risonanza vocale

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Affinchè uno strumento musicale possa svolgere la sua funzione, e cioè quella produrre uno o più suoni, devono coesistere due elementi indispensabili:

elemento vibrante – la fonte dell’energia sonora
uno o più risuonatori – le cavità che amplificano e modellano l’energia sonora

Per alcuni strumenti è previsto un terzo elemento:

adattatore di impedenza(l’impedenza acustica è un valore che determina la resistenza di un fluido, aria, acqua, …,  alla propagazione delle onde sonore) solitamente un elemento parte integrante dello strumento che trasferisce l’energia meccanica tra varie parti dello strumento stesso o tra lo strumento e il mezzo conduttore, generalmente l’aria che lo circonda

Come esempio consideriamo tre strumenti tradizionali:

il flauto – prevede come elemento vibrante l’aria, e come risuonatore la canna con i fori

la tromba – prevede come elemento vibrante le labbra dell’esecutore, come risuonatore la canna con i pistoni e come adattatore d’impedenza la campana, la quale adatta l’impedenza della canna a quella dell’aria circostante allargandosi gradualmente

il violino – prevede come elemento vibrante le corde, come risuonatore la cassa armonica, e come adattatore di impedenza il ponticello (in realtà anche l’anima e il corpo stesso del violino, ma non complichiamo le cose) il quale permette il trasferimento dell’energia meccanica prodotta dalle corde alla cassa armonica.

Potremmo affermare che la risonanza è quel processo mediante il quale un sistema può assorbire energia da un elemento vibrante solo in una determinata banda frequenziale corrispondente alle frequenze proprie:

risonanza a 1500 Hz

 

La risonanza vocale corrisponde a quel processo per cui il debole effetto acustico determinato dalla vibrazione delle pieghe vocali, attraverso il passaggio nel Vocal Tract, viene modellato ed amplificato determinando il timbro vocale. Praticamente il tratto vocale, il risuonatore (o meglio l’insieme dei risuonatori), amplifica l’energia prodotta dalle corde vocali, la fonte, in certe bande frequenziali corrispondenti alle proprie frequenze di risonanza, smorzando le componenti armoniche estranee o distanti:

risuonatori vocal tract, F1, F2 e F3

Come si vede nella figura  sopra, ho simulato l’effetto di tre cavità di risonanza del tratto vocale, ciascuna con una propria frequenza di risonanza, 500, 1500 e 2500 Hz, come previste in un tratto vocale maschile di umano adulto (lunghezza media circa 17 cm.); come si nota nella sezione di OUTPUT della figura le componenti armoniche coincidenti con le frequenze di risonanza delle cavità sono di intensità maggiore rispetto alle componenti vicine, che anzi vengono smorzate; da qui possiamo quindi comprendere il significato di formante vocale (il quale in verità non si riduce a questa semplice definizione, ma approfondiremo in una prossima pagina):

le formanti vocali rappresentano le risonanze delle cavità del tratto vocale,

di frequenza variabile in relazione a struttura, forma

e dimensione delle cavità medesime

Parliamo di rinforzi armonici, di conseguenza formantici, dovuti alla configurazione mobile della cavità faringea, della cavità orale e della cavità nasale (la quale merita un capitolo a parte) determinata da diverse posizioni assunte da laringe, lingua, velo palatino, labbra e mandibola (o mascellare inferiore).

Ken Stevens, considerato uno dei massimi esperti di fonetica acustica e direttore dello Speech Communication Group presso il Massachusetts Institute of Technology, nel 1962 produce con l’aiuto del collega svedese Ohman questo filmato presso il  Wenner-Gren Research Laboratory di Stoccolma, grazie al quale si riescono a notare abbastanza nitidamente le variazioni del tratto vocale in relazione a vari fonemi e alle due frasi finali Why did Ken set the soggy net on top of his deck? I have put blood on her two clean yellow shoes.

[sz-video url=”http://youtu.be/DcNMCB-Gsn8″ /]

 Il filmato originale – alcune fonti discordano sul fatto che il soggetto fosse lo stesso Stevens o uno speaker canadese – è stato descritto ampiamente da J.S. Perkell nel suo Physiology of speech production: results and implications of a quantitative cineradiographic study del 1969. Per chi fosse interessato lo si può acquistare facilmente in rete, in ogni caso a questo link si può anche leggere qualche pagina introduttiva.
Gli stessi Stevens e Ohman ne parlano a pagina 15 di questo pdf.

E’ tutto un gioco di equilibrio.

Quindi l’onda sonora prodotta dalle pieghe vocali, man mano che proseguirà il suo percorso attraverso il VT e le cavità di risonanza, risulterà composto da armonici di differente intensità, dando luogo quindi a precise distribuzioni formantiche.

Ora bisogna fare chiarezza:

  • le cavità di risonanza contengono aria
  • l’aria, se investita da un’onda sonora, vibra
  • a seconda della conformazione delle cavità di risonanza in quel preciso istante, il suono subirà il rinforzo di alcune armoniche piuttosto che altre, determinando definite zone formantiche

Alcune precisazioni:

ciò che funge da risuonatore non è la cavità di risonanza, ma l’aria in essa contenuta.

In questo bel filmato, Trevor Cox della University of Salford ci spiega in modo curioso il rapporto tra corpo vibrante e risuonatore seguendo il modello source-filter (ne accenneremo più avanti) utilizzando il classico palloncino/cuscinetto a pernacchia:

[sz-video url=”http://youtu.be/PVGk85rHjfE” /]

 

L’elasticità, la consistenza e la densità del materiale che costituisce l’involucro-contenitore della cavità determinano semplicemente in che modo l’aria verrà sollecitata; basti pensare alla differente qualità timbrica tra uno Stradivari e un violino cinese. In generale una parete molto elastica attenuerà l’energia sonora, al contrario una parete rigida l’amplificherà.

by nlm.nih.gov/medlineplus

Vi sono ancora oggi idee differenti riguardo al ruolo dei seni paranasali nella produzione vocale; mentre secondo molti insegnanti di canto sarebbero di fondamentale importanza ai fini qualitativi del timbro vocale, secondo la foniatria non prenderebbero parte al processo di risonanza in quanto l’aria in essi contenuta non potrebbe essere sollecitata da alcuna energia sonora, non potendo quindi risuonare.

Se fosse vera la seconda ipotesi, come credo, quale significato assumerebbero i concetti di suono in maschera o voce di testa tanto cari ai maestri di canto tradizionali? Ne deduco che siano solo sensazioni vibratorie musco-scheletriche (come la voce di petto) e in quanto tali inutili nella formazione strutturale del timbro vocale; queste sensazioni fungono piuttosto da cartina di tornasole, nel senso che l’avvertire, il percepire la sensazione di suono in maschera conferma un efficiente ed efficace utilizzo delle cavità di risonanza del tratto vocale, le quali trasmettono la loro sollecitazione sotto forma di micro vibrazioni al massiccio facciale.

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La produzione e “costruzione” delle vocali avviene nel tratto vocale, spazio compreso tra la glottide e le labbra, e comunque non dovrebbe coinvolgere la cavità nasale, la quale produrrebbe delle antirisonanze – o controformanti – che indebolirebbero anche le componenti armoniche deputate alla determinazione del colore e alla qualità del timbro. Vediamo come sono strutturate la cavità nasali:

[sz-video url=”http://youtu.be/E_9Fi960LLw” /]

Spesso mi sono trovato a discutere sulla questione con vari insegnanti di canto operistico, e solo con qualcuno disposto a prendere in considerazione delle alternative al proprio credo. Ovviamente il problema non è di tipo comunicativo – al limite terminologico – quanto di eccessivo ancoraggio da parte loro a proprie convinzioni basate giustamente su sensazioni propriocettive, ma senza possedere l’elasticità mentale per poterle o volerle giustificare o comprenderne il significato in profondità. Negli ultimi tempi la situazione è mutata leggermente, alcuni insegnanti si aggiornano e si documentano, allargando il proprio interesse verso l’acustica e la foniatria.

Il suono generato dalle pieghe vocali (o corde vocali, CV) è simile ad un debole ronzio; dalla glottide, spazio tra le CV, alle cavità sopraglottiche, verrà trasformato dalla loro conformazione strutturale. Il tratto vocale funge da cassa di risonanza, mutevole nella forma e in grado di creare all’interno della sua struttura diverse zone/cavità che, in relazione alla propria forma e dimensione, determineranno un incremento di determinate componenti armoniche.  Nel  seguente video di sinistra abbiamo una dimostrazione di ciò che si può ottenere acusticamente utilizzando un vocal tract artificiale; per maggiori dettagli consiglio vivamente di leggere questo pdf, nel quale Satoru Fujita e Kiyoshi Honda offrono anche un’esauriente spiegazione sull’effetto di anti-risonanza delle fosse piriformi, pyriform fossa, individuabili  al minuto 6:20 del secondo video:

 [sz-video url=”http://youtu.be/wR41CRbIjV4″ /]

[sz-video url=”http://youtu.be/yQR8OWfLnMU” /]

 Ora, senza riassumere il percorso storico della ricerca sull’acustica vocale – sarebbe improponibile dato il numero elevatissimo di pedagogisti e ricercatori – andiamo indietro nel tempo e vediamo a grandi linee cosa si pensava su quanto detto, elencando solo qualche nome:

  • si ritiene che la scienza vocale nasca con Claudius Galenus (2° secolo D.C.), probabilmente il primo a considerare il ruolo del cervello come artefice primo dell’emissione vocale; riteneva anche che l’altezza di un suono vocale fosse in relazione alla lunghezza della trachea, comparando l’organo vocale a un flauto

  • nel 1280 il monaco e teorico Hieronymus de Moravia (origini sconosciute, sembra fosse vissuto a Parigi) propone una sorta di categorizzazione vocale in tre registri: vox pectoris, vox gutturis e vox capitis

  • il francese Denis Dodart (1634 – 1707) attribuisce alla glottide l’origine del suono vocale, con la teoria secondo cui l’altezza dei suoni deve essere in relazione con la tensione delle corde vocali

  • attorno al 1740 Antoine Ferrein conduce una serie di analisi su cadaveri animali e umani, stabilendo che l’altezza di un suono vocale è determinata dalla frequenza di vibrazione delle corde vocali

  • nel 1754 Jean-Baptiste Bérard, all’epoca rinomato insegnante di canto e haute-contre, pubblica L’art du chant, attraverso il quale porta l’attenzione verso l’importanza della respirazione e le diverse posizioni della gola all’atto della fonazione

  • nel 1761 lo svizzero Albrecht von Haller, nel suo trattato Elementa Physiologiae Corporis Humani scrive sull’importanza delle risonanze della cavità nasale e dei seni paranasali; egli asserisce anche che le vocali sono determinate dalle diverse posizioni assunte dalla mandibola e della lingua

  • verso il 1770 il tedesco Christian G. Kratzenstein, grazie anche alla suo lavoro con giovani pazienti affetti da mutismo, propone una tabella con le diverse posizioni di laringe, palato, mandibola, lingua e labbra per ciascuna vocale

  • nel 1791 l’ungherese Wolfgang von Kempelen costruisce una sorta di macchina parlante – in realtà produce delle consonanti – e una macchina per la produzione di vocali artificiali

  • nel 1848 il tedesco Johannes Moellercompie alcuni esperimenti soffiando aria attraverso laringi prelevate da cadaveri umani, concludendo che il suono proveniente dalla laringe non corrisponde a quello udibile nel parlato (o cantato) e dando così origine alla teoria sorgente-filtro (ripresa nel 1960 da Gunnar Fant); nelle sue analisi riesce a simulare il suono vocalico aggiungendo alle laringi in esame tubi di lunghezza pari a quella del tratto vocale

  • Manuel Garcìa figlio (1805 – 1906), inventore nel 1855 del laringoscopio e ritenuto all’epoca il più illustre didatta vocale, rielabora alcune teorie del padre – maestro di canto e abile esecutore – e grazie anche al suo temporaneo impiego presso un ospedale militare durante il quale poté analizzare l’anatomia dell’organo vocale sui corpi dei soldati passati a miglior vita, pubblica il suo Traité complet de l’art du chant, attraverso il quale illustra l’anatomia e i meccanismi dell’apparato vocale, dalla respirazione costo-diaframmatica ai passaggi di registro; teorizza e dimostra l’efficacia del timbre sombre (copertura) contrapposto al timbre clair, caratterizzante il belcantismo italiano
by phys.cwru.edu
  • negli stessi anni Karl Friedrich Salomon Liskovius, collega di Helmholtz, arriva alla stessa conclusione di J. Moeller, e cioè che una laringe non può produrre un timbro ricco-completo in assenza di risonanze sopra/sotto glottiche; Liskovius teorizza anche un’importante relazione: l’altezza di un evento sonoro è in relazione con il volume della cavità di risonanza, più la cavità è ampia e più la frequenza sarà grave e viceversa

  • nella seconda metà del 19° secolo si contrappongono due teorie riguardo la produzione delle vocali, la Harmonic Theory, supportata da Helmholtz e Wheatstone e la Inharmonic Theory, supportata da Scripture, Willis e Hermann; la disputa nasce da questi due quesiti:
  • quante e quali risonanze concorrono alla produzione delle vocali e quale sarebbe il loro rapporto con le cavità del tratto vocale?
  • le frequenze di risonanza sono in relazione con l’eccitazione dei risuonatori determinata da successivi impulsi laringei?

In seguito saranno così riassunte dal fisico americano Harvey Fletcher:

Harmonic Theory
The vocal cords generate a complex wave having a fundamental and a large number of harmonics. The component frequencies are all exact multiples of the fundamental. …when these waves pass through the throat, the mouth, and the nasal cavities those frequencies near the resonant frequencies of these cavities are radiated into the air very much magnified, … These reinforced frequency regions determine the vowel quality.

ovvero, le corde vocali producono un suono complesso provvisto di componenti armoniche – e quindi di una frequenza fondamentale, il suono passa attraverso il tratto vocale, le frequenze più vicine alle frequenze di risonanza del tratto vocale vengono amplificate maggiormente rispetto ad altre, determinando la qualità vocalica

Inharmonic Theory
The vocal cords act only as an agent for exciting the transient frequencies which are characteristic of the vocal cavities. A puff of air from the glottis sets the air in these cavities into vibration. This vibration soon diminishes until it is started anew by a second puff. …the puffs do not necessarily follow each other periodically.

ovvero, la glottide produce soffi d’aria (impulsi) che, entrando nel tratto vocale, eccitano le onde sinusoidali corrispondenti alle frequenze di risonanza del tratto; l’eccitazione poi decresce rapidamente fino al momento in cui uno sbuffo successivo ricomincia il ciclo; gli sbuffi d’aria non necessariamente si susseguono con una frequenza che è uguale alla frequenza di risonanza del tratto e non consistono di parziali che hanno frequenze diverse

Entrambe le teorie saranno supportate fino al 1930 anche da cantanti e insegnanti di canto, in seguito la Inharmonic Theory verrà confutata.

  • nel 1878 il fisico tedesco M.J. Oertel utilizza uno stroboscopio per visualizzare le corde vocali durante la fonazione, consentendo una vista dettagliata della laringe nelle diverse posizioni “al rallentatore”.

  • nel 1862 Hermann von Helmholtz scrive Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorieder Musik (tradotto da A.J. Ellis nel 1885 – On the sensation of tone as a physical basis for the theory of music), testo sui suoi studi, dai quali deriva la teoria degli armonici. Per i suoi esperimenti sulle risonanze utilizza dei risuonatori – sfere di vetro prima, di ottone in seguito – di varie dimensioni e munite di due aperture opposte, una larga a collo corto in comunicazione con l’esterno e una stretta a collo lungo in comunicazione con il condotto uditivo; ciascun risuonatore assorbe energia acustica in relazione alla forma/dimensione e al diametro dell’apertura a collo corto, rendendo quindi possibile determinare se all’interno di un evento acustico sia presente una certa frequenza, ovvero: l’orecchio può distinguere la frequenza del risuonatore, la quale viene rinforzata per risonanza, tra quelle componenti il suono stesso. In verità Helmholtz riprende e chiarisce le considerazioni che i colleghi Karl Liskovius (relazione frequenza/volume del risuonatore) e Karl Sondhaus(s) (relazione frequenza/area apertura del risuonatore) teorizzano qualche anno prima. Secondo Helmholtz le cavità del tratto vocale agiscono da risuonatori semplici; le vocali sarebbero prodotte da una o al massimo due frequenze  di risonanza

    phys.cwru.edu
  • nel 1879 lo scienziato Alexander Graham Bell, conosciuto ai più per la disputa con Meucci riguardo la paternità dell’invenzione del telefono, sperimentando varie sonorità vocali e tastandosi manualmente gola e guance, asserisce di aver verificato l’esistenza di due frequenze (di risonanza?) per ciascuna vocale in relazione alle diverse dimensioni che possono assumere le cavità del tratto vocale, ma non fornisce alcun dettaglio o valore numerico.  Dopo il primo conflitto mondiale molti ingegneri dei laboratori di ricerca del Bell Telephone System deviano la propria ricerca nell’ambito dello speech and hearing; nel 1922 tale Stewart costruisce un synth costituito da un cicalino e da due circuiti di risonanza in parallelo – due e non di più, secondo la tesi (di Helmholtz) per la quale nella cavità orale si sarebbero potuti verificare solamente uno o al massimo due modi di vibrazione – in grado si simulare tutte le vocali variando il tuning dei circuiti stessi; un altro ingegnere, Crandall, grazie all’utilizzo di circuiti ottici, stabilisce che sia le vocali posteriori sia anteriori sono originate da più modi di vibrazione, e quindi da più zone di risonanza; per finire con Steinberg, Lewis e Russel (grazie ad analisi ai raggi X ) che  tra il 1930 e il 1935 arrivano a mettere in discussione la tesi helmholtziana riscontrando fino a cinque zone di risonanza del tratto vocale, ma senza indicarne la localizzazione

  • il celebre tenore Jean de Reszke (1850–1925), di origine polacca ma naturalizzato francese, considerato in Francia un valente didatta e pedagogista vocale tanto da essere considerato quasi un guru, è un convinto assertore del cantare in maschera; in seguito alcuni suoi detrattori reputano le sue teorie responsabili del fatto che proprio la Francia non abbia mai prodotto valenti cantanti

  • nel 1902 il famoso soprano tedesco Lili Lehmann pubblica il suo trattato Meine Gesangskunst, nel quale propone una netta distinzione tra la funzionalità delle risonanze del cavo orale e delle cavità nasali in funzione dell’altezza del suono da produrre; è un testo molto interessante, lo potete leggere gratuitamente in lingua inglese a questa pagina

  • nel 1904 J. Fisher e J.F. Moeller utilizzano i raggi X, scoperti nel 1895, per analizzare le varie posizioni della laringe durante la fonazione a diverse altezze; E.A. Meyer nel 1910 e D. Jones nel 1932 estendono l’analisi alle posizioni della lingua, mettendo in discussione l’allora in uso grafico/diagramma delle vocali (vowel chart)

  • l’americano Edward Wheeler Scripture (1864-1945) è stato un fautore della Inharmonic Theory: la laringe non produrrebbe componenti armoniche ma una serie di impulsi (sbuffi), determinanti l’altezza del suono, i quali ecciterebbero l’aria contenuta nei risuonatori del tratto vocale dando origine al suono similarmente al suono prodotto soffiando in una bottiglia; Scripture accetta la convinzione di Helmholtz e Wheatstone per cui secondo il teorema di Fourier si possono individuare le componenti armoniche di un suono, ma ritiene ciò inapplicabile al suono vocale, tanto da preferire una formula di un altro matematico, Hermann, per dimostrare che gran parte dei calcoli  utilizzati per scomporre il suono vocale mediante la trasformata di Fourier potrebbero essere analizzati ulteriormente per mostrare la presenza di componenti inarmoniche

  • nei primi anni del ‘900 il fisico americano Dayton Clarence Miller (1866 – 1941), inventore del Phonodeik – precursore dell’oscilloscopio, riesce a sintetizzare la parola papa utilizzando dieci canne d’organo di legno intonate sulle prime  dieci componenti armoniche e andando a modificare l’intensità in uscita di ognuna di esse; Miller teorizza la possibilità che la vocale [a] possegga due risonanze – e non una come si pensava all’epoca – oggi identificabili con le prime due formanti F1 e F2

  • nel 1909 E.G. White, un adepto della Inharmonic Theory, nel suo Science and Singing propone una teoria secondo la quale la risonanza relativa allo sviluppo di componenti armoniche acute caratterizzanti la qualità del timbro vocale proverrebbe dai seni mascellari e frontali

  • nel 1949 l’americano William Vennard scrive il fantastico Singing: the mechanism and the technic, scaricabile gratuitamente qui

  • nel 1960 lo svedese Gunnar Fant, riprendendo le considerazioni di Johannes Moeller, illustra nel suo libro Acoustic theory of speech production la teoria sorgente-filtro, secondo la quale la fonte dell’energia acustica sarebbe la laringe, mentre il tratto vocale fungerebbe da filtro che determina la qualità del suono

  • negli anni ’70 un altro svedese, Johan Sundberg, analizza e formalizza la singer’s formant (e ne conia il termine), risonanza tipica delle voci a elevata portanza e operistiche, nel suo libro The Science of the Singing Voice; in realtà Sundberg non è l’unico a rilevare l’importanza delle componenti armoniche acute. Già nel 1934 (!) Wilmer T. Bartholomew sostiene che la brillantezza vocale di un cantante d’opera sia da attribuire alla presenza di componenti armoniche particolarmente intense attorno ai 3.000 Hertz, tanto che nel suo articolo A physical definition of “good voice-quality” in the male voice scrive “… una formante alta, solitamente situante per voci maschili tra circa 2400 e 3200 cicli. … In generale, migliore è la voce, o più presente il suono,  e più prominente diventa questa formante”. Negli anni ’70 T.F. Cleveland riscontra che,  a parità di vocale emessa, la frequenza delle formanti muta in modo direttamente proporzionale al tipo di voce, ovvero diminuirebbe leggermente nei bassi e aumenterebbe leggermente nelle voci tenorili; all’inizio del millennio attuale Cleveland riscontra la presenza di frequenze acute riconducibili all’extra formante anche nella vocalità dei cantanti di country music, ma semplificherà la questione parlando di speaker’s formant, quarta formante F4, (oggi shouter’s formant) situata tra i 3.000 e 3.800 Hertz.

  • Ingo Titze, fisico americano e coniatore del termine vocology, conduce una serie di ricerche sulle risonanze vocali e sul rapporto tra le prime due formanti

Ho citato solo alcuni ricercatori, tralasciando nomi anche altrettanto illustri, comunque quanto basta per avere un’idea del percorso sulla ricerca del significato di risonanza vocale, e quindi della formazione vocalica. Appare abbastanza chiaro come nel corso del tempo l’indagine abbia seguito due percorsi paralleli e nemmeno troppo distanti, speech e singing; altro aspetto particolare, la ricerca ha coinvolto in gran parte studiosi americani e svedesi, soprattutto negli ultimi decenni.

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