Zusammenfassung

Hintergrund: Die Mechanismen zur Erzeugung extrem hoher Frequenzen oberhalb von 1.000 Hz sind wenig erforscht, da die verfügbaren Methoden limitiert sind. Aktuell gibt es Theorien (1) zum Damping-Mechanismus (sog. M2d), wobei die schwingende Stimmlippenlänge reduziert wird sowie (2) zur epitheldominierten Schwingung bei minimaler Amplitude (sog. M3). Die Mechanismen konnten bisher lediglich von stroboskopischen Aufnahmen (M2d) oder Finite-Elemente-Modelling (M3) abgeleitet werden. Ziel dieser Studie war es, das tatsächliche Schwingungsverhalten der Stimmlippen im Kontext extrem hoher Frequenzen sichtbar zu machen.

Material und Methode: Mittels simultaner Hochgeschwindigkeits-Laryngoskopie bei 20.000 fps, Elektroglottographie und Audioaufnahmen wurden Phonationen im Bereich 1–3 kHz aufgezeichnet. Es wurden drei sowohl männliche als auch weibliche Probanden inkludiert.

Ergebnisse: Die erfassten Schwingungsmuster lassen sich den genannten Theorien zuordnen. Jedoch unterscheiden sie sich in der Detailkonfiguration und dem akustischen Ergebnis sowie der Steuerbarkeit. Die Mechanismen erscheinen als unabhängig vom biologischen Geschlecht einsetzbar, sowie auch bei vorhandenen Phonationsverdickungen anwendbar.

Schlussfolgerung: Da die detektierten Grundfrequenzen der verschiedenen Signale übereinstimmen, ist davon auszugehen, dass die Phonationen von bis zu 3.100 Hz einen Ursprung in der Stimmlippenoszillation haben; dies trifft auch auf erfasste nichtharmonische Frequenzen zu.

Text

Hintergrund

Die Mechanismen zur Erzeugung extrem hoher Frequenzen oberhalb von 1.000 Hz sind wenig erforscht, da die verfügbaren Methoden limitiert sind [1]. Aktuell gibt es Theorien zum Damping-Mechanismus (sog. M2d) [2], wobei die schwingende Stimmlippenlänge reduziert wird, sowie zur epitheldominierten Schwingung mit minimaler Amplitude (sog. M3) [3]. Die Mechanismen konnten bisher lediglich von laryngostroboskopischen Aufnahmen oder Finite-Elemente-Modelling abgeleitet werden. Ziel dieser Studie war es, das Schwingungsverhalten der Stimmlippen im Kontext extrem hoher Frequenzen zeitlich hochaufgelöst sichtbar zu machen.

Material und Methoden

Es wurden drei Personen gemessen (zwei männlich, eine weiblich), welche extrem hohe Phonationen im künstlerischen Kontext gezielt einsetzen. Mittels simultaner Hochgeschwindigkeits-Videolaryngoskopie (HSV) bei 20.000 fps, Elektroglottographie (EGG) und Audioaufnahmen wurden Phonationen im Bereich 1.000–3.100 Hz aufgezeichnet. Aus dem Bildmaterial wurde die Glottisfläche segmentiert, die Schwingungsfrequenz sowie der Offenquotient berechnet und die prozentual schwingende Länge der Stimmlippen gemessen. Aus dem Audiomaterial wurden Spektren generiert und aus dem EGG-Signal wurde die Grundfrequenz extrahiert.

Ergebnisse

Im Vergleich stimmten die Grundfrequenzen der verschiedenen Quellen überein.

Es zeigten sich in allen Aufnahmen verkürzte Schwingungslängen von weniger als 25% der Stimmlippenlänge (Abbildung 1 [Abb. 1]) sowie Oszillationsbewegungen an der Stimmlippenoberfläche. Bei allen Probanden blieb während der Phonation ein unterschiedlich großer glottaler Spalt. Bei einem der männlichen Probanden wurden Phonationsverdickungen festgestellt, welche die schwingende Länge unterteilte. Bei der weiblichen Probandin kam es zur Entwicklung von sog. Sidebands im Klangspektrum aufgrund nicht-linearer Schwingungsmuster der Stimmlippen, sowie fehlender Steuerungsfähigkeit der Tonhöhe.

Diskussion

Die erfassten Schwingungsmuster von verkürzter schwingender Länge und minimaler Schwingungsamplitude lassen sich gleichzeitig den eingangs genannten Theorien von Damping [2] und epithel-dominierter Oszillation [3] zuordnen und widersprechen Hypothesen zu aeroakustischer Tonerzeugung (Pfeifmechanismen) [4]. Jedoch unterscheiden sich die Phonationen in der Detailkonfiguration und dem akustischen Ergebnis sowie der Steuerbarkeit. Die Mechanismen erscheinen als unabhängig vom biologischen Geschlecht einsetzbar.

Als Mechanismus zur Verkürzung der schwingenden Länge ist eine primär cartilaginöse Adduktion bei relaxiertem M. thyroarytaenoideus plausibel [2].

Möglicherweise können Phonationsverdickungen die extrem hohe Phonation sogar unterstützen, indem sie bei epitheldominierter Oszillation die schwingende Länge der Stimmlippen unterbrechen und somit verkürzen, bei weniger cartilaginöser Adduktion und größerem glottalen Spalt. Bei der Generation von nicht-linearen Sidebands bei der stimmlich gesunden Probandin werden irreguläre Schwingungsmuster willentlich eingesetzt [5], welche in anderen Kontexten tendenziell als pathologisch eingeordnet werden [6], [7]. Die genaue muskuläre Steuerung zur Erzeugung dieser Muster bedarf weiterer Untersuchungen.

Fazit/Schlussfolgerungen

Da die detektierten Grundfrequenzen der verschiedenen Signale übereinstimmen, ist davon auszugehen, dass die Phonationen von bis zu 3.100 Hz einen Ursprung in der Stimmlippenoszillation haben; dies trifft auch insbesondere auf nichtharmonische Frequenzen zu. Zur Erzeugung der extrem hohen Phonationen kommen teilweise willentlich eingesetzte pathologische Muster zum Einsatz.

Literatur

[1] Wingerath A, Grawunder S. What is glottal whistle? – Exploring extremely high fundamental frequencies in human vocal production. In: Skarnitzl R, Volín J, editors. Proceedings of the 20th International Congress of Phonetic Sciences - ICPhS 2023; 2023 Aug 7-11; Prague, Czech Republic. International Phonetic Association; 2023 [cited 2024 Nov 3]. p. 1821-5. Available from: https://www.internationalphoneticassociation.org/icphs-proceedings/ICPhS2023/full_papers/841.pdf
[2] Fantini M. The Physiology of Vocal Damping: Historical Overview and Descriptive Insights in Professional Singers. J Voice. 2024 Sep 2:S0892-1997(24)00265-0. DOI: 10.1016/j.jvoice.2024.08.015
[3] Titze IR, Riede T. A proposal for epithelial dominance in extremely high fundamental frequency vocalizations. J Acoust Soc Am. 2025 Aug 1;158(2):1283-95. DOI: 10.1121/10.0038968
[4] Edgerton ME, Tan S, Evans G, Jang MH, Kim BK, Loo FY, et al. Pitch profile of the glottal whistle (M4). Malaysian Journal of Science. 2013;32(1):78-85. DOI: 10.22452/MJS.VOL32NO1.13
[5] Wingerath A, Köberlein M, Kirsch J, Grawunder S, Echternach M. Investigation on vocal damping and epithelial oscillation regarding laryngeal mechanisms M2d and M3. JASA Express Lett. 2026 May.
[6] Naqvi Y, Gupta V. Functional Voice Disorders. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2026 Jan– [letztes Update: 28.04.2023]. Verfügbar unter: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK563182/
[7] Woo P. Vibratory Characteristics of Diplophonia Studied by High Speed Video and Vibrogram Analysis. J Voice. 2019 Jan;33(1):7-15. DOI: 10.1016/j.jvoice.2017.08.013