: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2003 : #3

Слух и речь, часть 7.
Роль обратной связи
для воспроизведения речи и пения
в различных акустических условиях
Ирина Алдошина

Любой лектор, певец, артист прекрасно ощущает, как по-разному звучит его голос в различных условиях: в маленькой сильно заглушенной комнате, в большом зале, на открытом пространстве и т.д. Естественно, он произвольно или непроизвольно подстраивает свой голос под окружающие условия, однако опытный певец или артист может сохранять основные свойства своего голоса (тембр, звуковысотные соотношения и др.) в самых разных окружающих условиях, иначе голос бы менялся до неузнаваемости, и петь и говорить в изменяющихся условиях шумов и акустической обстановки было бы практически невозможно. Таким образом, существуют механизмы, которые с одной стороны, позволяют певцу, лектору и др. все время контролировать окружающую обстановку, с другой стороны - поддерживать до определенной степени постоянство акустических параметров своего голоса. Изучение этих механизмов чрезвычайно важно для исполнителей. Особенно это актуально в настоящее время, когда исполнителю приходится выступать в больших залах с системой звукоусиления, или записывать свой голос в студиях звукозаписи, то есть в специально обработанных акустических помещениях. Но это так же важно и для звукорежиссеров, поскольку, осуществляя запись голосов в разной акустической обстановке, они должны представлять, насколько могут сохраняться стабильными акустические параметры голоса, и насколько они могут изменяться в разных условиях.

Рис.1 Структура отраженных звуков в зале

Рис.2а,б. Залы оперных театров

Анализ системы обратной связи, с помощью которой исполнитель получает информацию об акустических параметрах (громкости, точности интонирования, тембре и др.) собственного голоса в различной акустической обстановке, является важнейшей проблемой для качества пения и речи. Отсутствие обратной связи о качестве голоса, или ее неверная интерпретация, могут испортить исполнение - именно поэтому системы организации обратной связи и их правильное восприятие служат предметом многочисленных исследований (большое внимание уделено им в книгах В.П. Морозова, Дж. Сандберга и др.).

Когда певец (или оратор) находится в помещении, то к нему, как и к другим слушателям в зале, приходят как прямые звуки его голоса, так и отраженные сигналы (рисунок 1). Правда, если певец находится на сцене, то структура отраженных звуков существенно отличается от структуры в зрительном зале, поскольку сцена представляет собой большое, сильно поглощающее пространство из-за наличия декорации (рисунки 2а, 2б). Исполнитель может судить о качестве своего голоса в основном по отраженным звукам из зала, именно поэтому так важно наличие отражающих поверхностей на боковых припортальных стенах и на потолке. Особенно это важно для оперных театров, так как при неправильно выбранных конструкции отражающих поверхностей на потолке и конфигурации оркестрового пространства оркестр может вообще заглушить голос певца. Поэтому акустика при сценической части зала должна быть спроектирована таким образом, чтобы часть отраженных звуков обязательно попадала к исполнителям.

Ситуация значительно усложняется, когда певец поет в зале, где есть система звукоусиления. Там в слуховой аппарат вокалиста поступает информация не только об отраженных звуках его голоса, но и звуки, излучаемые установленными в зале громкоговорителями.

Как известно из практики, ощущение собственного голоса значительно отличается от восприятия его другими людьми. Свой голос в записи обычно трудно узнать, необходимо к нему привыкнуть. Собственный голос обычно кажется ниже, чем он звучит в записи, и он имеет другую тембральную окраску.

Рис.3. Различие в спектральных характеристиках голоса около ушей и около рта

Существует две причины этого явления: первая - высокие частоты обладают узкой характеристикой направленности, и поэтому не достигают ушей. Разница в спектрах звучания, записанных около ушей и около рта, показана на рисунке 3, из которого видно, что на низких частотах она равна нулю, а на высоких - отличается значительно, до 15 дБ. В заглушенной камере, например, человек вообще не слышит высоких частот в своем голосе - голос кажется существенно более низким, чем оказывается при записи. Только при наличии сильно отражающих поверхностей (твердых стенок) можно услышать в своем голосе высокие частоты. Поэтому ощущение спектра собственного голоса зависит от отделки помещения: наличия ковров, занавесей, степени заполненности слушателями и др.

Вторая причина состоит в том, что звуковой сигнал, образующийся при фонации (то есть колебании голосовых связок), достигает слуховой аппарат не только по воздуху. При фонации в гортани развиваются очень большие уровни звукового давления (до 3…5 кПа, как показали измерения, проведенные Сандбергом). При этом звук достигает слуховой анализатор (орган Корти, находящийся на базилярной мембране - "Звукорежиссер", 6/1999) за счет проводимости костей головы и тела и проводимости мышц. При этом значительная часть энергии поглощается - это одна из основных причин низкой эффективности, то есть низкого КПД, работы голосового аппарата. Но затухание высоких частот в плотных тканях выше, чем в воздухе, примерно на 6 дБ, поэтому высокие частоты не поступают к слуховому анализатору.

Следовательно, информации только от слухового анализатора о качестве собственного голоса и его акустических характеристиках недостаточно, хотя она и служит главной опорой для точного интонирования.

Как показывает практика, опытные певцы могут достаточно точно петь и без опоры на свой слух - например, при достаточно сильных шумах, высоком уровне аккомпанемента или других условиях. Следовательно, кроме информации от слуха исполнитель опирается еще и на другие пути получения информации о качестве собственного голоса.

Как показали исследования, существуют два основных канала получения информации о качестве собственного голоса: первый - через слуховой анализатор (уши), второй - через специальную систему вибро- и барорецепторов - специальных нервных клеток, расположенных в мышечных тканях, чувствительных к вибрациям и изменению давления.

Таким образом, вторым каналом обратной связи являются в основном, внутренние вибрационные ощущения, которые не зависят от акустики помещения. У человека имеется особая распределенная на различных внутренних и внешних участках тела система анализаторов, восприимчивых к вибрационным раздражениям - например, особо чувствительная на кончиках пальцев. Собственно наш слуховой анализатор - орган Корти - это тоже набор клеток, чувствительных к особым видам вибраций (в процессе эволюции он из них и выделился).

Частотный диапазон воспринимаемых человеком вибраций 35…8000 Гц, при этом максимум чувствительности находится в области 200…300 Гц, в отличие от слуха, где максимальная чувствительность находится в области 2…3 кГц. Амплитуда улавливаемых вибраций - порядка одного микрона, точность - до 2…8%.

Рис.4. Резонансные полости голосового аппарата

Как уже было рассмотрено в предыдущих статьях, при речи и пении возникают резонансы в речевой, носовой полостях и глотке, которые и определяют формантные области различных звуков (рисунок 4). Кроме того, резонансы возникают в трахее с крупными бронхами (то есть в дыхательном аппарате), а также в верхних отделах головы: лобных, гайморовых пазухах и др. (что дает ощущение звука в "маске").

При этом возникают вибрации их стенок, которые улавливаются многочисленными нервными клетками (виброрецепторами), расположенными на их внутренней поверхности, и которые, параллельно со слухом, передают в мозг информацию о работе артикуляционных органов - то есть о технологическом процессе образования звуков. Благодаря этому исполнитель может в определенной степени управлять настройкой резонансов, изменяя объем и форму соответствующих полостей.

Рис.5. Структура вибраций при речи и пении

Рис.6. Пороги чувствительности к вибрациям и реально измеренные значения

Кроме этого, передача вибраций происходит при колебаниях голосовых связок через плотные ткани. Поэтому, при речи и особенно при пении, вибрации появляются и на внешних поверхностях тела, особенно в области гортани. Этим пользуются при обучении глухонемых детей речи, обучают их пальцами ощушать вибрации в области гортани при речи.

Изучение спектров вибраций, выполненное с помощью специальных контактных вибродатчиков, показало, что на грудной клетке сильно выражены вибрации в области частоты основного тона, а в носовой части - в области высокой певческой форманты 2500 Гц.

Различие спектров вибраций при речи и при пении дано на рисунке 5, при пении более выражена область певческой форманты. Измерения вибраций стенок груди (рисунок 6) показывают, что на низких частотах амплитуды вибраций выше порогов чувствительности, по мере повышения частоты уровень амплитуд уменьшается, и на средних частотах становится ниже порогов восприятия.

Исследования показали, что причинами вибраций являются, прежде всего, интенсивные колебания голосовых связок на основной частоте голосового источника. Чем больше амплитуда колебаний на этой частоте, тем сильнее вибрации. С другой стороны, амплитуды вибраций являются показателем способа фонации, то есть процесса колебания голосовых связок - от максимально зажатого до сквозного дыхательного, что также дает важную информацию для исполнителя.

Выполненные измерения позволили установить, что интенсивность вибраций у квалифицированного певца выше, чем у неквалифицированного. При так называемом "пении на опоре" (техника пения, выработанная в итальянской оперной школе), механизм которого сводится к тонкой регуляции подсвязочного давления, вибрации в области лица и грудной клетки выражены особенно сильно. На основе вибрационных ощущений могут регулироваться такие параметры звука как интенсивность, длительность, а также частотные и даже тембровые особенности звука голоса. Следует отметить, что вибрации в определенных пределах также стимулируют работу голосового аппарата (особенно в определенных зонах, например, на задней стенке глотки и мягкого неба). Однако вибрационные раздражения большой силы и продолжительности могут вызвать и обратный эффект, то есть падение тонуса голосового аппарата, что иногда встречается у представителей "речевых" профессий: артистов, лекторов, педагогов и т.д.

Рис.7. Общая схема обратных связей.

Ощущение вибрации еще недостаточно для создания хорошей фонации, поскольку связь между ними сложная и неоднозначная. Певец, актер и оратор всегда должен пользоваться и другими критериями для определения качества своей фонации. Общая схема обратной связи показана на рисунке 7. Из нее видно, что в процессе речи и пения используется сложный звуковой образ, образованный с помощью информации от слуха, зрения, виброрецепторов, а также барорецепторов (то есть информации об уровне внутреннего звукового давления) и мышечных рецепторов. Таким образом, воспринимаемый исполнителем звуковой образ - это акустическое представление звука, а также зрительная информация и информация о технологическом способе его образования.

В последние годы в связи с развитием технологий мультимедиа все большее внимание в научных исследованиях уделяется проблемам комплексного аудиовизуального восприятия пространственного образа - этим проблемам посвящены многочисленные доклады на конгрессах AES, статьи и книги. Поскольку информация об окружающем мире передается в различные отделы мозга (слуховые и зрительные) через одни и те же входные каналы (слуховые, зрительные, тактильные, обонятельные и т.д.), то, вероятно, могут быть найдены и некоторые общие закономерности, формирующие единый аудиовизуальный образ.

Способность восприятия слухового образа лежит в основе особого "вокального слуха". Обычно человек, занимающийся профессионально музыкальным искусством (звукорежиссер, в первую очередь) должен иметь выраженный музыкальный слух. Он различается как абсолютный, относительный, пассивный, активный, тембровый, мелодический и т.д. Особый интерес представляет, конечно, абсолютный музыкальный слух, которым обладает меньше 1% людей, - причинам его возникновения уделяется в настоящее время большое внимание в различных исследованиях. В общем виде музыкальный слух формируется на основе повышенной разрешающей способности слуховой системы, уменьшенных абсолютных и дифференциальных порогов, слуховой памяти и опыта прослушивания музыки.

Особую разновидность слуха представляет "вокальный слух". Вокальный слух использует информацию не только от слухового анализатора, но и от зрительного и вибрационного анализаторов. Вокальный слух связан не только со способностью различать музыкальные (тембровые) оттенки, но и со способностью определять какие группы мышц и в какой степени задействованы в пении, а также какие вибрационные ощущения возникают при этом. В периоды овладения речью (в детстве) или обучения пению, то есть в периоды выработки двигательного стереотипа, ведущая роль принадлежит слуховому восприятию. С этим связано и то, что при утрате слуха во взрослом состоянии речь сохраняется, а в детстве нет. После выработки стереотипа роль слухового анализатора остается существенной для анализа тонких оттенков, а также для корректирующей функции при изменениях в окружающей обстановке. Однако при поставленном голосе исполнитель может правильно петь и говорить, и не слыша своего голоса, по внутренним ощущениям.

Специфические условия профессиональной деятельности (создание и восприятие вокальной речи в условиях сильных шумов) формируют у вокалистов своеобразные адаптационные механизмы и особенности слухо-рече-двигательного анализатора, обеспечивающие возможность управления собственным голосом при действии сильных внешних акустических раздражителей. При действии шума нарушается обратная акустическая связь, но если при этом ощущается обратная связь по вибрациям, то помехоустойчивость голоса значительно повышается - исполнитель по вибрациям и другим ощущениям чувствует силу голоса, длительность и т.д. Именно эти механизмы и лежат в основе формирования вокального слуха.

Таким образом, вокальный слух - это сложное чувство, которое возникает в результате взаимодействия многих сенсорных систем. Естественно, что у всех людей чувствительность виброрецепторов, барорецепторов и др. различается - может оказаться, что человек имеет хороший музыкальный слух, но низкую чувствительность других каналов информации (возможно и обратное), - в том и другом случаях добиться хороших результатов трудно.

Лектор, актер, певец и др. находятся в условиях, когда им приходится говорить или петь в различных окружающих условиях: шум, маскирующее действие других голосов (например, при исполнении дуэтом и др.), воздействие собственного голоса с определенной задержкой от систем звукоусиления в зале и т.п. При этом, естественно, происходят те или иные изменения акустических параметров голоса, которые надо обязательно учитывать звукорежиссерам при записи - и, возможно, корректировать при дальнейшей обработке.

Исследования эффектов обратной связи п ри речи и пении, выполненные в работах Морозова, Сандберга и др., проводились, в основном, по трем направлениям:

Рис.8. Воздействие шума и сигнала на слушателя

1. Влияние шума на акустические характеристики голоса: при исполнении вокального произведения подавался достаточно сильный широкополосный шум через стереотелефоны (ситуация типичная, например, для современных эстрадных исполнителей, когда голос заглушается шумом сопровождения, толпой зрителей и т.д.), и записывался голос исполнителя (рисунок 8). Результаты измерений, представленные на рисунках 9а и 9б, показывают, что действие шума увеличивает громкость и длительность речи и пения. Эффект непроизвольного увеличения громкости речи и пения при воздействии достаточно сильных шумов (с уровнем не менее 70 дБ) известен давно и получил название "эффект Ломбарда".

Рис.9а. Увеличение уровня голосового сигнала при наличии шумов

Рис.9б. Увеличение длительности отрезков речи и пения при воздействии шумов

Измерения показали, что у не-вокалистов при речи произошло увеличение громкости на 6,6 дБ, а у вокалистов при речи - на 2,8 дБ, при пении - на 0,8 дБ. Увеличение длительности заданного отрывка речи у не-вокалистов произошло на 17,2%, у вокалистов при пении - на 1,5%. Таким образом, хотя действие шума приводит к непроизвольному увеличению громкости и длительности речи и пения, опытные вокалисты обнаруживают гораздо меньшую подверженность влиянию шума - они продолжают петь достаточно уверенно, правда, тембр голоса изменяется на более плотный. Было отмечено, что высокочастотный и белый шум оказывают более сильное влияние на качество пения - по-видимому, потому, что они сильнее маскируют высокую певческую форманту, и певец быстрее теряет контроль над пением. Низкочастотные шумы меньше влияют на изменение фонации.

Можно наметить два принципиально различных механизма изменения речевой функции человека при действии шума:

• изменение вследствие утраты слухового самоконтроля, то есть в результате ослабления обратной речевой связи;
• изменения вследствие физиологического воздействия шума, приводящего к общему замедлению двигательной активности человека, что и вызывает общее повышение громкости и замедление темпа речи.

Рис.10а. Увеличение уровня сигнала при введении задержки на 200…300 мс

Рис.10б. Увеличение длительности сигнала при введении задержки на 200…300 мс

2. Действие задержки на обычную и вокальную речь: в процессе пения через стереотелефоны подается задержанная вокальная речь (задержка порядка 200…300 мс). Этот процесс аналогичен влиянию процесса сильной реверберации в различных помещениях прослушивания, и воздействию задержанных сигналов при наличии системы звукоусиления. Результаты измерений показаны на рисунках 10а и 10б. Из них видно, что средняя сила голоса при обычной речи возрастает на 10 дБ, у профессиональных певцов при пении на 0,8 дБ. Изменение средней длительности фразы у вокалистов при пении также значительно меньше: 124% и 51%. При этом наличие задержанных сигналов привело к значительной потере разборчивости в обычной речи, при пении же опытных исполнителей разборчивость существенно не ухудшилась. Интересно отметить, что добавление задержанных сигналов вызывает более значительные изменения акустических параметров речи, чем шумовые помехи. В основе этого лежат проблемы обработки слуховыми отделами коры коррелированных (как в случае с задержанными копиями одного и того же сигнала) и некоррелированных звучаний (как в случае дополнительного шума). В первом случае мозг решает значительно более сложную проблему распознавания собственной речи на фоне похожих (коррелированных) помех - подобная проблема возникает в случае "эффекта вечеринки", о котором было рассказано в статье по бинауральному слуху. Во втором речь идет о распознавании разных (некоррелированных) сигналов с отличающимся спектром - с такой системой слуховой анализатор справляется значительно легче. По этой же причине, как лектору, так и певцу очень трудно сохранять параметры голоса в сильно реверберирующих помещениях.

3. Влияние спектральных искажений в обратной акустической связи: определенные влияния на голос человека оказывают спектральные искажения в канале обратной акустической связи. Этот эффект особенно важен в современных системах звукозаписи, звуковоспроизведения, звукоусиления и др., когда певец слышит свой голос или через акустические системы, или через стереотелефоны со значительными спектральными искажениями, поскольку любой излучатель имеет амплитудно-частотные характеристики со своими спектральными неоднородностями. Опыты, поставленные с вокалистами, показали, что при искажении сигнала обратной акустической связью в голосе певца возникают спектральные изменения противоположного знака, то есть изменения, направленные на компенсацию слышимых искажений тембра голоса. Именно так действует в норме любая адаптивная обратная связь, стабилизирующая деятельность многих органов и функций организма.

Однако, наряду с подобного рода обратной связью (усиление певцом ослабленных частот), появляются явления противоположного характера, то есть дополнительное усиление певцом тех спектральных составляющих в голосе, которые уже усилены обратной связью - это явление называется "эффектом Томатиса". Этот тип реакции певцов на спектральные искажения сигнала обратной связи, являющийся своего рода рефлексом самоимитации (самоподражания), обнаруживается достаточно часто. Например, если мониторы в системе звукоусиления (или стереотелефоны при контроле записи) имеют подъем АЧХ в определенной области частот, то исполнитель, получив такую информацию о своем голосе, может начать усиливать именно эти частоты. В современной технике звукозаписи и звукопередачи, а также при пении на эстраде через систему звукоусиления, незнание законов обратной связи приводит к разрушительным последствиям. Поэтому певец и оратор должны быть хорошо натренированы на пении в нормальных условиях, запомнить все виды своих ощущений (двигательные, дыхательные, слуховые и т. д.) и уметь их "держать". Для этого в современном музыкальном образовании используются компьютерные модели голосового аппарата, с помощью которых можно моделировать влияние акустики различных залов, шумов, реверберации и спектральных искажений на параметры речи и пения. В наших условиях, при явно недостаточном применении компьютерной техники в музыкальном образовании, необходимо как можно больше тренировать исполнителей в различных залах и студиях звукозаписи. Звукорежиссеры при записи также должны учитывать возможность такой перестройки параметров голоса при различных условиях. Методика использования эффекта Томатиса для улучшения тембральных характеристик голоса была разработана в работах А.Н. Киселева в Санкт-Петербургской Консерватории.

Таким образом, результаты измерений показывают, что профессионально подготовленные певцы, актеры, ораторы и др. могут в определенных пределах сохранять основные акустические характеристики (уровень звукового давления, длительность, спектральный состав и пр.) своего голоса в любых акустических условиях, опираясь не только и не столько на информацию от своего слуха, сколько на внутренние ощущения (вибрационные, мышечные и пр.). Способность сохранять акустические характеристики голоса в различных условиях может служить критерием профессиональной подготовленности исполнителя.