Рис. 1. Строение глотки, трахеи (trachea) и гортани (larynx). Голосовые складки (vocal fold) расположены на верхнем конце трахеи, где она разделяется с пищеводом. Складки натянуты на хрящи гортани (cuneiform cartilages, corniculate cartilages). При дыхании (respiration) голосовые связки расслаблены, а дыхательная щель широко раскрыта. Когда человек говорит (phonation), то связки смыкаются и вибрируют в горизонтальной плоскости. Рисунок с сайта fortworthent.net

Применение нового неинвазивного метода исследования голосовых складок позволило ученым из Тайваня пролить свет на физиологию усталости голоса. Выяснилось, что длительное интенсивное использование голосового аппарата приводит к гипоксии голосовых связок — снижается снабжение их кислородом. Восстановление нормального уровня кислорода происходит с разной скоростью у мужчин и женщин: у женщин это происходит быстрее. Кроме того, усталый голос менее устойчив и звучит грубее и ниже, чем здоровый. Особенно это выражено у мужчин.

Для начала давайте разберемся, откуда вообще берется голос у людей. Хорошо известно, что и в речи, и в пении активное участие принимают голосовые связки: именно они придают звучание гласным и звонким согласным звукам, а без их участия производятся только глухие согласные и шепот (см.: Фонация). Но как именно работают наши голосовые связки?

Эти небольшие (у мужчин обычно их длина составляет 1,75–2,5 см, а у женщин — 1,25–1,75 см) тяжи из эластичной соединительной ткани входят в состав голосовых складок, оснащенных мышцами выступов слизистой оболочки гортани. Связки могут смыкаться, закрывая путь воздуху и размыкаться, открывая его (рис. 1). Существуют два основных подхода к объяснению принципа работы голосовых складок: миоэластический и нейрохронаксический.

Согласно миоэластической теории голосообразования звук создается противодействием упругости голосовых связок напору выдыхаемого воздуха. Предполагается, что человек усилием воли натягивает (сближает) связки и закрывает таким образом голосовую щель. При выдохе давление прорывающегося через голосовую щель воздуха ненадолго размыкает связки, после чего они в силу своей упругости возвращаются в исходное положение, затем снова размыкаются воздухом и т.д. Звуки возникают из-за колебания связок в горизонтальной плоскости (смыкания-размыкания) под действием струи выдыхаемого воздуха. Высота звука (частота колебаний связок), как и его громкость, должна по этой теории напрямую определяться силой выдоха, то есть работой диафрагмы и наружных межреберных мышц при вдохе и внутренних межреберных мышц и некоторых мышц живота при самом выдохе. Получается, что высокие звуки могут быть только громкими, а низкие — только тихими. Но это не так: несмотря на некоторую связь между громкостью и высотой произносимого звука, тренировкой можно научиться издавать очень тихие высокие звуки и наоборот. Эта теория была популярна до 50-х годов XX века, но и на данный момент она не считается устаревшей, хоть и подвергается серьезной критике. Дополнила и уточнила ее аэродинамическая теория голосообразования Инго Титце (Ingo Titze), предлагающая модель колебания связок под действием выдыхаемого воздуха с учётом их длины и натяжения.

С 1951 года активно развивается юссоновская или нейрохронаксическая теория голосообразования. Рауль Юссон показал, что колебания натянутых связок сопряжены с серией быстротекущих нервных импульсов, поступающих по двигательному нерву гортани. Под действием каждого из этих импульсов голосовые связки активно расходятся, сближение же происходит пассивно под действием упругости натянутых связок. В результате происходит вибрация связок в горизонтальной плоскости без обязательного смыкания голосовой щели. Частота этих импульсов точно соответствует частоте извлекаемого звука. Таким образом, высота звука определяется деятельностью нервной системы: количеством импульсов, посылаемых на раздвигающие голосовые связки мышцы, в единицу времени. Громкость голоса определяется силой выдоха.

Сейчас известно, что в формировании высоты звука большую роль играет и степень натяжения и сближения голосовых связок (см. наглядную демонстрацию). С 50-х годов и по нынешнее время обе теории активно дополняются и расширяются более комплексной теорией — резонансной теорией пения. Она практически не обсуждает работу самих голосовых связок, поэтому и не была перечислена выше. Хоть из названия этой теории и следует, что основное направление исследования касается именно певческого голоса, многие выводы касаются речи и голосообразования в целом. В этой теории акцент смещается со связок на систему естественных резонаторов нашего тела, к которым относятся грудная клетка (трахея и бронхи), надгортанное пространство (глотка, ротовая полость, носовая полость, некоторые пазухи носа и др.). Все эти полости обеспечивают усиление звука, производимого связками. Дело в том, что звук, извлекаемый самими связками, без резонаторов очень слаб и не годится ни для обычной речи, ни тем более для профессиональной деятельности актеров, учителей, ораторов и певцов. Без резонаторов также не могут быть различимы гласные звуки: форма ротовой, носоглоточной и прочих полостей во время речи и пения изменяется с помощью нижней челюсти, губ, языка, мышц мягкого нёба, гортани и т. д. Это придает этим полостям особые резонаторные свойства в соответствии с так называемой формантной структурой гласной, которую мы хотим произнести.

Получается, что голос — это результат работы целого голосового аппарата, в состав которого входят, помимо гортани с голосовыми складками, еще и дыхательная система, система резонаторных полостей и система, регулирующая формы этих полостей и создающая преграды на пути воздуха — артикуляционный аппарат. Из-за того, что голосовой аппарат состоит из большого количества составляющих, многие из которых без специальной тренировки не работают и даже не ощущаются нами отдельно от других, затруднено определение и лечение недугов голосового аппарата.

Один из них — усталость голоса, временное негативное ощущение в горле и ухудшение качества голоса после продолжительного его использования. Усталость голоса знакома многим из нас, практически каждый человек когда-нибудь это испытывал, но особенно ей подвержены представители «голосовых профессий»: учителя, ораторы, актеры и певцы. Это явление комплексно по своей природе, но исследователи стремятся разложить его на составляющие для совершенствования методов диагностики, лечения и предупреждения более серьезных голосовых недугов, возникающих в результате избыточного использования голосового аппарата. В первую очередь об усталости голоса судят по показаниям пациента. Анализ многочисленных данных показывает, что симптоматика очень индивидуальна, однако существуют некоторые наиболее часто встречающиеся жалобы, характерные и для обычных людей, и для тех, кто много говорит по работе (или просто любит много говорить): уменьшение разницы громкости между самым громким и самым тихим звуком, на который способен голосовой аппарат пациента (уменьшение динамического диапазона), уменьшение разницы между самым высоким и самым низким возможным звуком (уменьшение звуковысотного диапазона), ослабление дыхания, дискомфорт/напряжение в мышцах голосового аппарата, снижение управляемости голоса и увеличение количества усилий, необходимых для продолжения работы голосового аппарата в нормальном режиме (N. V. Welham, M. A. Maclagan, 2003. Vocal fatigue: current knowledge and future directions).

Физиологические основы этого состояния голосового аппарата изучены еще хуже. Но есть несколько предположений о том, что порождает субъективное ощущение усталости голоса у пациентов. Во-первых, не смотря на существующее мнение о том, что мышцы гортани значительно устойчивее к утомлению, чем скелетная мускулатура, предполагается, что они все же устают (V. J. Boucher, T. Ayad, 2010. Physiological attributes of vocal fatigue and their acoustic effects: a synthesis of findings for a criterion-based prevention of acquired voice disorders). Во-вторых, при активном использовании мускулатуры связок в них ухудшается кровообращение, что приводит к их нагреванию, а долгая вибрация может вызывать небольшое воспаление и набухание тканей всей гортани, в результате происходит высыхание и изменение эластичности и упругости голосовых складок. В-третьих, усталости подвержены мышцы дыхательной системы и артикуляционного аппарата.

С помощью функциональной спектроскопии в ближней инфракрасной области по изменению концентраций окси- и дезоксигемоглобина можно оценить изменения насыщенности тканей гортани кислородом. Именно это и проделали исследователи на 60 подопытных (в исследовании участвовали 30 женщин и 30 мужчин) из Тайваня. Чтобы вызвать усталость голосового аппарата, они попросили исследуемых читать вслух с громкостью около 90 дБ в течение часа с тремя перерывами по 5 минут (рис. 2). До и после задания исследователи фиксировали изменения в концентрации гемоглобинов в области голосовых складок, а также записывали и анализировали голос испытуемых с помощью оптического микрофона, который позволяет снизить количество записываемых посторонних звуков практически до нуля, чего очень трудно добиться при других методах аудиозаписи.

Рис 2. Схема эксперимента. (а) — утомление голоса громким чтением, (b) — снятие показаний. Vocal loading task — чтение с громкостью около 90 дБ; Oxidative metabolism detection — анализ изменения концентрации гемоглобинов с помощью функциональной спектроскопии в ближней инфракрасной области, 30 секунд; Acoustic detection — запись голоса на оптический микрофон в течение 6 секунд. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Оказалось, что и до чтения вслух, и после него насыщенность тканей кислородом у женщин и мужчин разная. А также, — что и у тех, и у других после искусственно вызванной усталости голосового аппарата динамика концентраций окси- и дезоксигемоглобина в голосовых складках значительно отличается от нормальной (рис. 3). Причем у мужчин эта разница устойчива, а у женщин — нет: у них происходит быстрое, заметное даже на 30 секундном интервале, восстановление нормального соотношения гемоглобинов. То есть после интенсивного использования голоса наблюдается гипоксия в голосовых складках, которая у мужчин сохраняется дольше, чем у женщин.

Рис. 3. Динамика изменения относительных концентраций оксигемоглобина (∆[HbO2]) и дезоксигемоглобина (∆[Hb]) у мужчин (а) и женщин (b). В левой части каждого графика показано состояние до нагрузки на голосовой аппарат (чтения вслух), в правой части — после нагрузки. По горизонтальной оси — время в секундах, по вертикальной оси — нормированное значение изменения концентрации гемоглобинов. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

После функциональной спектроскопии испытуемые произносили букву «а» в течение 6 секунд на удобной для них высоте и громкости. Это записывали с помощью оптического микрофона и полученные записи исследователи разбивали на составляющие частоты (ведь наш голосовой аппарат не генерирует звук на одной определенной частоте, а создает целый спектр частот разной интенсивности, который усреднено слышится как голос одной определенной высоты). Результаты показаны на рис. 4. Видно, что различия между записями до и после утомления голоса (длительного чтения вслух) находятся в области низких частот, в то время как высокие частоты практически не изменили своей относительной интенсивности. У мужчин эта разница выражена сильнее, чем у женщин.

Рис. 4. Спектры звука, записанного до и после чтения вслух. (а) — общая интенсивность звука, длина записи — 6 секунд, (b) — интенсивность разных частот в составе звука у женщин и мужчин до чтения вслух, (c) — после чтения вслух, (d) — интенсивность разных частот в составе звука до и после чтения вслух у мужчин, (e) — у женщин. По горизонтальной оси — частота (то есть высота звучания), по вертикальной оси — интенсивность (громкость) данной частоты в составе целого звука. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Основной тон (высота) звука у мужчин обычно ниже чем у женщин из-за большей длины голосовых связок. Усталый голос и у женщин, и у мужчин оказался немного ниже нормального, однако у женщин это лишь тенденция, а у мужчин — статистически значимая разница.

Кроме того, усталый голос звучит несколько грубее и неувереннее по сравнению с нормальным. Графически это выражается в непостоянстве интенсивности звука, его дрожании, снижении соотношения сигнал/шум. В данном исследовании только некоторые частные показатели этих деформаций голоса значимо отличались между записями до и после чтения, однако общая тенденция к «огрублению» голоса после его интенсивной работы имеется как у женщин, так и у мужчин. При этом среди мужчин голоса значимо грубее и в отдохнувшем и в уставшем состоянии по сравнению с женскими голосами, также среди мужчин большее количество показателей значимо различалось до и после чтения.

Несколько записей из Саарбрюккенской базы голосов (Saarbruecken Voice Database) позволяют услышать разницу между здоровым голосом и усталым: заметно «огрубление» и снижение основного тона голосов. Пациенты произносят на немецком фразу „Guten Morgen. Wie geht es Ihnen?“ («Доброе утро. Как у Вас дела?»): женский голос в нормальном состоянии, уставший женский голос (та же пациентка), мужской голос в нормальном состоянии, уставший мужской голос (тот же пациент).

Данное исследование показало, что снабжение тканей голосовых складок кислородом ухудшается после их интенсивного использования, заодно изменяется спектр звука и снижается основной тон, выбранный испытуемым как «удобная для него высота». Эти изменения, а также огрубление голоса после продолжительного громкого чтения вслух оказались более постоянными и более выраженными у мужчин по сравнению с женщинами. Почему это так, пока остается неизвестным, но можно предположить, что это как-то связано с длиной голосовых связок и размером всего голосового аппарата. А пока исследователи выясняют и уточняют физиологические основы усталости голоса, нам остается лишь стараться не переутомлять наш рабочий инструмент, чтобы не вызвать более серьезных голосовых недугов.

Источник: elementy.ru