Камертон, струна, спица – что общего и при чем тут излучение?
Излучение звука – это не про радиоактивный вокал. Хотя есть супер-герои, чьи голоса сворачивают уши в трубочки. Излучение звука – это переход энергии колеблющегося тела в звуковые колебания воздуха.
Излучение тем лучше, чем больше площадь работающей поверхности. И наоборот. Всем известен простой опыт с камертоном. В руке он звучит слабо. Если же его прислонить к столу или шкафу, то он начинает звучать сильнее. Почему так происходит? Ведь источник энергии один – колебания ножек?
Все дело в условиях излучения звука. Когда колеблются ножки камертона, площадь их соприкосновения с воздушной средой весьма невелика. Энергия плохо передается воздуху и тратится на бесполезную перекачку его вокруг ножек. Они «режут» воздух и не создают хорошей волны. Рука, будучи мягкой, тоже не помогает излучению. Когда камертон прислонен к большой твердой поверхности, его колебания передаются всей поверхности. А от нее – большой площади воздуха. Поэтому звук камертона, поставленного на стол, всегда сильнее.
Аналогичное явление происходит, например, со струной. Струна тоже имеет малую площадь соприкосновения с воздухом и потому нуждается в деках, чтобы ее звук был хорошо слышим.
И еще пример: спицей нельзя создать сильных волн в емкости с водой. Она будет «резать» воду и давать малые волны. Для того чтобы получить сильные волны, надо двигать предметом, имеющим большую площадь.
Можно теперь подумать, что у человека в роли струны или камертона выступают голосовые связки, а лицевые части черепа и грудная клетка – деки. Но это не так, хотя по ощущениям они и дрожат при пении. Разберемся.
Голосовой аппарат – своеобразный рупор
Голосовой тракт человека – рупор. Над голосовыми связками расположена раскрытая в окружающую среду трубка. По этой трубке как по рупору звук голосовой щели достигает рта и распространяется дальше до слушателей.
Широкая часть расходящегося рупора – раструб. Устье раструба расположено на границе рта с наружный пространством. Поэтому ротовое отверстие есть выход рупора, а устье его – излучатель энергии. А значит, чем он больше по площади, тем лучше излучение энергии рупора наружу.
Простыми словами – чем шире открыт рот, тем лучше для громкости пения. Если открытого рта мало, то можно приложить к нему сложенные руки для еще большего увеличения площади устья. Вспомните, как некоторые гроулеры рычат через сложенные ланоди в микрофон. Ведь гроул сам по себе достаточно тихий.
Однако, далеко не все певцы открывают рот на максимум. Излишнее открытие рта может мешать формированию красивого слова и тембра голоса. При правильном формировании певческого тембра с хорошей высокой певческой формантой голос и так будет иметь субъективную силу. Слишком сильное открытие рта провоцирует смещение гортани и мешает нормальной работе голосовой щели. Пострадает также артикуляция. Не сила голоса, а его красота и четкость дикции являются определяющими факторами профессионализма.
Давайте более подробно смоделируем работу голосового аппарата с применением модели рупора:
- Прежде всего систему полостей надставной трубки от голосовых связок до ротового отверстия следует рассматривать как изогнутый волновод.
- По нему звуковые волны распространяются от источника звука до выхода в наружное пространство.
- Конфигурация этого волновода в известной мере меняется при переходе от одного гласного к другому в связи с перекладом языка и изменением степени открытия рта.
Представим себе две разные формы рупора: сходящийся и расходящийся. Как на рисунке снизу.
В первом случае звук гасится сильнее. В дополнение к этому малое сообщающее отверстие ухудшает излучение звука. По этому же рисунку можно сопоставить схему рупора и конфигурацию надставной трубки на звуках И и А. Очевидна аналогия.
Форма рупора-надставной трубки имеет определяющее значение в поглощении звуковой энергии. У разных людей она может быть разной даже на одном и том же гласном. В этом, кстати, отличие “природников” – их форма голосового аппарата максимальна благоприятная для выхода звука в наружное пространство.
Теперь сравним надставную трубку с волноводом. В изогнутых волноводах звук собирается и стелется вдоль вогнутых поверхностей. Следовательно, их форма является особенно важной для распространяющихся волн. В голосовом рупоре человека такими поверхностями являются:
- задняя и боковая поверхности глотки.
- твердое нёбо.
- поднятое мягкое нёбо.
Форма твердого нёба совершенно неизменна. Форма глотки, как показывают наблюдения, меняется мало, повторяя изгиб шейных позвонков, к которым она прилежит. Единственным образованием, которое способно к сильным изменениям своего положения и формы, является мягкое нёбо.
При произношении чистых гласных русского языка в пении мягкое нёбо как правило поднято и перекрывает вход в носоглотку. Таким образом, форма вогнутого контура надставной трубки данного человека в основном постоянна. У разных людей эта вогнутая поверхность рупора весьма варьирует по размерам и форме и может быть более или менее благоприятна для прохождения звука.
В прошлой статье мы говорили, что волны двояким образом могут вести себя, встречаясь с препятствием: огибать или отражаться от него. Это зависит от соотношения размеров длин волн с размерами препятствия.
Для низких и средних частот стенки ротоглоточного рупора не являются отражателями звука. Их длины волн слишком большие. Звук обтекает эти поверхности, скользит вдоль них. В зависимости от наличия вмятин, формы выпуклостей и перегибов он также поглощается в определенной степени. Тона и обертоны с частотами до 2500 Гц распространяются в голосовой трубке по этому закону.
Для частот выше 2500 Гц картина меняется. Как мы помним, сюда относится и высокая певческая форманта. Волны такой частоты будут отражаться от стенок надставной трубки. Чем выше будет частота, вплоть до ультразвуковых обертонов, тем больше будет эффект отражения.
Поэтому вся энергия певческого звука в разных частях спектра будет распространяться по разным законам. Часть по закону обтекания поверхностей, а часть по закону отражения от них.
С этой точки зрения нужно относиться и к оценке значения нёбного свода в фонации, а также положения гортани. Правильным приспособлением мышц ротоглоточного канала можно уменьшать поглощение звуковой энергии внутри ротоглоточного рупора. Это интуитивно делают многие певцы.
Направленность излучения
Излучающийся из ротового отверстия звук распространяется во все стороны. Как и любые звуковые волны. Преимущественное распространение звуковых волн в одном направлении по типу светового луча подчиняется тому же закону, которым определяется отражение или обтекание препятствий волной.
- Если размеры излучающей поверхности меньше размеров длины волны, звук распространяется во все стороны. Это правило работает для основного тона и низкочастотных составляющих спектра певческого голоса. У них длины волн больше размеров рта.
- Если наоборот, то распространение происходит преимущественно в одном направлении. Здесь речь может идти о высокочастотных обертонах порядка высокой певческой форманты и выше.
Все это подтверждается экспериментами В.П. Морозова. Результаты их приведены ниже.
На рисунке показана направленность излучения основного тока и высокой певческой форманты. Во время выдержанной ноты микрофон перемещался вокруг головы поющего, и через каждые 45° делались измерения силы звука.
- Сплошная линия показывает силу основного тона Ио. Она почти одинаковая со всех сторон вокруг головы. Звук распространяется без преимущественного направления в какую-либо сторону.
- Пунктир же отражает интенсивность высокой форманты Иф. Как показывает эта кривая, звуковая энергия области высокой форманты имеет ярко выраженную направленность вперед.
Для высоких обертонов голоса, высокой певческой форманты и более высоких областей спектра направленность позволяет певцу подавать голос в желаемом направлении в зависимости от поворота головы.
Особенно велика направленность свистящих и шипящих согласных звуков: с, ц, ш, щ, ч. Они имеют в своем составе очень высокие частоты. Дикционно хорошая подача согласных звуков в сторону публики обеспечивает достаточную разборчивость даже на очень больших расстояниях.
Скоординированная система резонаторов, гортани и дыхания. Роль надсвязочного сопротивления
Взаимосвязанная система резонаторов “гортань – глотка – ротовая полость” действует двояко. Она не только резонирует, накапливает звуковую энергию. Колеблясь, она также создает работающей голосовой щели определенное сопротивление сверху. Надставная трубка работает как система взаимосвязанных резонаторов. Эта система в сильнейшей степени влияет на:
- Изменение спектра проходящего по ним звука.
- Возникновение звука и работу голосовой щели.
Для работы голосовой щели совершенно не безразличны параметры воздуха в резонирующем столбе полостей над голосовыми связками. Резонаторная раскачка воздуха в резонаторах с одной стороны усиливает звук, с другой – воздействует на голосовую щель. В результате она начинает работать с еще большей раскачкой резонаторов. Получается взаимосвязанная система колебаний работающих голосовых связок и резонаторов. При этом КПД голосового аппарата возрастает.
Наилучшие возможности для фонирующей голосовой щели появляются при наличии достаточного сопротивления порциям воздуха, который прорывается через ритмически открывающиеся голосовые связки. Это сопротивление может образоваться в надсвязочных полостях.
В условиях встречного сопротивления может быть создано большое подсвязочное давление. Тогда энергия колебаний резонаторов, возбуждаемых прорывающимся сквозь голосовую щель воздухом, будет велика. Звук будет сильным. При этом голосовые мышцы будут совершать свою колебательную работу с умеренной затратой энергии. Часть борьбы с подсвязочным давлением возьмет на себя противодавление верхнего столба воздуха.
Таким образом, усиление звука в голосовом аппарате происходит не столько за счет улучшения излучения при помощи увеличения устья раструба (рта). Главным образом оно идет за счет создания более благоприятных условий в работе самой голосовой щели. При сравнительно небольших затратах энергии голосовых мышц, дыхание в условиях достаточного противодавления может развивать большую энергию. У оперных голосов сила голоса достигает 120 дБ. Сравните:
- Большие оперные голоса: 120 дБ
- Оперные голоса: 110-120 дБ
- Голоса для комических опер: 100-110 дБ
- Голоса для оперетты: 90-100 дБ
- Камерные голоса: 80-90 дБ
- Небольшие голоса, требующие микрофонного усиления: <80 дБ
Рассмотрим теперь устройство патефона. В нем перед колеблющейся мембраной ставится коробка с узким выходом из нее – предрупорной камерой. После нее уже идет сам рупор. Предрупорная камера создает непосредственно перед мембраной сопротивление. Оно позволяет источнику колебаний работать с наилучшей отдачей энергии. Рупорный канал за предрупорной камерой вносит в эту систему свое противодавление. Оно также играет роль в образовании общего сопротивления. Это общее сопротивление системы носит название импеданса.
Сравнив такое устройство с приспособлением гортани и ротоглоточного рупора человека в пении, можно только удивляться полной идентичности. У профессиональных оперных певцов во время пения на хорошей опоре гортань занимает определенное положение и вход в нее всегда суживается. Этим отделяется подсвязочная полость от ротоглоточного рупора. В результате из полости гортани создается своеобразная предрупорная камера. В ней может развиваться сопротивление, подобное сопротивлению в предрупорной камере.
Такое положение в голосовом аппарате хорошего певца остается неизменным на всех гласных, на всем диапазоне и при любой динамике. При снятии звука с опоры надсвязочная полость раскрывается и предрупорная камера перестает существовать. Поэтому хорошо сформированная предрупорная камера является непременным условием правильного опертого певческого голосообразования.
Создание импеданса – установление взаимосвязанной системы колебаний резонаторов и голосовых связок. С ним певец получает возможность при малых затратах энергии голосовых связок получать чрезвычайно большой акустический эффект.
В процессе занятий у ученика можно наблюдать момент, когда его пение становится более легким. Голос начинает звучать полно, красиво, мощно. Это и есть установление наилучшего соответствия между резонаторной системой надставной трубки и источником звука – голосовой щелью.
Подбор наиболее выгодного импеданса для гортани ученика составляют один из самых важных этапов постановки голоса:
- Устройство гортани ученика может быть таково, что для него лучше подойдет большой импеданс. В этом случае подойдут приемы его увеличения: опускание гортани, малое открытие рта.
- Для другой гортани может оказаться удобнее меньший импеданс. Здесь сработает широко открытый рот и спокойная или даже поднятая гортань.
Р. Юссон на основе явления импеданса проанализировал различные методы обучения и дал им классификацию. Коэффициент полезного действия голосового аппарата так мал, что на гласном звуке И излучается изо рта только 2% звуковой энергии, родившейся в голосовой щели. 98% поглощается внутри организма. В этих условиях особенно важную роль играет правильно подобранный импеданс в качестве механизма усиления голоса.
Полетность певческого голоса
Кроме наиболее мощного механизма увеличения громкости за счет импеданса, певец может улучшить излучение большим открытием рта. Может также в небольших пределах уменьшить поглощение звука внутри ротоглоточного канала за счет удачного приспособления мягкого нёба, глотки, языка. Однако этим не исчерпываются приспособления голосового аппарата певца для улучшения слышимости его голоса.
Качество полетности мало зависит от силы излучающегося изо рта звука. Есть голоса мощные в маленькой комнате и абсолютно неслышные в больших помещениях.
Полетность связана с тембром голоса, а не с его силой. Она объясняется присутствием в спектре звука высоких обертонов. Певец со звонким, летящим голосом умеет формировать звук с большим процентом энергии в зоне высокой певческой форманты. Почему такой голос имеет лучшую полетность? Ведь все частоты спектра распространяются в пространстве одинаково? Как оказалось, это качество полетности связано с особенностями восприятия звуков нашим слухом.
При достаточной силе звука наш слух воспринимает звуки с частотой от 116 до 20000 Гц. За этими пределами лежат соответственно инфра- и ультразвуки. Их слышат только некоторые виды животных. В указанном диапазоне наше ухо имеет неодинаковую чувствительность к разным частотам. Звуки равной амплитуды (силы), но разной высоты воспринимаются слухом как неодинаково громкие. Наиболее сильными человеческое ухо воспринимает звуки с частотой от 500 до 6000 Гц. Посмотрите на кривую слышимости уха:
Зона лучшей слышимости уха включает ту область, в которой располагаются все речевые и певческие форманты. Именно в этой зоне звуки несильные воспринимаются как достаточно громкие.
Особенно чувствительно ухо к области 2500-3000 Гц, т.е. к области высокой певческой форманты. На эту область резонирует наружный слуховой проход уха и потому он сильно передает эти колебания барабанной перепонке. Этим и объясняется способность певческого голоса «лететь через оркестр», быть хорошо слышимым в больших помещениях.
Далее можно привести кривую увеличения звукового давления в наружном слуховом проходе за счет резонанса (по Бекеши):
В области 2500 Гц находится высшая точка резонансной кривой. В этой зоне даже слабый звук воспринимается как громкий.
Все звуки распространяются одинаково. Значит качество полетности певческого звука зависит от того как он улавливается ухом слушателя. Смоделируем ситуацию: два певца поют со звуком равной энергии. Суммарная сила всех обертонов у них равна.
- Первый певец формирует тембр так, что основная энергия звука у него идет в области основного тона и низкочастотных обертонов. У мужских голосов, например, основные тона голоса не превышают 500 Гц. Они никогда не попадают в зону лучшей слышимости уха. Сформированный без усиления звук такого спектра будет восприниматься как маломощный. Для повышения громкости надо очень сильно повысить энергию звука, давать голосовому аппарату большую нагрузку.
- Второй формирует тембр с концентрацией основной энергии в высоких обертонах. Если собрать в этой части спектра 30% энергии, то звук для слушателя будет неизмеримо более громким.
В спектре певческого звука Шаляпина основной тон в 220 Гц составлял ничтожную часть общей энергии звука. Наибольшие области «усиленных» обертонов падали у него на 500 Гц и особенно на 2400-2600 Гц.
Построение спектра с максимальной концентрацией энергии в области высоких частот есть формирование высокой позиции звука. Хорошие вокальные педагоги отдают приоритет в обучении именно ей. Помним, что только высокочастотные обертоны можно «послать» в желаемом направлении, т.е. в сторону публики. Задача каждого учащегося – понять эту закономерность и не гнаться только за силой звука.
Если сравнивать речевой и певческий звук, то распределение энергии в них будет происходить по разному:
В певческом голосе спектральная энергия «перекачивается» из области низких частот в область высоких, а именно – в область наибольшей чувствительности уха.
Немного об акустике помещений
Условия для пения могут быть весьма различны: открытое пространство, уличная сцена, концертный зал или студия звукозаписи. На открытом воздухе певца плохо слышно и ему самому петь трудно. Его голос распространяется свободно во все стороны. Он почти ни от чего не отражается и легко рассеивается. Убывая обратно пропорционально квадрату расстояния, он лишь очень небольшим процентом своей энергии достигает уха слушателя.
Такая обстановка приводит к форсированию звука певцом. Как следствие – быстрое утомление и потеря качества. Поэтому певцам, особенно неопытным, на открытом воздухе петь не рекомендуется.
Чтобы уменьшить такое рассеяние и создать преимущественное направление звука к публике, за эстрадой обычно ставится раковина. Она отражает звуки в сторону слушателей. В залах эту роль выполняют стены, пол, потолок, если они не сделаны из звукопоглощающих материалов. При правильном расчете и монтаже отражающих поверхностей звуки равномерно достигают всех рядов зрителей. Если неправильно – то в зале появляются места с плохой слышимостью.
Часто можно слышать выражение, что то или иное помещение имеет хороший или плохой резонанс. В этом случае под словом резонанс понимается тот отзвук, та гулкость помещения, в котором мы говорим или поем. Это явление не имеет отношения к резонансу вообще и представляет собой лишь остаточное звучание – реверберацию.
Реверберация – многократное, короткое во времени отражение звуковых волн от больших близко расположенных поверхностей вокруг слушателя. Эхо отличается от реверберации тем, что это долгое во времени отражение от далеких твердых поверхностей. Называть реверберация резонансом – ошибочно.
Исходная звуковая волна может встретить одно большое препятствие: граница леса или склон ущелья. Отразившаяся от него волна принесет обратно в ослабленном виде посланный ранее звук. Это будет эхо. Если препятствий много: стены, потолок, пол, предметы в помещении, то происходит многократное, разновременное отражение. Волны накладываются друг на друга, образуя гул. Как в явлении эхо, так и при всякой реверберации, в отзвуке всегда сохраняется исходная высота звука.
Мягкие вещи типа портьеров и ковров легко гасят звук и остаточное звучание становится мало. В пустых комнатах многократное отражение звука от больших свободных площадей создает длительное остаточное звучание, гудение. Оно затрудняет восприятие своего голоса и мешает петь. Ухо не слышит привычного по силе ответа на произведенный звук.
Пригоднее всего условия пения или настройки аппаратуры с умеренной реверберацией. Однако полезно и менять акустическую обстановку для того, чтобы не происходило привыкание к определенному помещению.
Таким образом, восприятие силы собственного голоса у певца в разных условиях разное. Не следует поддаваться слуховому обману. Надо стараться сохранять привычную манеру звукообразования независимо от обстоятельств.
Школа музыки и вокала LaSea в Екатеринбурге – записаться на занятие
Спасибо за прочтение статьи) Мы старались, правда-правда) Понравилось? Поставьте звездочку внизу. А если хотите познакомиться с нами лично и научиться петь / играть / выступать – мы работаем для вас на ул.Мраморская,13. У нас живые уроки, посиделки, своя профессиональная сцена. Театр и музей музыки. К нам можно зайти после покатушек на Уктусе, отдыха в Бадене, шопинга в Глобусе или… просто так).
