Die menschliche Stimme Eine Präsentation von Johann Langreiter Fachdidaktik der Physik 2006-05-11

Übersicht Einleitung: Hauptteil: Schluss: Entstehung der Stimme Geschichte Vergleich: Orgel und menschliche Stimme Hauptteil: Organe die an der Stimmbildung beteiligt sind Die Artikulation Die Singstimme Schluss: Die „schöne“ Stimme

Wechselseitige Beeinflussung! Entstehung der Stimme Simultan mit dem Übergang zum Homo sapiens bis heute ungeklärt: Stimme (intensivere, verfeinerte Kommunikation) Weiterentwicklung des Gehirns  oder Steuerung des Sprechapparates größeres Gehirn  Nahe liegend: Wechselseitige Beeinflussung!

Stimmforscher der Antike Empedokles (490 - 430 v. Chr.): Schreien, Rufen, freies Sprechen, Vorlesen zur Gesundheitspflege Cicero (106 -43 v. Chr.): Übung von Ausdruck und Stimmgebung (nicht vorwiegend Inhalt)

Stimmforscher in Mittelalter und Neuzeit Leonardo da Vinci (1452 -1519): Fertigte bereits um 1500 äußerst naturgetreue Zeichnungen des Kehlkopfs an. Emanuel di García (1805 – 1906): Vater war berühmter Sänger  Stimme mit zwanzig zerstört.  Emanuel begann Stimmforschung Entwicklung des Kehlkopfspiegels (Laryngoskop)

Kompliziertestes motorisches System im gesamten Körper Die Stimm- und Sprechbewegungen stellen die komplexesten Bewegungsmuster dar, zu denen der Mensch fähig ist. Voraussetzungen: äußerste Präzision extreme Schnelligkeit 150.000 Einzelentscheidungen pro Sekunde

Die Orgel Mit keinem anderen Instrument kann man vielfältigere Klänge erzeugen: - Holzpfeifen ergeben Flötentöne - Metallpfeifen ergeben helle Trompetentöne - mehrere Meter große Pfeifen können die tiefsten Töne des Basses erzeugen.

Orgel vs. menschliche Stimme

Luftstrom in Bewegung setzen Orgel: Luftzufuhr durch Blasebalg Mensch: Lunge und Brustmuskulatur: Verengung des Brustkorbs führt zur Ausströmung von Luft aus der Lunge Achtung: Nur ein in der Stärke und Strömung exakt abgestimmter und möglichst konstanter Luftstrom bewirkt eine gleichmäßige und damit stabile Tonbildung!

Schwingungsfähiges System Orgel: Metallplättchen schwingen Mensch: Im Kehlkopf gelegene Stimmlippen werden durch die in der Luftröhre nach oben strömende Luft zum Schwingen gebracht.

Resonanzkörper Orgel: Mensch: Aufgabe: größter Bestandteil Rachen- und Mundraum zum Teil auch der Nasenraum. Aufgabe: Bestimmte Frequenzen werden verstärkt, andere abgeschwächt.

Steuerung Gehirn Klaviertasten Brocas Bereich = motorisches Sprachzentrum

Warum kann der Mensch sprechen? Instrument: Resonanzraum i. a. fixiert Mensch: Resonanzraum stark und rasch verformbar: Mund-, Zungen, und Lippenbewegungen

Organe, die an der Stimmbildung beteiligt sind Trachea Organe, die an der Stimmbildung beteiligt sind

Die Lunge Aufbau: Luftröhre (Trachea): Lungenbläschen (0,2 mm) schwammähnlich  Mio. Bläschen  70 m² für Gasaustausch ca. 6 l Kapazität Luftröhre (Trachea): Ø = 1,5 – 2 cm L = 10 – 12 cm 15 – 20 hufeisenförmige Knorpelspangen

Bauchatmung Zwerchfell: (Diaphragma) Einatmung: Ausatmung: Trachea Querliegender, flächenförmig ausgeformter Muskel, der sich wie eine Kuppel in den Brustraum wölbt. Einatmung: Kontraktion  Abflachung der Wölbung und Vergrößerung des Brustraumes. Ausatmung: erfolgt passiv: Zwerchfell erschlafft und wird durch die Bauchmuskel wieder in die Ausgangslage gebracht. Teile unter dem Zwerchfell können nur nach vorne ausweichen  Bauchatmung

Brustatmung Die Hebung des Brustkorbes kann auch aktiv durch die Zwischenrippenmuskulatur erfolgen. Trachea Die Vergrößerung bewirkt eine Dehnung der Lungen und lässt die Luft durch die Luftröhre in die Bronchien einströmen. Die Ausatmung erfolgt wiederum passiv, indem die Zwischenrippenmuskulatur erschlafft. Die physiologisch richtige Atmung ist eine kombinierte Brust- und Bauchatmung, da dabei der Brustraum gleichmäßig nach allen Seiten erweitert und mit geringstem Muskelaufwand das größte Luftvolumen gefördert wird.

Schema Kehlkopf (Larynx) Legende: H = Hyoid (Zungenbein) S = Schildknorpel K = Krikoid (Ringknorpel) T = Trachea (Luftröhre) Trachea Weitere Bestandteile: Kehldeckel Stellknorpel Der Kehlkopf baut sich aus einer Reihe von Knorpeln auf, die von Bändern zusammengehalten werden und von Muskeln bewegt werden können.

Schildknorpel Der Schildkn. bildet den Hauptbestandteil des Kehlkopfs! Zwei Platten, die sich vorne V-förmig vereinen. Trachea ≮ 120° Frauen, Kinder ≮ 90° Männer („Adamsapfel“) Eine Einsenkung am oberen Rand des Schildknorpels kann man leicht ertasten.

Ring- und Stellknorpel Der Ringknorpel liegt unterhalb des Schildknorpels. Er besitzt in etwa die Form eines Siegelrings und hat sich aus dem obersten Knorpelring der Luftröhre entwickelt. Trachea Auf der Platte des Ringknorpels sitzen gelenkig verbunden die beiden Stellknorpeln. WICHTIG: Stimmlippen setzen an ihnen an! Die Bewegung der Stellknorpel steuert die Öffnung und Schließung sowie die Spannung der Stimmlippen.

Stimmlippen Die Stimmlippen sind an der Innenseite des Schildknorpels fest verankert, nach hinten werden sie immer breiter und enden an den beweglichen Stellknorpeln. Trachea Bestandteile: Zopfartig verflochtenes Muskelgewebe dehnbare Membranen (Stimmbänder) Stimmritze (Glottis) Atmung: Ausatmung stärker geöffnet Einatmung etwas verengt L-Strom: 3 – 5 m/s (normal) bis zu 120 m/s (Hustenstoß)

Trachea Die Artikulation

Stimmlippen beim Sprechen Ausatmung  simultane Verschließung der Stimmlippen  Überdruck (= 10 cm Wassersäule auf Untergrund) ^ 1 % von 10 m Wassersäule (äußerer Luftdruck) Öffnung: Druckunterschied => Stimmlippen öffnen Schließung: aerodynamisches Paradoxon Muskelkraft (eigentlich in Schließstellung) aerodynamisches Paradoxon Gas strömt zwischen zwei beweglichen Platten => Unterdruck zwischen den Platten => Platten ziehen sich zusammen

Tonerzeugung Ein Klang entsteht! Durch das Öffnen und Schließen der Stimmlippen können in periodischer Regelmäßigkeit Luftmengen größerer bzw. kleinerer Dichte aus dem Kehlkopf und über den Mundraum entweichen. Eine solche sich räumlich ausbreitende Abfolge von Verdichtungen und Verdünnungen der Luft ist nichts anderes als eine Schallwelle (Dichtewelle). Ein Klang entsteht! andere Bsp.: Straff gespannter Grashalm Luftballon (Öffnungsstück verengen)

Tonhöhe & Lautstärke Die Frequenz der Stimmlippen bestimmt die Tonhöhe! Einfluss auf die Frequenz haben Masse, Länge und Spannung der Stimmlippen. Die Stimmlippen von Männern sind durchschnittlich um ein Viertel länger als die von Frauen (Schildknorpel)  im Mittel eine Oktave tiefer (weil Stimmlippen bei gleich bleibendem Druck umso langsamer schwingen, je länger sie sind)! Der Luftstrom bestimmt die Lautstärke!

Vokaltrakt (Resonanzraum)

Unterteilung des Vokaltrakts Kehlrachen: Mit Schleimhaut eingekleideter Muskelschlauch, der hinter dem Kehlkopf in die Speiseröhre übergeht. Trachea Nasenrachen: Nach oben durch den Rachendeckel begrenzt, an dem sich die Mandeln befinden. Hier beginnen rechts und links symmetrisch die Eustachischen Röhren (Verbindung Mittelohr) Mundrachen: von der Zungenwurzel bis zu Gaumenbögen Mundhöhle (Mundboden, Wangen, Gaumen) Die Zunge nimmt den größten Teil ein. Die Zunge ist das beweglichste Muskelsystem!

Resonanzraum Aussehen: (gekrümmte) zylindrische Röhre Analogie: Flötenkörper Trachea Resonanzen: Frequenzbereiche werden verstärkt bzw. löschen sich aus. Physik: Stimmlippenöffnung klein (↔ Vokaltrakt) Stimmlippen sind annährend die Hälfte der Zeit geschlossen.  halboffene Röhre!

(2n+1)c Formanten 1 & 2 ν = 4L Annahmen: Länge Vokaltrakt = 17,5 cm (Mann) völlig runde Pfeife (Durchmesser konstant) Vergleich Grundschwingung und erster Oberton. Die Pfeile zeigen die Schwingungs-knoten an!

Formanten 3 & 4 Durch die Beweglichkeit des Vokaltraktes (insbesondere der Zunge) kann somit die Lage der Resonanzen verändern: Die Stellung des Mundraumes bestimmt die Formanten! => Charakteristik des Klanges zB: Artikulation der Vokale

Vokale Jede Sprache hat ihre eigenen Vokale. Kardinalvokale „a“, „e“, „i“, „o“, „u“ Mundstellungen Formanten (1 – 3) Zunge sehr wichtig: Peaks stellen Formanten dar! Erweiterung und Verengung des Mundraumes Einhüllende! Grundschwingung (Tonhöhe) und Oberschwingungen sind nicht eingezeichnet!

Frequenzspektrum des Vokals „a“: Trachea

Formanten 1 & 2 Beim ersten Formant spielt die Öffnungsweite des Mundraums eine große Rolle (vertikale Stellung der Zunge) Trachea „i“: „a“: Hohe Stellung  niedrige Frequenz für 1. Formant Tiefe Stellung  hohe Frequenz für 1. Formant Beim zweiten Formant spielt die horizontale Stellung der Zunge eine wichtig Rolle. „i“: „o“: Zunge vorne  hohe Frequenz für 2. Formant Zunge hinten  niedrige Frequenz für 2. Formant

Die Formantkarte Zur Charakterisierung und Erkennung eines Vokals genügen die ersten zwei Formaten! Trachea Die Lage der Formanten ist durch die Längenabmessungen des Vokaltrakts gegeben! => Frequenzunterschied (Mann, Frau, Kind) nur rund 20 %!

Stimmkontrolle Fakten: insgesamt etwa 100 Muskeln beteiligt sehr schnelle und äußerst genaue Koordination kann nicht bewusst erfolgen Rückkopplung für Feineinstellungen notwendig Die Steuer- und Koordinationsmechanismen laufen einerseits auf Rückenmarks- und Hirnstammebene reflexartig und unbewusst ab. Andererseits laufen sie unter bewusster Kontrolle ab, sobald diese Empfindungen die Großhirnrinde erreichen. Dies betrifft vor allem die Kontrolle der eigenen Stimme durch das Gehör.

Das Gehirn Sprache spielt sich zum überwiegenden Teil in der linken Gehirnhälfte ab. Broca‘scher Bereich: Wernicke‘sches Areal: Steuerung der Mund- und Kehlkopfmuskeln Defekt  Worte können nur langsam und schlecht ausgesprochen werden. Defekt  überschießende Sprachproduktion, aber ohne Inhalt. Für den Betroffenen klingt die Sprache wie eine Fremdsprache!

Trachea Die Singstimme

Stimmgattungen

Was sind Register? Wenn man, bei tiefen Tönen beginnend eine Tonleiter singt, wird man merken, dass an einer bestimmten Stelle eine Übergang erfolgt, an dem sich das Klangbild ändert: volle Stimme  klangärmere, dünnere Stimme Empfindung: tiefe Töne  Brustbereich hohe Töne  Kopfbereich Töne gleicher oder ähnlicher Farbe  gleiches Register Männer: ca. ⅔ Brustregister Frauen: mehr als die Hälfte Kopfregister

Warum gibt es Register? Bei einer bestimmten Stellung erfolgt ein schneller Wechsel (anstatt kontinuierlich) von der Muskelstellung, die die Stimmlippen im unteren Tonbereich reguliert, zu einer die die stärker gespannten steuert. Bruststimme: Stimmlippen schwingen (d.h. zeitweise völlig geschlossen) Kopfstimme: Großteil der Stimmlippen straff gespannt, nur die Ränder schwingen! Weniger Masse muss zum Schwingen angeregt werden  höhere Frequenz Stimmlippen schließen nicht vollständig!

Die ausgebildete Stimme Ziel: minimale Luftmenge für gewünschten Ton längere Verschlusszeit  weniger Luftstrom Die trainierte Stimme ist vor allem obertonreicher! Eine obertonreiche Stimme erhält man durch Verkürzung der Öffnungszeit (Bruststimme)! Gute Ausnutzung des Atemvolumens geht somit Hand in Hand mit einer Verstärkung der Obertöne, mit einer volleren Stimme!

Orchester vs. Sopranistin Warum kann man die zierliche Stimme einer Sopranistin trotz Orchester hören? Orchester: größte Lautstärke bei etwa 500 Hz höhere Frequenz  kont. Abnahme  Sänger verändert Resonanzraum: Der Kehlkopf wird tiefer gestellt  Erweiterung des Kehlkopfraumes und des Rachens  spezifische Eigenresonanzen die im besonderen den Bereich zwischen 2500 bis 3500 Hz verstärken!

Der Singformant Singformant

Die Liste ist nicht vollständig! Die „schöne“ Stimme Oper, Konzert Jazz, Rock, Musical voll, tragend, dunkel leicht, beweglich, natürlich uniform individuell werkgetreu gefühlsbetont Die Liste ist nicht vollständig! Fazit: Die Beurteilung einer Stimme wird bis zu einem gewissen Grad immer subjektiv bleiben!

Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit!