Как рождается звук: ученые рассказали об особенностях работы голосового аппарата

16 апреля отмечается Всемирный день голоса. Ученый Пермского Политеха объяснил, как устроен голосовой аппарат, что происходит в организме, когда мы хотим воспроизвести звук, чем отличается этот механизм при пении и шепоте, почему мы слышим себя не так, как другие люди, от чего зависят высота, тембр и громкость, почему мы тише говорим после крика и как поддержать здоровье связок.

Как устроен голосовой аппарат

Звук в нашем организме рождается в гортани — настоящем природном музыкальном инструменте.

– Внутри нее находятся две пары голосовых связок. С научной точки зрения, их правильнее называть складками, так как это сложные многослойные образования. Простая связка соединяет кости и не вибрирует, а складка включает мышцу, ткань и слизистый покров, который колеблется от воздуха. Они включают в себя голосовую мышцу, которая может менять натяжение и толщину, эластичную соединительную ткань и слизистый покров, вибрирующий под напором воздуха. Одна из пар складок – их называют истинными – расположена в нижней части гортани. Именно они помогают извлекать звук во время разговора, – рассказывает кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Валерий Литвинов.

Помимо истинных, есть еще и ложные складки, расположенные в верхней части горла. Они не участвуют в образовании голоса, но могут включаться при пении в низком регистре или некоторых экстремальных вокальных техниках.

От сигнала мозга до вибрации голосовых складок: как мы извлекаем звук

Когда мы хотим что-то произнести, мозг запускает сложный каскад событий.

– Есть несколько зон, которые активируются в этот момент: моторная кора, которая отвечает за артикуляцию, центр Брока, помогающий нам строить фразы и подбирать правильные слова, и премоторные зоны — они работают как диспетчеры, планируя, в каком порядке и с какой силой должны двигаться мышцы, чтобы речь звучала плавно и понятно. От них сигналы по нервам направляются к трем основным «исполнительным» отделам: мышцам гортани, диафрагме и артикуляторному аппарату – языку, губам, мягкому небу, – говорит Валерий Литвинов.

Последовательность ответных реакций начинается со вдоха: диафрагма сокращается, межреберные мышцы поднимают грудную клетку, легкие наполняются воздухом. Затем наступает фаза звукоизвлечения.

– Голосовые складки смыкаются, перекрывая поток воздуха из легких. Он натыкается на преграду, и снизу нарастает давление. Когда напор становится достаточно сильным, складки на мгновение размыкаются, но, будучи эластичными, захлопываются вновь. Этот цикл повторяется сотни раз в секунду, создавая колебания воздуха. Именно их мы и воспринимаем как голос, – объясняет Валерий Литвинов.

Рожденный в гортани звук еще слаб и лишен индивидуальной окраски. Чтобы его обогатить, у нас есть система резонаторов, состоящая из трех взаимосвязанных отделов. Верхний — голова: нос, околоносовые пазухи, рот, глотка. Он придает членораздельность. Средний — грудь: трахея, бронхи, грудная клетка. Это усиливает громкость. А нижний — брюшная полость — отвечает за устойчивость голоса.

Звуковая волна от голосовых складок попадает в резонаторы — например, в грудную клетку или череп. Это замкнутые воздушные полости, каждая из которых обладает собственной частотой — то есть предпочитаемым ритмом движения воздуха внутри себя. Если они совпадают, возникает резонанс: каждый новый толчок волны попадает в такт с уже существующим движением воздуха внутри полости. Именно поэтому голос может звучать громко и насыщенно.

Что происходит при пении и шепоте

При пении и шепоте механизм голосообразования работает иначе, чем при обычной речи.

– Если в разговоре голосовые складки колеблются с умеренной частотой 85–255 Гц, то для взятия высоких нот они утончаются, сильно натягиваются и смыкаются лишь краями, что позволяет достигать частоты 700–1000 Гц, а дыхание становится более мощным с участием нижних ребер и живота. При таком механизме извлекается высокий, свистящий, флейтовый звук. Высоту можно регулировать двумя мышцами гортани — перстнещитовидной, которая натягивает складки, повышая тон, и голосовой – она расслабляет и укорачивает их, понижая звучание, – делится Валерий Литвинов.

При шепоте наши голосовые складки не вибрируют, а остаются почти сомкнутыми, оставляя лишь узкую треугольную щель в задней части гортани. Трение воздуха о края этого просвета создает характерный приглушенный шум без участия колебаний тканей.

Почему мы слышим свой голос не так, как другие люди

Собственный голос в записи всегда кажется нам чужим. Часто он звучит тоньше и слабее, чем мы привыкли. Это связано с путями его проникновения в слуховые каналы.

– Во время того, как мы говорим, к нашему уху звук доходит двумя способами — через воздух по наружному слуховому проходу и от вибраций костей черепа, которые передаются напрямую внутреннему уху, минуя наружное и среднее. Костная проводимость лучше передает низкие частоты, поэтому свой голос мы воспринимаем более низким, густым и полным, чем он есть на самом деле. Окружающие же слышат только воздушную составляющую — более высокую и тонкую, – отвечает Валерий Литвинов.

Это легко проверить: зажмите уши и произнесите что-нибудь — вы услышите свой голос, усиленный костной проводимостью. А запись вашего голоса на диктофон кажется чужой именно потому, что вы слышите только ту его часть, которую всегда слышат другие, — без привычного вам костного резонанса.

От чего зависят высота, громкость и тембр

Индивидуальные особенности голоса определяются анатомией и физиологией человека.

– Высота зависит прежде всего от длины и толщины голосовых складок, а также от их натяжения, регулируемого мышцами гортани. У мужчин под действием тестостерона в период полового созревания гортань увеличивается, а складки удлиняются на 6–10 мм и слегка утолщаются, что и приводит к более низкому голосу по сравнению с женским, – говорит Валерий Литвинов.

Однако за последние десятилетия средний тембр у женщин в западных странах стал ниже. Ученые связывают это изменение с эволюцией гендерных ролей: женщины, занимающие более активные позиции в обществе и бизнесе, подсознательно понижают голос, чтобы звучать авторитетнее.

– Уникальная окраска – тембр – создается обертонами, то есть дополнительными призвуками, возникающими при колебании складок. Форма и размер резонаторных полостей у каждого человека индивидуальны, поэтому одни обертоны усиливаются, другие гасятся, формируя неповторимую акустическую фактуру. Громкость определяется силой выдыхаемого воздуха: чем выше его давление на гортань, тем с большей амплитудой расходятся голосовые складки и тем ярче звук. Однако даже при схожих анатомических параметрах люди могут звучать по-разному из-за привычек, тренированности мышц и эмоционального состояния — именно поэтому голос можно развивать, например, с помощью вокальных или ораторских упражнений, – делится Валерий Литвинов.

Почему горло садится после долгого разговора или крика

– При крике голосовые складки смыкаются с чрезмерной силой и вибрируют с огромной амплитудой, что приводит к их микротравмам — возникают мелкие отеки, покраснения и даже точечные кровоизлияния в слизистую оболочку. Голосовые мышцы, отвечающие за натяжение складок, переутомляются и теряют способность к быстрому и точному сокращению, из-за чего складки перестают плотно смыкаться, и между ними остается щель. В результате воздух просачивается с шумом, голос становится слабым, нередко появляется осиплость и даже полная потеря голоса. При длительном разговоре к этому добавляется пересыхание слизистой — связки теряют эластичность, и трение при их колебании усиливается, что еще больше травмирует ткани, – отмечает Валерий Литвинов.

Чтобы восстановить голос, необходимо дать связкам полный покой: молчать несколько часов или даже дней, пить теплую жидкость, избегать шепота – он нагружает их даже больше, чем обычная речь, потому что при нем складки находятся в постоянном статическом напряжении, смыкаясь с большим усилием, что также приводит к их быстрому утомлению и микротравмам.

– Если голос садится регулярно, это может привести к хроническому ларингиту и образованию «певческих узелков» — огрубевших участков на связках, которые требуют уже медицинского лечения, – предупреждает ученый ПНИПУ.

Как поддержать здоровье голосовых связок

– Голосовой аппарат — это инструмент, который лучше всего работает, когда он увлажнен и не перегружен. Поэтому главное правило — пить достаточно воды комнатной температуры (около 30 мл на кг веса), увлажнять воздух в помещении и избегать кофеина и алкоголя, которые обезвоживают организм. Вредят голосу курение, в том числе пассивное, острая и кислая пища, холодные напитки, частое откашливание. Перед длительной нагрузкой полезно делать разминку (помычать с закрытым ртом, пропеть гласные), дышать диафрагмой, а не грудью, следить за осанкой и делать небольшие паузы в разговоре каждые 20–30 минут, – советует Валерий Литвинов.

Из продуктов особенно полезны теплая вода с медом и лимоном (увлажняет и смягчает слизистую), имбирный чай (согревает и обладает противовоспалительным действием), морковь и тыква (богаты витамином А, важным для здоровья слизистых оболочек), яйца, творог и рыба (содержат белок и витамин D для укрепления голосовых мышц), а также яблоки (стимулируют слюноотделение для естественного увлажнения).

– Если голос остается осиплым дольше 2–3 недель без видимой причины, появляются боль, комок в горле или затруднение дыхания — необходимо обратиться к ЛОР-врачу или фониатру, особенно внимательно следить за своим состоянием нужно людям «голосовых профессий» – учителям, преподавателям и вокалистам, – добавил Валерий Литвинов.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях