В тироаритеноидной мышце голосовых связок человека имеются два отдельных компартмента. Латеральный, muscularis, необходим для быстрого закрытия glottis для защиты воздушных путей, он содержит самую быструю из всех мышц. 'Super-fast' MyHC ген, названный 2L найден в этой мышце крыс, он сходен с экстраокулярной МуНС. Другой компартмент vocalis отвечает за речь и специализирован у человека. Частота вибрации голосовых связок является базой частоты звука, продуцируемого гортанью (fundamental frequency). Эта фундаментальная частота варьирует в пределах 100Гц у мужчин и до 300 Гц у женщин. Помимо фундаментальных частот голосовые связки создают широкий спектр гармоник до тысяч герц и эти частоты наиболее важны для лингвистичесих аспектов речи. Каждый гласный звук воспринимается как комбинация двух или более гармонических частот, называемых format frequencies. Язык и воздушное пространство глотки гортани фильтруют форматные частоты из широкого спектра звуковых частот, продуцируемых голосовыми складками. Считается, что поток воздуха из легких вызывает вибрацию голосовых складок, а масса и напряжение голосовых складок в основном определяют производимый звук. Увеличение массы снижает частоту вибрации, а увеличение натяжения увеличивает частоту.

Медленные тонические мышечные волокна в тироаретиноидных мышцах человека распределялись преимущественно в медиальном аспекте, отдельном мышечном компартменте, называемым вокальным, который является вибрирующей частью голосовых складок. Эти волокна короче, чем мышца в целом, они не начинаются от аритеноидного хряща а прикрепляются к тироидному хрящу. Очень короткие мышечные волокна (менее 5 мм) в верхней части vocalis соединяются друг с другом различными путями, чаще всего образуют серии, где концы мышечных волокон соединяются с соединительной струной (strings). Другим частым способом расположения для медленных тонических мышечных волокон - разброс одиночных или небольших групп среди конвульсивно сокращающихся мышечных волокон и соединение с этими twitch волокнами с помощью соединительнотканных соединений. Следовательно, медленные тонические мышечные волокна все-таки функционально взаимодействуют с большинством конвульсивно-подобных мышечных волокон. В нижней части voclis медленные тонические мышечные волокна располагаются очень разнообразно. Предполагается, что эта часть отвечает за способноть к пению. Сокращения медленных тонических мышечных волокон продолжительны, стабильны, точно контролируемы и устойчивы к утомлению. Медленные тонические мышечные волокна отстуствуют в голосовых связках млекопитающих, включая и приматов, это уникальное приспособление для речи у человека.

Миозин этих волокон представлен одной парой MyHC (по 200 кДа каждая) и двух пар легких миозиновых цепей (по 15-27 кДа каждая). И те и другие существуют в виде множественых изоформ. Контрактильные свойства скелетных мышц предопределячются в основном типом изоформы МуНС. Помимо общераспространных изоформ (тип I, IIA, B и Х) известны редкие изоформы, характерные для специализированных мышц, таких как masseter, ЕОМ, мышцы среднего уха. Среди этих редких изоформ медленная тоническая изоформа необычна, мышечные волокна ее содержащие уникальны по морфологии и физиологии. Семейство МуНС генов представлено несколькими генами, каждый кодирует определнную изоформу. Гены для изоформ β/slow-MyHC b α-cardiac MyHC локализованы на хромосоме 14 у человека и мыши, другие, включая гены эмбриональной, неонатальной и взрослой изоформ быстрых МуНС собраны в кластер на хромосоме 17 у человека и 11 у крыс. Ген для медленной тонической изоформы МуНС не найден и неизвестны факторы, модулирующие его экспрессию.

ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГОЛОС КАК МУЗЫКАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ
Инго Титце
В Мире Науки 2008, № 4. С.

Голосовой аппарат человека не представляет собой ни- чего особенного в сравнении с традиционными музыкальны- ми инструментами. Гортань вместе с расположенными над ней дыхательными путями по своему раз- меру следовало бы отнести к той же группе, что и флейту-пикколо (одну из самых маленьких). Однако опытные певцы способны соревноваться со всеми рукотворными инструментами - как один на один, так и с целым оркестром. Ученые в своих исследованиях показали, как при пении достигается столь широкий диапазон звуков, и раскрыли удивительно сложные закономерности работы элементов голосового аппарата и их взаимодействия.

На протяжении полувека специалисты объясняли свойства человеческого голоса при помощи так называемой линейной теории речевой акустики, согласно которой источник звука и резонатор звука (или усилитель) работают независимо. Однако теперь ученые узнали, что нелинейные взаимодействия, при которых источник и резонатор влияют друг на друга, играют неожиданно важную роль в генерации человеческого голоса. И благодаря новейшим исследованиям мы уже понимаем, как великим певцам удается извлекать завораживающие звуки.

Музыкальные клавиши

На первый взгляд, все части человеческого голосового аппарата имеют как структурные, так и функциональные ограничения. Для того чтобы производить музыкальные звуки, инструмент должен иметь три основных части: источник звука, который вибрирует в воздухе и генерирует частоту, воспринимаемую нами как высоту звука, а вместе с ней и более высокие частоты, определяющие тембр (окраску); один или несколько резонаторов, которые усиливают основную частоту, увеличивая силу колебаний; излучающую

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Несмотря на то что голосовой аппарат человека невелик, с его помощью удается производить столь же разнообразные и прекрасные звуки, как у целого набора музыкальных инструментов.

Все инструменты имеют резонатор, усиливающий звук, и излучатель, направляющий звук к слушателю.

У человека источник звука - колеблющиеся голосовые складки гортани, резона- тор - дыхательные пути над гортанью, усиливающие звук, а излучатель - ротовое отверстие.

Человеческий голос позволяет извлекать столь разнообразные звуки благодаря нелинейным эффектам, при которых небольшое воздействие имеет неожиданно сильные последствия.

поверхность или отверстие, которые передают звуки в воздух и, в конечном счете, в ухо слушателя. Когда, например, музыкант играет на трубе, поток воздуха, нагнетаемый его легкими, заставляет вибрировать губы, прижатые к мундштуку, который имеет форму чашечки. Таким образом создается основная частота звука и несколько более высоких частот, называемых обертонами. Металлические трубки инструмента исполняют роль резонаторов, а выходной раструб излучает звук наружу. Исполнитель из- меняет основную частоту, по-разному напрягая свои губы и нажимая на вентили, которые меняют эффективную длину трубок. Или возьмем скрипку: струны колеблются, создавая звук определенной высоты, воздушная полость и деревянный корпус образовывают резонанс, а отверстия в верхней деке - так называемые эфы - помогают передавать звук окружающему воздуху.

С другой стороны, певец полагается на колебания своих голосовых складок, продувая через них выдыхаемый воздух. Голосовые складки представляют собой два тяжа специализированной ткани, прикрепленные к стенкам гортани, которые также называют голосовыми связками. Они быстро колеблются, расходятся друг от друга и снова сходятся, генерируя основную частоту звука. Голосовая щель (пространство между складками) при этом то открывается, то закрывается. Преддверие гортани, часть дыхательного пути непосредственно над гортанью, работает как мундштук трубы, передавая звук к остальной части резонатора (голосового тракта). Губы излучают звук наружу подобно раструбу трубы.

Мастер-изготовитель музыкальных инструментов не увидит в голосовых связках, которые вместе не превышают размера ногтя большого пальца, никакого особого потенциала для извлечения сколько-нибудь впечатляющих звуков. И дело не только в маленьком размере, они покажутся ему слишком мягкими и рыхлыми для того чтобы вибрировать должным образом. Однако несмотря на то что голосовые связки действительно невелики, дыхательные пути способны создавать достаточно сильный резонанс, значительно усиливающий звук. Правда тут опять будет трудно убедить мастера: обычно дыхательные пути имеют длину всего в 15-20 см над гортанью и 12-15 см под ней, т.е. не длиннее флейты-пикколо. Духовые инструменты, по высоте приблизительно соответствующие человеческому голосу (тромбоны, трубы, фаготы), обычно имеют гораздо более длинные трубки. Например, если развернуть раструб и вентили трубы, то их суммарная длина составит около двух метров, а у тромбона - три метра.

Дизайн источника звука

Для того чтобы понять, как природе удалось создать голосовые складки со столь впечатляющими возможностями, сначала рассмотрим не- которые стандартные требования к источникам звука. Чтобы язычок или струна могли колебаться, они должны быть изготовлены из мате- риала с должной упругостью, который способен принимать исходную форму после деформации. А упру- гость зависит от жесткости матери- ала и от его натяжения: язычок имеет жесткость при изгибе, а струна вибрирует, будучи натянутой. В целом частота колебаний источника звука пропорциональна квадратному корню из его жесткости или натяжения. Соответственно, чтобы повысить вдвое частоту колебаний стальной струны определенной длины, необходимо увеличить ее натяжение в четыре раза. Столь суровое требование ограничивает диапазон частот, которые можно получить, меняя жесткость или натяжение источника звука.

К счастью, исполнитель также может влиять на частоту колебаний источника звука, удлиняя или укорачивая колеблющийся элемент. Например, для струны частота колебаний обратно пропорциональна длине колеблющегося сегмента. Прижимая пальцем струну на од- ном ее конце, музыкант может выбирать различные частоты. Если длина колеблющейся части струны уменьшится вдвое без изменения ее натяжения, то частота колебаний удвоится. Чтобы получить более широкий диапазон частот, на од- ном инструменте обычно размещают сразу несколько струн.

Таким образом, для струнного инструмента существуют три механизма изменения частоты: изменение длины струны, ее натяжения или же переход на другую струну. Исполнители обычно настраивают натяжение, поворачивая колки; получившееся натяжение постоянно по всей дли- не струны. Музыканты практически никогда не манипулируют длиной и натяжением одновременно.

Мал источник, да дорог

В отличие от исполнителей, певцы должны делать то, что недоступно другим: менять частоту путем одновременного изменения как длины, так и натяжения вибрирующего материала. Вместо того чтобы прижимать голосовую связку пальцем, уменьшая ее эффективную длину, мы с помощью мышц изменяем положение ее концов. Но должны ли мы удлинять или укорачивать голосовые складки для того, чтобы увеличить частоту? И то, и другое имело бы смысл: более длинные голосовые складки должны были бы вибрировать на более низкой частоте, однако при большем натяжении наоборот колебаться на более высокой. Физическая модель колебаний на- тянутой струны гласит, что для по- лучения максимального повышения частоты необходимо усиливать ее натяжение (или, точнее, растягивающее напряжение в расчете на единицу площади сечения), и в то же время уменьшать ее длину. Однако для этого потребуется матери- ал с необычными свойствами, по

КАК РАБОТАЮТ НАШИ ГОЛОСОВЫЕ СВЯЗКИ

В отличие от скрипичных струн, источник звука человеческого голоса (голосовые складки в гортани) имеет сложную структуру из трех слоев тканой, позволяющую нам производить звуковые частоты в пределах нескольких октав. В глубине каждой складки тянется голосовая связка. Глубже располагается сократимая мышечная ткань. Вся конструкция покрыта мягкой слизистой оболочкой. Каждый компонент важен для функционирования всей структуры. Растягивающее напряжение в связке быстро возрастает с ее удлинением (при помощи мышц, перемещающих хрящи, к которым прикреплены связки), что позволяет производить звуки высоких частот. В мышцах голосовых складок растягивающее напряжение увеличивается при их сокращении, что позволяет генерировать еще более широкий диапазон частот. Мягкая гибкая поверхность наружной оболочки колышется в потоке воздуха, выходящего из легких, подобно флагу на ветру, и обменивается энергией колебаний с воздушным потоком, создавая звуковые волны

скольку в большинстве случаев натяжение может усиливаться лишь при растяжении. Представьте себе резиновый шнур: растяните его, и он станет тугим. Таким образом, влияния длины и натяжения на частоту взаимно компенсируются.

Природа решила эту задачу, использовав для создания голосовых складок три материала, обладающих такими свойствами, которых нет у обычных струн. Один компонент - это связки, по виду напоминающие струну, и именно из-за них часто говорят о "голосовых связках", имея в виду голосовые складки. В биомеханических экспериментах ученые показали, что растягивающее напряжение в связках растет нелинейно: даже при их минимальном растяжении в них возникает значительное напряжение. Например, увеличение их длины от 1,0 до 1,6 см повышает их внутренне напряжение в 30 раз, что из- меняет частоту колебаний более чем в 5 раз (вспомните пропорциональность квадратному корню). Однако удлинение на 60% снижает частоту колебаний, делая суммарное изменение частоты всего лишь троекратным, что соответствует полутора октавам. Большинство из нас говорит и поет именно в таком частотном диапазоне, однако некоторые певцы способны брать звуки в пределах 4-5 октав, что представляется совершенно удивительным.

Непростые связки

Биология также предлагает второй путь расширения диапазона звучания голосовых складок, включив в их конструкцию материал, способный усиливать напряжение при укорочении, а именно мышечную ткань. Собственное сокращение мышечных волокон усиливает натяжение голосовых складок, хотя при этом они сами укорачиваются. Примерно на 90% своего объема голосовые складки состоят из мышечной ткани. По сути дела природа решила проблему частотного диапазона, создав целый набор струн, расположенных слоями вплотную друг к другу, причем часть их имеет сократимость, а часть лишена ее. Но как можно заставить колебаться столь сложную композицию, если ее нельзя согнуть или по- дергать? Единственный источник энергии, способный деформировать складки и вызывать их колебания, - это воздух, выходящий из легких и заставляющий складки вибрировать подобно тому, как флаг колышется на ветру. Однако и мышца, и связка сами по себе слишком жесткие, чтобы в них могли возникать колебания под действием про- ходящего воздуха. Для этого необходима мягкая, гибкая поверхность, на которой возни- кали бы волны, как в океане на ветру.

И действительно, мышцы и связка покрыты сверху еще одним слоем - слизистой оболочкой, которая представляет собой тонкую кожу (эпителий) с жидким веществом под ней. Она легко деформируется, и в ней возникают так называемые поверхностные волны. Мои коллеги и я показали математически, что такие волны, образующиеся при движении воздуха, действительно обеспечивают колебания складок, которые изгибаются вверх- вниз подобно двум лентам.

Сыграть на голосовых связках

Как же играть на тройной системе в пределах нескольких октав и в каждый момент времени получать строго одну частоту? Достигнуть этого можно лишь с опытом и сноровкой. При пении различных частот свободные колебания этих тканей соревнуются друг с другом, что может привести к неожиданным скачкам тона или же к резкости звука.

Для того чтобы взять звуки низко- го тона при умеренной или большой громкости, певец напрягает мышцы голосовых складок и вовлекает в колебания все их слои. Голосовые связки короткие, и тон по большей части определяется напряжением мышц. В этом случае слизистая оболочка и связки расслаблены и служат главным образом лишь для проведения поверхностных волн. Чтобы уменьшить громкость при той же высоте звука, мышцы перестают вибрировать и используются лишь для регулировки длины голосовых складок. Высота звука определяется суммарной упругостью слизистой оболочки и связок. Чтобы перейти к более высоким тонам, певец удлиняет голосовые складки, и тогда лишь натяжение связки диктует частоту, в то время как слизистая оболочка толь- ко проводит поверхностные волны. Трудно себе представить, насколько сложными должны быть система управления и иннервация мышц гортани, необходимые для точной регулировки всех натяжений, обеспечивающих желаемые частоту и громкость. Мышцы, располагающиеся вне голосовых складок, точно регулируют их длину. При столь сложных манипуляциях качество голоса может резко изменяться - такое явление называют регистрацией. Она возникает в значительной степени из-за чрезмерного либо не- достаточного использования мышц голосовых складок для регулирования натяжения. Певцы находят художественное применение регистрации, чтобы поразить слушателя двумя контрастирующими звука- ми, как, например, при тирольском

КАК ГОЛОСОВОЙ ТРАКТ УСИЛИВАЕТ ЗВУК

Певцы пользуются нелинейным процессом обратной связи в преддверии гортани (части воздушного пути над гортанью) для получения резонанса, т.е. усиления звуков, создаваемых голосовыми складками. Этот процесс, называемый инерционным сопротивлением, развивается, когда певцы создают специальные условия в преддверии, обеспечивающие дополнительный "толчок" в подходящий момент цикла открывания-закрывания голосовых складок, что усиливает их колебания и создает более сильные звуковые волны. Толчок возникает, когда движение столба воздуха в преддверии отстает от движения голосовых складок. Когда они начинают расходиться друг от друга в начале цикла колебания (1), воздух, нагнетаемый легкими, течет в пространство голосовой щели и давит на неподвижный столб воздуха в преддверии. Из-за инерции неподвижного столба давление в голосовой щели возрастает, что приводит к еще большему расхождению складок (2). Далее масса воздуха начинает с ускорением перемещаться вверх, при этом из- за своей упругости голосовые складки начинают смыкаться и закрывать голосовую щель, прерывая воздушный поток из легких (3). В результате в голосовой щели возникает разрежение воздуха, которое заставляет голосовые складки с силой сомкнуться (4). Таким образом, подобно раскачиванию детских качелей, совершаемому в нужные моменты, инерционное сопротивление воздуха в преддверии гортани усиливает каждое колебание голосовых складок, создавая резонанс.

пении. Однако если исполнитель случайно изменит регистр, то выдаст недостаточное владение голосом. Резонирующие дыхательные пути Габариты музыкального инструмента в основном определяются размером резонатора, однако певцам приходится обходиться усилителем крошечного размера. Несмотря на его очевидные ограничения, он прекрасно работает. У музыкальных инструментов имеются деки, резонирующие полости, либо трубки, которые усиливают колебания, производимые источником звука. Например, у скрипки струны проходят через подставку, передающую колебания на верхнюю деку. Форма последней тщательно подобрана, чтобы она могла колебаться в резонансе с большинством звуков, производимых струнами, и усиливать их. Воздушная масса между верхней и нижней дека- ми также может варьировать на тех же частотах, что и струны. У многих медных и деревянных духовых инструментов трубка (совместно с вен- тилями) изготавливается таким об- разом, чтобы она соответствовала большинству частот колебаний источника звука.

БОЛЬШИЕ И МАЛЕНЬКИЕ РТЫ

Действуя подобно трубке-резонатору, голо- совой тракт принимает различную форму, чтобы лучше передать определенные часто- ты и резонирующие обертоны. Для того что- бы взять столь мощные ноты при громком пении, певцы часто открывают рот как можно шире. Эта так называемая конфигурация мегафона напоминает по форме трубу (верхний рисунок), при этом голосовые связки и преддверие работают как губы музы- канта, прижатые к мундштуку трубы, а рот служит раструбом трубы. При других техниках пения голосовой тракт принимает форму инвертированного мегафона - рот при этом прикрыт (нижний рисунок)

Все устойчивые (продолжительные) звуки составлены из отдельных частот с гармоническими интервалами между ними. Это означает, что они кратны (2:1, 3:1, 4:1...) основной частоте, и поэтому резонатор обычно должен быть достаточно большим, чтобы соответствовать всему широкому диапазону частот. Со- гласно физическим законам, совокупная длина каналов трубы должна быть от 1,2 до 2 м, тромбон дол- жен достигать от 3 до 9 м, а если развернуть все трубки валторны, то их длина составит от 3,7 до 5,2 м. Однако природа не столь щедра в отношении резонатора певца. Общая длина дыхательных путей чело- века над голосовыми складками составляет около 17 см. Самая низкая частота, резонирующая при данной длине, равняется примерно 500 Гц (колебаний в секунду) - хотя она может становиться в два раза ниже при пении определенных гласных, таких как [u] или [i] (как в английских словах pool и feel). Поскольку голосовой тракт представляет собой резонансную трубку, практически замкнутую на одном конце, то усиливаются лишь нечетные кратные (1, 3, 5...) самой низкой резонанс- ной частоты. Следовательно, эта короткая трубка может резонировать одновременно лишь на нечетных гармониках 500-герцовых колебаний источника звука (500 Гц, 1500 Гц, 3500 Гц…). И поскольку длину голосового тракта нельзя изменять при помощи вентилей или кулис тромбона (максимум, что можно сделать - вытянуть губы или опустить гортань), то может показаться, что наш резонатор безнадежно ограничен в своих возможностях.

Резонанс в короткой трубке

И тут, как показывают недавние исследования, на помощь снова приходят нелинейные эффекты. На этот раз речь идет о нелинейных взаимодействиях между элементами системы. Вместо того чтобы усиливать каждую гармонику на конкретной частоте резонанса трубки (как это происходит, например, в органных трубах различной длины, каждая из которых резонирует на определенных гармониках), наш короткий голосовой тракт благодаря процессу обратной связи усиливает одновременно целую группу гармоник. Он способен сохранять акустическую энергию в одной части колебательного цикла и отдавать его обратно источнику в другой. По сути дела, голосовой тракт дает толчок голосовым складкам на каждом цикле их колебаний, что увеличивает амплитуду вибрации. Такие регулярные толчки подобны тому, как чело- век в нужный момент времени подталкивает качели, увеличивая амплитуду их движения.

Идеальный момент толчка наступает тогда, когда движение столба воздуха в трубке отстает от движения голосовых связок. Ученые говорят, что в этот момент времени столб воздуха обладает инерционным со- противлением (замедленной реакцией на прилагаемое давление). Данное явление помогает поддерживать мощные колебания голосовых складок в потоке воздуха.

Когда голосовые складки начинают расходиться друг от друга в на- чале цикла колебаний, воздух из легких устремляется в пространство голосовой щели между складками и толкает неподвижный столб воздуха, находящийся непосредственно над ними в преддверии гортани. Давление воздуха в голосовой щели и над ней растет, и столб начинает ускоряться вверх, позволяя новым порциям воздуха заполнять пространство под ним. Такое повышенное давление раздвигает голосовые складки еще дальше друг от друга. Когда из-за своей упругости складки начинают смыкаться и закрывать голосовую щель, ток воздуха убывает. Однако из-за своей инерции столб воздуха продолжает двигаться вверх, оставляя позади себя частичное разрежение в голосовой щели и над ней, которое заставляет складки сомкнуться еще больше. Таким образом, подобно подталкиванию в нужный момент детских качелей, инерционное сопротивление в голосовом тракте усиливает каждое колебание голосовых складок в обоих направлениях.

Следует отметить, что голосовой тракт не ведет себя так автоматически при всех своих конфи- гурациях. Задача певца состоит в том, чтобы настроить форму голосового тракта (тщательно выбирая подходящие гласные) и обеспечить возникновение инерционного со- противления практически во всем частотном диапазоне - что дается весьма нелегко.

Рот как мегафон

Разные техники пения основаны на различных конфигурациях голосового тракта, позволяющих оптимальным образом использовать инерционное сопротивление. При произнесении гласной [е] (как в английском слове mad), голосовой тракт принимает форму мегафона: небольшое поперечное сечение в голосовой щели сочетается с широко открытым ртом (врезка на противоположной стр.). Певцы-мужчины могут обнаружить у себя инерционное сопротивление на частотах до 800-900 Гц, а женщины - на 20% выше. Как минимум две гармоники для высоких звуков могут быть усилены благодаря такому явлению, и еще на несколько гармоник больше для низких. Одна из стратегий извлечения мощных высоких звуков состоит в том, что певец должен открывать рот как можно шире, как при крике. Когда голосовой тракт принимает конфигурацию мегафона, он приближается к форме укороченной трубы (без витков и вентилей, но с раструбом).

Альтернативный подход к усилению вибрации голосовых складок при помощи инерционного сопротивления состоит в том, чтобы при- дать голосовому тракту форму инвертированного мегафона, когда преддверие гортани, выполняющее роль мундштука, остается узким, глотка (часть горла, расположенная непосредственно позади ротовой и носовой полостей) расширяется как можно больше, а рот прикрывается. Приблизительно такая кон- фигурация получается при произнесении звука [u] (как в английском слове took). Техника инвертированного мегафона идеально подходит для оперных певиц, которые хотят использовать середину своего диапазона, и для певцов, использующих его верхнюю часть. Классическое обучение пению включает в себя поиск дополнительных частотных областей, в которых голосовой тракт обеспечивает инерционное сопротивление на различных нотах и для различных гласных. Оно так- же включает в себя придание голосу "звонкости", что достигается сочетанием узкого преддверия и широкой глотки. Преподаватели также обучают подбирать гласные, подходящие для данной высоты звука, что- бы на большинстве частот возникало инерционное сопротивление.

Все техники пения основаны на том, что нам дано природой, и на этой основе строится акустически эффективный инструмент. Исследователи, изучающие устройство голосового аппарата человека и неожиданные аспекты его функционирования, начинают все лучше понимать, как опытные певцы выковывают свое мастерство.

Перевод: Б.В. Чернышев