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森の湯トップ  English Top 第一章(男声の特質)  歌集トップ  レコーディング方法  森の音響空間

男声の特質シリーズ第(男声のサウンドスペクトラム的特質について 男声の特質ーその1; ビブラートの性質と倍数波による重層的和音と現代音階の不協和音について その2: 和声とビブラートについて 男声歌唱のオーディオ再生について 男声歌唱のレコーディングにおける留意点 歌唱発声における物理的・身体的要因-進化論的考察 音階移動速度と身体の共鳴空間および部屋の残響時間の関係 男声歌唱のレコーディングにおける留意点-その2:最大音量 男性の低音限界発声について 男性の最大声量とスペクトルの歌唱言語による違い 11 男性の身体共鳴周波数と共振支配による発声波形の量子化と声量の関係の解析   声帯振動と非声帯振動の比較と歌声 男性の超広帯域発声ーバスとテノール声区の連結 バスとテノール連結声区の声洞の物理サイズの計算)章

歌声と話声ーその2 歌手のフォルマント:歌声と話声の母音の発声における身体共鳴の役割

−声洞の存在と役割についてー

 ここでは、日常会話での常用音域での、日本語での発声を比較しました。 日本語では、明確に相異なる母音が5つしかなく、単純なので他の言語より比較しやすいという利点があります。

図ー1 歌声と話声における母音の声量(A)とサウンドスペクトルの比較(B)

歌声と話し声の周波数解析の結果の比較による基本波と倍数波の変化および声道共鳴(声洞共鳴)の位置と強さー通常の話し声と歌声の比較左の図ー1は、通常の話し声の高さで142Hz C#5での歌声と話し声の母音”あ、い、う、え、お”を発声した時の声量(A)とリアルタイムサウンドスペクトル(B)です。 できるだけ、同じ高さと声量になるように発声しましたが、その時の実際の声量振幅変化がAに示されています。”え”が歌声と話声の両方でやや小さくなる傾向があります。 発声レベルとしては、室外での立ち話し程度のレベル(約90dB)で、歌声はこの音域での中レベルで90-95dBです。 基本波の周波数は、できるだけ、母音間および声質間で同じになるようにしています。 ここで、一見してわかることは、歌声では、VDR1の存在がすべての母音ではっきりと認められ、特に”あ、え、お”について顕著です。 また、声道共鳴の中心(最大)の高さは、”あ”:2831Hz ”い”:3091Hz、”う”:3230Hz、”え”:2469Hz"、”お”2745Hz、というように母音によって異なっています。これは、母音の倍数波組成を達成するために、声道の形すなわち喉の奥の形を変えているために声道の共鳴長が変化していることを示しています。 また、”え”においては、1274-1468Hzにかけて幅のある明確な共鳴が見られます。 話声においては、この2つの共鳴はかなり弱くはなりますが、全体に高いほうにシフトして存在しています。 個別にみると、”い”と”う”は逆になっていますが、この共鳴自体弱いのが特徴です。

 ここに示した話し声での共鳴周波数は:あ、2948Hz; い、2983Hz; う、2795Hz; え、3154Hz; お、3193Hzでした。
全体にいえることですが、歌声のほうが話声より声道共鳴値は概して低く、喉の奥の共鳴空間長が話声よりもかなり拡張していることを示唆しています。  母音”え”については、歌声で声道共鳴が大きく下がるということは、”え”の発声では歌声のほうが、喉の共鳴空間、すなわち”声洞”を拡張する必要があるためと思われ、より大きな声帯への負荷がかかっている可能性があります。 ”え”の発声で、どちらもやや声量が下がる傾向があるのは、この特別の”ストレス”のためかもしれません。声洞あるいは声道の共鳴要素の物理学的モデルについては14Bに詳しく書いています。

図ー1 CーD 話し声と歌声の母音平均スペクトルの比較

歌声と話し声の周波数解析の結果の比較による基本波と倍数波の変化および声道共鳴(声洞共鳴)の位置と強さ 図ー1Cは、荒っぽいですが、図ー1Bの母音の歌声全体(5秒間)、図ー1Dは図ー1Bの話し声全体(3秒間)で、ひとつづきの”あいうえお”の連続発声全体の総和平均(母音平均)をとった解析図です。 基本波の周波数はどちらも142Hzで、この解析では完全に一致していますので両方の性質を容易に概観することができます。 この2つの声質の全体像を比較すると、 2798Hz F7の声道共鳴のピークと1271Hz (D#6)の第二胸郭共鳴(BR2)と見られるピークがはっきり出ているところが、話声とは違います。 また、歌声では、BR1にあたる600Hz付近の倍数波が話し声より高くなり、基本波の強度をはっきりと超えているのも特徴です。 これは、話声では、横隔膜や背筋が弛緩して胸郭が下がっている、すなわち共鳴長が長くなった結果ではないかと思います。 話声でも、声道共鳴に該当する共鳴は小さいですが見えており、歌声平均の2434Hz(D7)に対して、3147Hz (G7)と713Hz高い結果になっています。 声帯が上昇し咽頭も縮小していて声洞の共鳴サイズが小さくなっていることの反映です。 歌声は、大きな声あるいは長距離伝播のためのメガホンのような性質を持たせるために、喉の奥などを広げて息の通りや声道の直径を大きくし、また声帯の振動面積をひろげ発声する反射があるからです。 各母音の個別の詳細な比較は、後に掲載します。 個別の母音の全体的な声道共鳴値の比較だけ表-1にまとめておきます。

  声道共鳴の少ない”い”と”う”は、主要な倍数波が1−3倍波となっており、他は激減していることから、和声の要素は少なく、声の質では、裏声に近い要素があります。 確かに裏声は、Hi Ho!なんて叫ぶとでやすいですからね。

表ー1 歌声と話声における声道共鳴周波数の比較

歌声 話声
母音 声道共鳴
Hz
声道共鳴
Hz
2831 2948
3091 2983
3230 2795
2469 3154
2745 3193

 この一連の比較からも、声帯から口頭までのいわゆる”声道”の長さが”声道長”ではなさそうだということがわかると思います。 もしそうであるなら、”声道共鳴”の出現がなぜ歌声ではっきりでるのかの説明ができません。 話すときは、口の開け方は歌うときより小さいのですが、全然”響いていない”のです。  それと、他章で実験が掲載されていますが、話し声のとき鼻をつまむと、見事鼻声になりますね。 ところが、歌っているとき鼻をつまんでもさほど変わりません。 ですので、風邪を引いていても歌声はそう変ではない。  その理由は、大抵の母音を発声するときは、喉の上部にある軟口蓋を上げて(閉じて)鼻腔への経路を遮断し、メガホンかラッパのように声帯からの音を口から外部に放射しているのです。 これは、歌声は、基本的には遠方への呼びかけとしての”大声”であり、喉の開口を増大させるほど反射的に声量と高い響きが自然に増大するように生理学的に仕組まれていることを物語っています。 ここで、喉の開口と言ったのは正確には口腔の最大直径のことで、人間では他の多くの哺乳動物と違って、口腔の最大直径のほうが口頭径よりずっと大きいという解剖学的特徴があります。 例えば、犬やワニの口と比べたらすぐわかるでしょう。 一般的な動物では、安全に食物を食べたり吐き出したりするために、口のほうが喉より大きくあくようにできているのです。

   いずれにせよ、口腔に向けてラッパ状に開いた声道では共鳴は低下するはずです。 いやいや、口のほうが狭いから口腔での共鳴だと反論されそうですが、声道共鳴がもっとも強くかつ連続的に声量のでる母音が、開口最大の”あ”と開口はやや小さくなるが内部を広げる”お”です。 声道共鳴が最小なのは、開口があきらかに小さいあるいは横にひろがる(=共鳴空間が減る)”い”と”う”です。 残響のある部屋では認識しにくいですが、この実験のような残響のない部屋で発声すると、声道共鳴は開いた口を通して喉の奥からのように聞こえてきます。 声道共鳴抽出実験を参照して下さい(男声の特質第3章、図13)。 開口最大の”あ”で、発生した強い共鳴音が喉の奥から聞こえてくる(=響きが大きい)ということは、主たる共鳴が起こる空間は声帯に近い場所で口頭から遠い場所、すなわち声帯から咽頭の天井である軟口蓋までの空間であるに違いありません。 第6章の図-1-3の人間の発声空間モデル図を見てください。それがよくわかると思います。 もちろん、もうひとつの共鳴場所は、声帯より下の気管、気管支、および肺からなる空間で、これは空気振動が声帯以外から直接外部に漏れることのない完全な閉鎖空間であることが特徴です。 この気管・肺空間の共鳴が胸郭共鳴(BR)で、また別の共鳴要因となります。 

さて、次は歌声と”よそいき”の話し声との比較です。 図ー2では、振幅を歌声の大きさに合わせてあります。歌声では、最大が102dBで、話し声のほうが96dBでしたので、話し声のほうを8dB(6倍)増幅しています。 また、この図の範囲の原音ファイル(MP3)を用意しています。

図ー2  歌声とかしこまった話し声の比較  音源ファイルMP3

歌声と話し声とのサウンドスペクトルの比較ーかしこまった声と歌声の比較図ー2のAは、歌声による”あいうえお”の発声につついて、話声による”あいうえお”が続いています。 この例では、基本波の周波数は、図ー1の通常の話声のC#3付近よりおよそ5度上がったところのG3(190Hz付近)が中心になりますが、 もちろん個人差はありますが、相対的な傾向は同じです。 

この図ー2の比較から言えることは、スピーチとか講演とか発表とかいう”正式”の場での声は、ピッチが高く歌声に近い声質を帯びてくるということです。 短くパルス状に切るのが、話声の特徴といえるのかというと、これは日本語の特徴でもあるので、よけいに区別が不明瞭になりますが、鼻腔に抜ける音響成分が無視できないのが、話声の特徴ともいえます。 歌では、響きを与えるビブラートは、耳障りで話の邪魔になる場合もあるため、話声ではビブラートも抑えられているのも特徴です。 Bの話声のスペクトルを見ると、複雑な鼻腔の細かい共鳴と見られる高音域にスペクトルがVDR1、2とかに混じって観察されていますが、歌声にはあまり見られないことに注目して下さい。 話声の場合は、より細やかな声を作りだすために、口の開きを小さくし口腔や鼻腔の共鳴とか鼻腔の伝播経路も使っているわけですから、鼻がつまると鼻声になりますが、歌声は口腔や咽頭を広げる一方で、鼻への道をふさいで母音の発声音を口蓋に送って効率よく外部に放射しているので、伝達損失の多い鼻腔の影響はあまりないわけです。 話声への切り替えは、ある意味、バイオリンが弱音器を装着するのに似ているかもしれません。 この鼻腔の影響の実験については、第1章を参照下さい。 

  次にちょっといたずら実験をしてみました(図-3)。 まじめな顔で歌声とかしこまった話声を発し記録します。 そして、それぞれから、個性を消す、すなわち、声道共鳴(声洞共鳴)だけを抽出してならべてみました。 なんとなく”あいうえお”になってそうですね。 音源ファイルを実際に聞いてみて下さい。  

図ー3  歌声と話声における声道共鳴音源ファイル(MP3)

歌声と話し声とのサウンドスペクトルの比較ーかしこまった声と歌声の比較

 歌声Aと話声C(ともにG3付近)でのリアルタイムサウンドスペクトルを示しました。 それらから、声道共鳴領域(2200Hz-4000Hz)だけを抽出したのが、B(歌声)とD(話声)です。 左側赤矢印でVDRと記してあるのは、VDR1の中心位置(2700Hz)です。 下に、A-Dの振幅を示しました。 この図では、振幅調整はしておらず、原音記録サイズのままです。 右側下の目盛の0.2が102dBに相当します。 歌声では、この基本音程(G3)では、声道共鳴成分の強さが、”お”で最大になっており、89dBあります。

  話声では、”あ”と”お”で同じくらいで、83dBほどで、原音の3分の1から5分の1というところでしょうか。 歌声においては、最初の”あ”の発声の2つの異なるパターンが別の母音である”え”に変わり、冒頭の”あ”が”あえ”と聴こえます。 さらに、最後の”お”が”え”に変化して”お”が消滅し、全体として”あえいうあえ”になっています。 話声の場合は声道共鳴だけで母音の”あいうえお”全部が聴こえることがわかります。  これらの声道共鳴の構成周波数は、基本波の200Hzの倍数波が5-6本より集まって構成されているので、非常に狭いスペクトル範囲の接近したピークの構成であっても、言語は認識されることがわかります。 ここでは、発声者の個性はほぼ完全に失われて別人というか、別生物のものと認識されているというほうが正しいでしょう。 ただ、言語を発音するのは人間という意識があるので、人の言葉と思うだけで、オウムなど擬似言語を発声する生物に対する認識と同じだと思います。 オウムの擬似言語も分析するとこんな感じなのかも知れませんね。

 次の図ー4に話声の図ー3Dにおける声道共鳴抽出スペクトルを示しました。 

図ー4  抽出した声道共鳴の周波数解析

男声声道共鳴(声洞共鳴)の抽出実験結果のスペクトルこのように少なくとも9本の明瞭なピークの集まりであることがわかります。 これらのピークの周波数の主なものは次表ー2のとおりで、基本波の189Hzの倍数であることがわかります。

表ー2 話声”お”から抽出した声道共鳴の周波数分布

推定倍数 ピーク周波数 差分
1 189 0
11 2069 1880
12 2259 190
13 2449 190
14 2638 189
15 2810 172
16 2990 180
17 3178 188
18 3393 215
19 3580 187

この表ー1に示したように、図ー4のピークデーターからの計算では、この声道共鳴の座には、11-19倍波が占め、この場合は13倍波が最大強度ですが、この周辺を同様に解析してみると、ピークの強度分布が異なるので、この強度パターンが即”お”というわけではないようで、詳細な解析が必要のようです。

  最後に、実際に話をするとどれくらいの高さとパターンで発声するのかというのを示しました。 次の図ー5で、Aが普通の速さでスピーチを開始した場合で、Cはわざとゆっくり話しています。 Bは、通常の話声です。 これからわかるように、普通は100Hz前後で静かに話してますが、よそいきとなると途端にピッチが5度から1オクターブ上がっているのがわかりますね。 それと、音程の上下が激しく、これまた軽く1オクターブを超えています。 しかも、以外と発声速度が速く、普通でも、1秒間に5つぐらいの母音が発声されます。 話声は、非常に早いリズムなのです。 早口言葉なら、例えば”なまむぎなまごめなまたまご”をやってみると練習なしでも1.42秒で終わりです(図ー6)。 ピッチは中央部で198Hz G3で発声レベルは、90dB前後です。 13語ですから、1語当たりなんと約0.1秒です。 高速音階移動の練習曲は、0.15秒くらいですから、歌声とは、大きい声であるが、実はゆっくりなんだということです。

図ー5  通常話声と”よそいき”話声のリアルタイムスペクトル

次の図ー5は、よそいきの話声と通常の話声のリアルタイムサウンドスペクトルを比較したものです。 よそいきの話声はピッチが3度ー1オクターブ程度上がり、しかも周波数変化が大きいことがわかります。
A: よそいき話声、普通の速さ
B:  会話、普通の早さ
C:  よそいき話声、ゆっくり
話し声の通常とよそいきの場合の実話のリアルタイムサウンドスペクトルの変化、

   最後のおまけ実験です

図ー6  早口言葉のリアルタイムスペクトル音源MP3)

次の図ー6は、早口言葉”なまむぎなまごめなまたまご: NA MA MU GI NA MA TA MA GO”での話声の発声振幅変化(A)とリアルタイムサウンドスペクトル(B)を比較したものです。 記録開始から0.69秒のカーソル位置から発声開始です。 連続しているように見えますが、各子音とそれ続く母音が識別できます。 発声時間は1.34秒で、 開始と終了間際を除く、中央部の平坦部分の発声周波数は、223Hz A3でほぼ一定です。 振幅レベル(SPL)は、90-94dBくらいの範囲です。 
日本語では、子音は必ず母音の前に来ます。 子音の”M"と”N"と”G"は発声中断なく発することができますが、この中で唯一”T"だけが、母音を中断する必要があることがわかります。 この早口言葉は、すべて、子音母音の組み合わせですので、ほぼ同じ長さになり、子音と母音の合計時間でおよそ0.1秒となっています。 NAMAMUGI”の次の”NA"の上に記した横棒が0.1秒です。 −音源ファイル(MP3)
早口ことばのリアルタイムサウンドスペクトル

  子音の発声時間は、冒頭”NA"、”MA”、後半”TA"で解析しやすいのですが、母音と同程度の時間、すなわち、0.05秒ほどとみつもられます。 子音”G"については、わかりにくいですが、A3の基本周波数の太いラインのすぐ下に、濁音を表す余分な2重の声帯振動が発生しています。 また、通常の発話や歌声とはことなり、動きやすいピッチ(高さ)に自然に移動しての発声になります。 この場合は、音程変化(基本周波数変化)の要素は、冒頭と末尾を除いてありませんので、歌声のビート的音程移動速度とは少し違う側面もありますが、子音がビート要素として作用しているので、おおよその比較とはなるでしょう。  では、この論文の本題はというと、なぜこの早口言葉の発声に自然にA3が使われたかということになります。 この周波数は、身体の共鳴周波数からはずれており、声道共鳴が使われていなければ、事実上BR1の倍数の中間です。 これは、音程を変えない場合には特に音のダンピングがいい、すなわち切れがいい領域だからと思われます。 変化させる場合は、共鳴点へと移動するほうが速度が速いはずです。 もし、基本波や主要な倍数波がBRやVDRに該当すると、共振が起こり、響きはよくなる一方で音の切れがわるくなり(ダンピングが悪化し)、早い変化には不利ということになります。  

超高速の早口言葉次にさらに高速の早口言葉です。声量を落とし音程も下がりC#3ですが、速度は約20%早く1.07秒で、一語平均0.082秒で0.1秒を切っています。MP3  HiRes

  歌声の例では、このサイトに掲載してあるシューベルトの鱒を例にとると、前半、ひかーりはあええて・・の"り、はあええ”の8分音符が区間平均0.156秒です(第10章参照 。これは、非共鳴点のG#3から共鳴点D#4に飛びついて共鳴点D#4から非共鳴点G#3 への復帰移動になっています。 ピアノでは区別はないので、これは一見難しそうに見えますが、男声の共鳴(基本波D#4の2倍波であるD#5 のBR1に対する共鳴による増強)の観点からすると高速で飛びやすく降りやすい音程移動です。 

 歌声での音階移動速度の測定では、母音の移動では0.05-0.1秒ですので第7章参照)、早口言葉(子音+母音)と物理的(身体機能的)限界においてはほぼ同じと現在は考えておりますが、そのフレーズの運ぶ意味(情報量)は、早口言葉、すなわち話声のほうが多いという感じです。

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