Zusammenfassung

Hintergrund: Hochfrequentes Singen erfordert eine Formantabstimmung, um bei steigenden Grundfrequenzen eine effiziente akustische Kopplung aufrechtzuerhalten. Dafür müssen Sängerinnen sowohl den Vokaltrakt als auch das laryngeale System anpassen. Die relative Rolle der velopharyngealen Öffnung (VPO) und der geschätzten mittleren Glottisfläche (AGA) bei diesen Anpassungen ist jedoch bislang unklar.

Material und Methode: Die vorliegende Studie untersucht tonhöhenabhängige Veränderungen der VPO, der AGA und der artikulatorischen Konfiguration bei professionellen Sängerinnen. VPO- und AGA-bezogene Maße wurden aus synchronisierten akustischen, Luftstrom-, Druck- und elektroglottographischen (EGG-)Aufnahmen abgeleitet. Zusätzlich wurden artikulatorische Daten mithilfe der Optopalatographie (OPG) erhoben.

Ergebnisse: Deskriptiv zeigte sich, dass die geschätzte mittlere VPO-Fläche im oberen Tonbereich zunahm, wobei dieser Anstieg ab etwa C#2 sichtbar wurde. Demgegenüber zeigte die AGA über die Sängerinnen hinweg kein einfaches gemeinsames monotones Muster. Die statistische Analyse ergab Gesamtdifferenzen zwischen den Tonhöhenstufen, während die Unterschiede zwischen den Vokalen insgesamt klein waren und nicht klar gestützt wurden. Innerhalb einzelner Sängerinnen war die AGA-Streuung über die Vokale hinweg meist gering, während die Unterschiede zwischen den Sängerinnen deutlicher ausfielen. Darüber hinaus wurden Zungen- und Kieferposition bei höheren Tonhöhen über die Vokale hinweg ähnlicher und näherten sich einer einheitlicheren artikulatorischen Konfiguration an.

Schlussfolgerung: Diese Befunde deuten darauf hin, dass sich Hochtonanpassungen deutlicher im VPO-bezogenen Verhalten und in der artikulatorischen Konvergenz als in einem einheitlichen AGA-Muster widerspiegeln, während die AGA offenbar stärker von sängerspezifischer als von vokalspezifischer Variation geprägt ist.

Text

Hintergrund

Resonanz- bzw. Formanten-Tuning ist für professionelles Sopransingen im hohen Tonhöhenbereich zentral, weil Sänger zum einen vermeiden, dass die Grundfrequenz die erste Resonanzfrequenz überschreitet und zum anderen durch die Ausrichtung der Resonanzen auf die Grundfrequenz und deren Harmonische eine Erhöhung der Lautstärke zu bewirken [1]. Für die Erhöhung der Resonanzfrequenzen könnten neben Anpassungen von Kieferöffnung, Lippenstellung und Zungenlage auch andere Einflüsse wie die glottale Öffnungsfläche oder der velopharyngeale Abschluss eine Rolle spielen [2], [3], [4]. Die Studie untersuchte bei professionell ausgebildeten Sopranistinnen, ob eine Erhöhung der Grundfrequenz mit einer systematischen Änderung der velopharyngeale Öffnung (velopharyngeal opening, VPO) oder der geschätzten mittleren Glottisfläche (average glottal area, AGA) einhergeht.

Material und Methoden

Sieben Sängerinnen produzierten /VpV/-Folgen (z.B.: /apa/). V steht für die acht deutschen Vokalen (/a, e, i, o, u, ä, ö, ü/) und das /p/ repräsentiert den deutschen p-Konsonant. Die Zieltonhöhen waren die aufsteigende A-Dur-Dreiklangsstruktur von a bis a‘‘. Gemessen wurden das akustische Signal, das Elektroglottogramm (EGG), nasaler Luftfluss, intraoraler Luftdruck und Zungen- und Lippen-Positionen mittels Optopalatographie (OPG). Aus dem kalibrierten nasalen Volumenstrom wurde anhand der linearen Beziehung nach Warren für kleine velopharyngeale Öffnungen die VPO-Fläche geschätzt [4]. Die AGA wurde indirekt aus EGG-basiertem Kontaktquotienten und kalibriertem intraoralem Druck in der Verschlusszeit des /p/-Konsonanten abgeleitet [5]. Formanten wurden über Linear Predictive Coding (LPC) nach Anderson berechnet [6]. Die Segmentierung erfolgte in Praat und Auswertung in Python.

Ergebnisse

Die akustischen Daten zeigten eine deutliche Annäherung der ersten Resonanzfrequenz F1 an f_o mit steigender Tonhöhe. Der mittlere absolute Abstand zwischen F1 und nomineller f_o sank von 284,46 Hz bei a und 277,26 Hz bei cis‘ auf 118,55 Hz bei a‘ und erreichte ab cis‘‘ Werte von 21,66 Hz, 16,55 Hz bei e‘‘ und 13,65 Hz bei a‘‘. Dies spricht für einen ausgeprägten Übergang zu einem F1/f_o-Tuning ab etwa cis‘‘. Parallel dazu zeigte die geschätzte VPO einen markanten Anstieg im oberen Tonhöhenbereich: von niedrigen Mittelwerten zwischen 4,46 und 6,92 mm² im Bereich a bis a‘ auf 31,96 mm² bei cis‘‘, 29,90 mm² bei e‘‘ und 41,47 mm² bei a‘‘. Es ist ein deutlicher Anstieg ab cis‘‘ zu sehen. Die AGA nahm bei steigender Tonhöhe ebenfalls zu, von 1,42 mm² bei a auf 2,46 mm² bei a‘‘. Die Varianzanalyse zeigte einen signifikanten Tonhöheneffekt (F(6,36)=11,028; p<0,001; ηp²=0,648), jedoch keinen klaren Vokaleffekt (F(7,42)=0,600; p=0,753). Die OPG-Daten zeigen dass die Varianz der Lippen- und Zungen-Position zwischen den Vokalen abnimmt, je höher die Grundfrequenz ist. Der Abstand der Unterlippe und Zunge zum OPG nahm mit steigender Grundfrequenz zu, das heißt die Zunge senkt sich und der Kiefer öffnet sich. Die Oberlippe verringerte bei ansteigender Grundfrequenz ihren Abstand zum OPG, was heißt das die Oberlippe sich zunehmend vor die obere/vordere Zahnreihe schiebt.

Abbildung 1 [Abb. 1]

Diskussion

Die Ergebnisse sprechen dafür, dass das Formanten-Tuning bei professionellen Sopranistinnen nicht ausschließlich durch die Form des Vokaltraktes gesteuert wird, sondern auch durch den velopharyngeale Abschluss und die mittlere glottale Fläche. Besonders deutlich zeigte sich ein f_o-abhängiger VPO-Anstieg ab dem Bereich, in dem auch die stärkste F1/f_o-Annäherung beobachtet wurde. Dies passt zu der Annahme, dass kleine velopharyngeale Öffnungen die akustischen Eigenschaften des Vokaltrakts verändern können [3]. Die AGA zeigte zwar einen Tonhöheneffekt, aber keine klare vokalspezifische Abhängigkeit; der Unterschied innerhalb der Sänger zwischen den Vokalen war sehr gering. Bei allen Probanden war eine steigende Tendenz der AGA zu erkennen, allerdings war der Verlauf unterschiedlich. Die OPG-Daten stützen zusätzlich die Interpretation, dass hohe Tonhöhen mit einer artikulatorischen Konvergenz einhergehen. Limitationen sind die indirekte Schätzung von VPO und AGA, die eingeschränkte Gültigkeit der linearen VPO-Schätzung bei größeren Öffnungen (nur validiert bis 20 mm²), sowie, dass die OPG-Informationen über die Zunge nur im harten Teil des Gaumens liegt und die Position von der Zunge weiter hinten nicht gemessen wird.

Die Tonhöhe cis‘‘ markierte in dieser Analyse den Anfang eines deutlichen Übergangsbereich zu starkem F1/f_o-Tuning. Gleichzeitig stiegen die VPO bei cis‘‘ deutlich an und vokalspezifische Zungen- und Lippenkonfigurationen wurden bei steigender Frequenz ähnlicher. Die Ergebnisse legen nahe, dass neben der klassischen vokaltraktbezogenen Artikulationsanpassung auch die velopharyngeale Öffnung an der Anpassung im hohen Tonhöhenbereich beteiligt sein kann. Die AGA scheint dagegen eher sängerinnenspezifisch als vokalspezifisch geprägt zu sein und sollte in Folgestudien mit direkten laryngoskopischen Verfahren validiert werden.

Fazit

Der Einfluss des VPO auf Formanten-Tuning könnte eine relevante Rolle spielen. Ab cis‘‘ ist ein deutlicher Anstieg in der VPO zu beobachten was nahelegt, dass es für das Formanten-Tuning relevant ist. Die AGA scheint nur eine geringe Auswirkung auf das Formanten-Tuning zu haben, da der Anstieg und die Vokalunterschiede gering sind. Je höher die Grundfrequenz, desto ähnlicher werden die OPG-Werte für Zungen- und Lippen-Position.

Literatur

[1] Köberlein M, Birkholz P, Burdumy M, Richter B, Burk F, Traser L, Echternach M. Investigation of resonance strategies of high pitch singing sopranos using dynamic three-dimensional magnetic resonance imaging. J Acoust Soc Am. 2021;150(6):4191-202. DOI: 10.1121/10.0008903.
[2] Sundberg J, Skoog J. Dependence of jaw opening on pitch and vowel in singers. J Voice. 1997;11(3):301-6. DOI: 10.1016/S0892-1997(97)80008-2.
[3] Havel M, Sundberg J, Traser L, Burdumy M, Echternach M. Effects of Nasalization on Vocal Tract Response Curve. J Voice. 2023 May;37(3):339-47. DOI: 10.1016/j.jvoice.2021.02.013
[4] Warren DW. Nasal emission of air and velopharyngeal function. Cleft Palate J. 1967;4(2):148-56.
[5] Zhang Z. Contribution of laryngeal size to differences between male and female voice production. J Acoust Soc Am. 2021;150(6):4511-21.
[6] Anderson N. On the calculation of filter coefficients for maximum entropy spectral analysis. In: Childers DG, editor. Modern spectrum analysis. New York: IEEE Press; 1978. p. 252–255.