ubocznym jest obniżenie pozostałych formantów, co – jak już wiadomo z tego, co pisałem – skutkuje zniekształceniem samogłosek, np. [i] zaczyna przypominać raczej [ü].

Domowe śpiewanie kolęd raczej nie będzie miało takiego efektu. W ogóle w śpiewaniu popularnym, także profesjonalnym, raczej nie stosuje się takich technik – od wyeksponowania głosu ponad instrumenty jest sprzęt nagłaśniający. Wielu słuchaczy muzyki rockowej czy popowej mniej ceni wirtuozerię, a bardziej autentyzm przekazu, więc piosenkarz, chcąc trafić do takiego odbiorcy, raczej nie będzie zbytnio modyfikował głosu.

Dlaczego przywołuję artykuł Sundberga sprzed 40 lat? Otóż niedawno opublikowano wyniki rentgenologicznego badania śpiewających ptaków. Ptaki mają zupełnie inaczej zbudowaną krtań. W szczególności, co jest dość makabryczne, mogą wydawać głos po odcięciu głowy. Ich analog krtani, tzw. krtań dolna, jest położony dużo bliżej płuc. Ptasia szyja jest zwykle relatywnie długa. Ptasi przewód głosowy nazywany dudami jest również długi, a ponieważ krtań dolna leży bardziej w głębi ciała, dotąd tak naprawdę nie znano mechanizmu wydawania głosu przez ptaki.

Najnowsze badania wskazują, że mimo różnic anatomicznych między ptakami a ludźmi biofizyczny mechanizm jest w zasadzie taki sam. Zatem można powiedzieć, że ptaki śpiewają ludzkim głosem nie tylko w wigilię.

Piotr Panek
ryc. Ish ishwar (z wykorzystaniem oprogramowania Praat), licencja CC-BY 2.0

ResearchBlogging.org

Sundberg, J. (1977). The Acoustics of the Singing Voice Scientific American, 236 (3), 82-91 DOI: 10.1038/scientificamerican0377-82
Elemans CP, Rasmussen JH, Herbst CT, Düring DN, Zollinger SA, Brumm H, Srivastava K, Svane N, Ding M, Larsen ON, Sober SJ, & Švec JG (2015). Universal mechanisms of sound production and control in birds and mammals. Nature communications, 6 PMID: 26612008