Hintergrund zu:
Stimmveränderung
Durch ein kompliziertes Zusammenspiel verschiedener Organe kann
der Mensch sprechen. Die Lunge, der Kehlkopf mit den Stimmlippen
und das Ansatzrohr formen durch ihr Zusammenspiel die
menschliche Stimme. Der durch das Schwingen der Stimmbänder
entstehende Ton setzt sich aus dem Grundton und den Obertönen
zusammen. In dem Frequenzspektrum (Abb. 1) werden Tonhöhe und
Stärke des Grundtons und der Obertöne aufgetragen:
Abb. 1:
Frequenzspektrum der Stimmbandschwingungen
Die Tonhöhe hängt von der Länge der Stimmlippen, der Weite der
Glottis (Stimmritze) und der Masse der Stimmlippen ab. Aus diesem Grund
kann man Männerstimmen und Frauenstimmen recht gut unterscheiden. Bei
Männern sind die Stimmlippen durch die Form des Schildknorpels
(„Adamsapfel“) länger als bei Frauen, wodurch Männerstimmen eine
niedrige Grundfrequenz besitzen. In der Musik verwendet man den Begriff
des „Ansatzrohrs“ für Blasinstrumente. Aufgrund der Ähnlichkeit
zum menschlichen Vokaltrakt hat man den Begriff des Ansatzrohrs
(Definition siehe unten) aus der
Musik entlehnt. Durch Änderung der Form und Größe des Ansatzrohrs und
durch Verschluss- oder Engbildung einzelner „Teile“ im Ansatzrohr können
Menschen Laute formen.
Das Ansatzrohr (Rachenraum und Mundraum) fungiert als
akustischer Filter. Er lässt verschiedene Frequenzen unterschiedlich gut
passieren. Der akustische Filter besitzt also verschiedene
Eigenfrequenzen, die auch Eigenresonanzen genannt werden.
Eigenresonanzen sind Frequenzbereiche, die den eingestrahlten Klang
verstärken. Andere Frequenzen werden weniger verstärkt oder gar
unterdrückt. Möchte man nun einen Vergleich zum Ansatzrohr ziehen, so
kommt das einseitig geschlossene Rohr in Betracht, wie zum Beispiel eine
Orgelpfeife. In einem Rohr bilden sich durch mehrmalige Reflexion
stehende Wellen aus. Diese sind die Ursachen für die Eigenresonanzen der
Luftsäule im Rohr (siehe Abb. 2).
Die niedrigste Eigenresonanz, der Grundton, wird
durch die Wellenlänge bestimmt, von der ein Viertel in die Rohrlänge
passt. Zu höheren Resonanzen, den Obertönen, werden Wellenlängen
benötigt, von denen jeweils ein ungeradzahliges Viertel in die Rohrlänge
passt. Da die Wellenlängen der Eigenresonanzen von der Rohrlänge l
abhängig sind, kann man sie durch die Beziehung der Frequenz F, der
Wellenlänge Lambda und der Schallgeschwindigkeit c beschreiben. Die
allgemeine Gleichung für die Entstehung der Eigenresonanzen Fn lautet
wie folgt, wobei F1 die Frequenz des Grundtons darstellt :
Abb. 2: Analogie des Ansatzrohrs mit einem einseitig geschlossenen Rohr.
Modell zur Erzeugung der Formanten.
F1 = Frequenz des Grundtons, F2 = Frequenz des 1.
Obertons
F3 = Frequenz des 2. Obertons, F4 = Frequenz des
3. Obertons
Der Schall breitet sich in unterschiedlichen Medien und verschiedenen
Temperaturen verschieden schnell aus. Je dichter das Material und je
höher die Temperatur, desto größer ist die Schallgeschwindigkeit. In
Helium beträgt die Schallgeschwindigkeit 1007m/s, im Gegensatz zu
344m/s in Atemluft (bei 20°C). Da der Schall in Helium schneller ist,
verkürzt sich die effektive Länge des Ansatzrohrs. Aus diesem Grund wird
die Wellenlänge kleiner und die Frequenzen der Formanten größer. In
Tabelle 1 sind Frequenzen der ersten beiden Formanten der Kardinalvokale
verglichen. Einmal unter „normalen“ Bedingungen und unter
Heliumeinfluss.
Tab.1:
Formantenänderung unter Einfluss verschiedener Gase
Die Frequenzen der Formanten unter
Heliumeinfluss sollten um den Faktor drei gegenüber denen unter
Lufteinfluss verschoben sein, weil die Schallgeschwindigkeit in Luft 1/3
von der in Helium beträgt. Dieser Faktor kann aber niemals erreicht
werden, denn der Schall breitet sich in der Lunge nicht in Helium,
sondern in einem Gemisch aus Helium und Luft aus. In der Lunge und dem
Ansatzrohr ist noch Restgas in Form von Luft vorhanden, außerdem
desorbiert Kohlendioxyd (CO2) aus der Lunge. Man sieht, dass
nur ein Teil der Luft in der Lunge durch einmaliges Ein- und Ausatmen
durch Helium ersetzt werden kann. Man sieht aber deutlich, dass, je
höher die Schallgeschwindigkeit eines Gases ist, die Vokalformanten sich
nach höheren Frequenzen hin verschieben.
In im Vergleich zu Luft schwereren Gasen
(z.B. Schwefelhexafluorid) ist die Schallgeschwindigkeit geringer,
wodurch sich die effektive Länge des Ansatzrohres vergrößert. Die
Wellenlänge wird somit größer und die Vokalformanten werden nach
niedrigeren Frequenzen hin verschoben.
Literatur:
-
http://miless.uni-duisburg-essen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-137/moser.pdf,
Stand 10.06.06
