Певческая форманта, ее роль. Способ звукообразования.

Для того, чтобы голос оперного певца (или концертного исполнителя) был слышен на фоне оркестра, необходимо, прежде всего, развивать значительно более высокий уровень звукового давления – проще говоря, петь громче. Сравнительный анализ уровней звукового давления на расстоянии 0, 5 м при пении и речи для разных частот фонации (высоты тона) показан на рисунке 2. Однако одного увеличения громкости оказывается недостаточно для решения этой проблемы, поэтому в процессе многолетнего совершенствования техники пения, прежде всего оперного (bel canto), были отработаны особые приемы перестройки спектральных характеристик голоса, в частности создание так называемой певческой форманты.

Если сравнить расположение формантных частот (т.е. резонансов вокального тракта) для одних и тех же гласных в обычной и вокальной речи, то отчетливо видно, что для всех гласных положение первой форманты на шкале частот мало изменилось, вторая форманта в случае вокальной речи сдвинута по частоте вниз, значительно изменились положения третьей, четвертой и пятой формант в сторону их совместного сближения (рисунок 3).

Если проанализировать спектральную огибающую любого из гласных звуков при речи и пении (рисунок 4), то отчетливо видно наличие выраженного пика в области 2…3 кГц. Этот пик создается в результате объединения (кластеризации) третьей, четвертой и пятой формант и носит название " певческой форманты".

Такая группа подчеркнутых формант наблюдается только в спектрах хорошо поставленных, чаще оперных, голосов, как показано в работах В.П.Морозова и Дж. Сандберга (наиболее известные ученые, занимающиеся проблемами акустики певческого голоса). При этом центральная частота располагается в зависимости от типа голоса в области: бас и баритон – 2, 1…2, 5 кГц, тенор – 2, 5…2, 8 кГц, сопрано – 3…3, 5 кГц.

Для одного и того же певца эта форманта не смещается по частоте, она стабильно занимает одно и то же положение при пении нот разной высоты (рисунок 5а) или разных гласных (рисунок 5б). Таким образом, положение этой форманты не зависит ни от фундаментальной частоты (это свойство подстройки есть у других формант), ни от позиции других резонансов (нижних формант).

Амплитуда певческой форманты зависит как от амплитуд объединяемых формант (третьей, четвертой и пятой), так и от амплитуд соответствующих обертонов в спектре голосового источника, а это, в свою очередь, зависит от особенностей использования голосового источника (в частности, скорости и силы сведения при колебаниях голосовых связок). Кроме того, поскольку при увеличении громкости огибающая спектра звука голосового источника меняется и увеличивается амплитуда высоких обертонов, то и амплитуда певческой форманты будет в громких звуках выше. Исследования, выполненные различными учеными (результаты приведены, например, в замечательной книге В.П.Морозова " Биофизические основы вокальной речи"), показали, что при прослушивании записей певческих голосов, из которых электрическим путем вырезалась высокая певческая форманта, в голосе теряется звонкость, полетность, чистота и ясность тембра, голос звучит тускло, глухо, невыразительно. Звучание высокой певческой форманты в изолированном виде (например, если отфильтровать в записи все частотные области, кроме третьего-четвертого резонансов) воспринимается как звонкий мелодичный звук типа соловьиной трели. Он слышен при пении любой гласной, усиливаясь при увеличении громкости. Эти опыты позволили установить, что от наличия и амплитуды высокой певческой форманты зависит звонкость певческого голоса. Интересно отметить, что у старинных скрипок (Страдивари, Амати, Гварнери), отличающихся особой звонкостью, полетностью звука, также в этой области частот (2, 5…3 кГц) находится область выраженных резонансов (третья форманта). В работах В.П.Морозова была даже предложена количественная величина K – коэффициент звонкости голоса:

K = Iвпф/ I,

где: Iвпф – интенсивность спектра в области высокой певческой форманты, I – общая интенсивность голоса. Измерения, проведенные у разных категорий певцов, показали, что у выдающихся певцов этот коэффициент достигает 33…35%, у неквалифицированных певцов – 5…11%, а у детей – 3%.

Однако основной причиной использования певческой форманты в оперных голосах является, по- видимому, повышение помехоустойчивости голоса. Средний уровень оркестра при достаточно громком исполнении в концертном зале составляет 90…100 дБ. Создание такого среднего уровня выше возможностей человеческого голоса. Кроме того, маскирующее действие оркестра зависит от частотного распределения спектральных уровне

Однако основной причиной использования певческой форманты в оперных голосах является, по- видимому, повышение помехоустойчивости голоса. Средний уровень оркестра при достаточно громком исполнении в концертном зале составляет 90…100 дБ. Создание такого среднего уровня выше возможностей человеческого голоса. Кроме того, маскирующее действие оркестра зависит от частотного распределения спектральных уровне

Если сравнить огибающую долговременного спектра для звуков оркестра и для звуков нормальной речи и пения (рисунок 6), то видно, что максимум энергии в звуках оркестра находится в области 400…500 Гц, затем ее уровень быстро спадает и в области 2, 5…3 кГц становится ниже на 20 дБ. Примерно такое же распределение энергии и в звуках обычной речи (только ниже по уровню громкости), и поэтому она будет полностью замаскирована звуками оркестра. В певческом голосе до 30% энергии может быть сосредоточено в певческой форманте в области 2…3 кГц, которая к тому же совпадает с областью максимальной чувствительности слуха. Такая перегруппировка формант и позволяет услышать певческий голос на фоне оркестра. Это свойство голоса " перекрывать" оркестр называется " полетностью".

Следует отметить две слуховые особенности. Тихий звук ниже порога маскера (маскирующего звука) может быть услышан, если он вступает чуть раньше по времени или регулярно варьируется по времени. Звук оркестра непрерывно меняется по уровню, поэтому необязательно все время слышать певческую форманту, достаточно слышать ее в определенные моменты, когда звук оркестра становится тише в этой области. Если маскер регулярно прерывать, то тихий звук можно не только услышать, но он может быть услышан как непрерывный во времени – слуховая система сама достраивает звучание, делает интерполяцию во времени.

Следующее преимущество певческой форманты относится к условиям излучения. Низкие частоты излучаются во всех направлениях (здесь рот – это ненаправленный источник звука), а высокие концентрируются только вперед, поэтому высокие частоты меньше поглощаются обратной стороной сцены, декорациями и др. Если в голосе есть певческая форманта, т.е. высокий уровень обертонов в высокочастотной части диапазона, то они попадают к слушателю менее поглощенными, чем низкочастотные компоненты, что помогает слушателю выделить голос певца из сопровождения оркестра (если он стоит лицом к слушателю). Это соответствует требованиям педагогов " сфокусировать" голос для слышимости в большой аудитории, что можно сделать только при наличии певческой форманты.

Механизм образования певческой форманты служит предметом многочисленных исследований. Результаты рентгенологических исследований показывают, что при пении профессиональных опытных певцов гортань занимает значительно более низкое положение, чем при речи (снижение до 15 мм). При этом удлиняется общая длина вокального тракта и глотки (" Звукорежиссер", 1/2002), что приводит к некоторому снижению второй форманты. При опускании гортани значительно расширяются боковые стенки дна глотки. При этом, если диаметр трубы гортани (в глубине которой на расстоянии примерно 20 мм от края находятся голосовые связки) составляет 1/6 от диаметра расширенной трубы глотки, то четвертая форманта снижается от 3, 5 кГц (где она обычно находится у взрослого мужчины) до 2, 8 кГц. Таким образом, за кластеризацию (объединение) высших формант в единую певческую форманту ответственна резонансная полость, которая образуется трубой гортани и дном расширенной глотки, слегка прикрытой надгортанником. Длина этой полости составляет примерно 1/6 длины всего тракта, нижний край полости ограничен голосовой щелью, верхни ий – кольцом надгортанника

Такой метод образования певческой форманты за счет понижения позиции гортани и значительного расширения глотки используется не во всех манерах пения. Например, в китайской опере (или в некоторых видах средневекового пения) имеет место значительная певческая форманта, но без понижения позиции гортани, а, очевидно, за счет другой организации тракта. Имеются и другие теории образования высокой певческой форманты: например, как краевых тонов, возникающих за счет турбулентного потока при прохождении струи воздуха через щель голосовых связок (как у флейты) и др. Имеется значительное противоречие между использованием положения гортани в речи и пении: если при повышении высоты тона в обычной речи гортань занимает все более и более высокое положение, то при профессиональном мужском пении при повышении высоты тона положение гортани снижается, что требует специального обучения. Расширение гортани и снижение глотки (" открытое горло") при пении в грудном регистре являются признаками хорошо поставленного профессионального голоса.

Таким образом, спектральная перестройка голоса позволяет получить значительный энергетический выигрыш, повысить помехоустойчивость и звонкость голоса без увеличения энергетических затрат голосового источника. Не удивительно, что этот прием, найденный в процессе совершенствования техники пения, особенно пения " бель канто", получил такое широкое распространение. Существуют виды пения, где певческая форманта не используется, например, хоровое пение, пение в бытовой манере, современное эстрадное пение, где баланс и тембр регулируются системой звукоусиления, и певческая форманта, т.е. усиление особой группы обертонов, может быть сформирована звукорежиссером. Вообще, качество пения у многих современных певцов – это почти исключительно искусство звукорежиссера, а не исполнителя, поэтому таким успехом и пользуется пение под фонограмму (под " фанеру"). Местоположение певческой форманты играет большую роль в классификации голосов, так как каждый голос – бас, баритон, тенор – имеет четкую позицию форманты, что, очевидно, отражает различия в длине вокального тракта и форме глотки. Следует еще отметить, что певческая форманта служит тембральной " униформой" для всех певческих гласных – в речи уровень третьей форманты отличается, например, на 28 дБ для " и" и " у", а уровень певческой форманты для всех гласных примерно одинаков.

АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ вокальной речи (пения) в связи с перечисленными выше особенностями звукообразования отличаются от характеристик обычной речи:

— диапазон воспроизводимых частот для основных (фонационных) частот зависит от типа голоса: бас — 82, 4 Гц (Е2)- 329, 6 Гц (F4); баритон — 110 Гц (А2)-415, 3 Гц (G> 4); тенор — 130, 8 Гц (С3)-523, 25 Гц (С5); меццо-сопрано — 207, 7 Гц (АЗ)- 932, 3 Гц (В5); сопрано — 261 Гц (С4)-1046, 5 Гц (С6); колоратурное сопрано — 61, 6 Гц (С4)-1318, 5 (Е6). Следует учитывать, что это среднестатистические данные, при этом имеются значительные индивидуальные различия. Диапазон частот с учетом обертонов расширяется до 8-10 кГц;

— динамический диапазон при пении значительно шире, чем для обычной речи. Оперные певцы могут развивать уровни звукового давления до 100 дБ/м и даже до 120 дБ/м; при том, что давление в гортанной полости может достигать значений 2-3 кПа, КПД увеличивается. Динамический диапазон при этом расширяется до 70 дБ. В среднем динамический диапазон для вокальной речи составляет 50-60 дБ;

— переходные процессы существенно зависят от вида атаки («жесткая» или «мягкая») и способа звукообразования. В среднем время атаки может изменяться от 30 до 300 мс;

— характеристика направленности изменяется с увеличением частоты аналогично изменению для речевого сигнала (рис. 4.6.22);

— тембр вокальной речи обладает огромной эмоциональной выразительностью и возможностями.