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Bei der Stimmgebung fungiert der Vokaltrakt (VT) als akustisches Filter des glottalen Stimmschalls. Die für die Stimmqualität wichtige Ausbildung der höheren Formanten wird unteren Bereichen des VT zugeschrieben [1]. Eine zweite Funktion des VT ist die frequenzabhängige Verbesserung der akustischen Energieübertragung und die Erleichterung des glottalen Schwingungsmechanismus. Der Epilarynx ist dabei dem Mundstück einer Trompete vergleichbar. Seine Form beeinflusst den transglottalen Fluss sowie den Vibrationsmodus [2], [3].

Die bisherigen Abschätzungen des Effektes aktiver Einstellungsvorgänge basieren auf vergleichsweise groben Flächenfunktionen. Neuere Untersuchungsansätze erlauben deutlich genauere 3D-Simulationen anhand von MRT-basierten Real-Geometrien.

Folgende Hypothesen sollten überprüft werden: (1) Das epilaryngeale Segment des VT beeinflusst maßgeblich Frequenz und Amplitude der Formanten F3-F5. (2) Aktive Einstellungsvorgänge des Kehlkopfes beim klassischen Gesang verursachen eine Verbesserung des Schalltransfers im Bereich des Sängerformantclusters.

MRT-Aufnahmen (3T MR Tomograf, Fa. Siemens) von drei Sängern (Bassbariton, 22; Bariton, 36; Tenor; 35 Jahre) im Zustand der gehaltenen Phonation der drei Eckvokale /a:/, /u:/ und /i:/ in jeweils sprechhafter und sängerischer Tongebung auf der Tonhöhe A3 (220 Hz) wurden zur Erstellung von 3D-VT-Modellen verwendet. Die Modellgenerierung erfolgte mittels ITK-Snap (http://www.itksnap.org/). Die Grenzflächen der Dentition zur Mundhöhle wurden durch Subtraktion eingescannter Zahnabdrücke von den MRT-Daten mittels 3D-Slicer (https://www.slicer.org/) erzeugt. Zudem wurden Audio-Aufnahmen vor und während der MRT-Aufnahmen mit Hilfe eines optischen Mikrofons (MO 2000, Fa. Sennheiser) gemacht.

Die Modelle wurden auf Höhe der Kehlkopfeingangsebene in zwei Segmente unterteilt, einem kaudal gelegenen Abschnitt, dem Epilarynx, und einem kranial gelegenen supralaryngealen Abschnitt, entsprechend dem übrigen VT mit Pharynx und Mundhöhle. Diese beiden Segmente wurden für jeden Vokal bei jedem Probanden hinsichtlich des Phonationsmodus hybridisiert.

Numerische Simulationen der Transferfunktion wurden für alle Bedingungen: 3 Probanden x 3 Vokale x 2 Tongebungsarten x 4 Modellarten (vollständige Real-Geometrie, Hybrid-Modell sowie ein Model ohne Epilarynx) durchgeführt und die resultierenden 45 Modelle wurden hinsichtlich der Formantlagen verglichen.

Die Audioaufnahmen wurden nach frequenzspezifischer Korrektur der Intensitätsunterschiede der leiseren sprechhaften Aufnahmen ausgewertet. Hierbei wurde zunächst der Intensitätsunterschied der Formanten F1 zu F3 als Maß für die relative Obertonintensität [4] berechnet. Die so ermittelten Indizes nach Hammarberg in sprechhafter und sängerischer Phonation wurden voneinander zur Ermittlung der relativen Sängerformantclusterzunahme im Sängerischen subtrahiert.

Die Frequenzen der ersten beiden Formanten (sog. Vokalformanten) bleiben im Sprech-Singvergleich für alle Vokale im Wesentlichen stabil und sind auch von der Wegnahme des epilaryngealen Segments wenig betroffen (s. Abbildung 1 [Abb. 1], oben).

Dagegen zeigt sich im Bereich der Formanten F3 und F4 eine deutliche Abnahme Amplituden nach Wegnahme des Epilarynx (s. Abbildung 1 [Abb. 1], oben).

In den Audioaufnahmen war eine deutliche Zunahme des Sängerformantclusters (> 2 dB) im Sängerischen beim untersuchten Bassbariton für /a:/ und /i:/, beim Bariton nur für den Vokal /i:/ and beim Tenor nur für /u:/ messbar.

Die Transferfunktionen dieser anhand akustischer Kriterien selektierten Aufnahmen zeigen für F3 und F4 niedrigere Frequenzen und höhere Amplituden für die sängerische Phonation. Hybride aus sängerischem Kehlkopf und sprechhaftem übrigem VT zeigen eine partielle Angleichung der Transferfunktion (s. Abbildung 1 [Abb. 1], unten).

Die Ergebnisse zeigen eine Verbesserung der Übertragungsfunktion im Bereich der Formanten F3 und F4 durch das epilaryngeale Segment des VT und bestätigen damit Bekanntes [1], [5].

Der beim untersuchten Tenor nur schwache Sängerformantcluster ist a.e. auf die für diese Stimmgattung relativ tiefe Lage der gewählten Tonhöhe zurückzuführen. Die teilweise auch bei den tiefen Stimmen unzureichende Obertonzunahme in sängerischer Tongebung wird wahrscheinlich bei Berufssängern durch eine ohnehin bereits stark obertonreiche Sprechstimme erklärbar.

Beim Vergleich der Transferfunktionen des VT anhand vokalgleicher Aufnahmen von Sängern mit ausgeprägter Zunahme der Obertonintensität, zeigt sich im Sprechhaften allein durch Austausch des Kehlkopfes in jeweils sängerischer Konfiguration eine partielle Angleichung der Transferfunktion im Frequenzbereich des Sängerformantclusters.

Der vorgestellte numerische Untersuchungsansatz gestattet eine vergleichsweise einfache und für vergleichende Zwecke genaue Analyse der Transferfunktion dreidimensionaler, auf Real-Geometriedaten basierender VT Modelle.

Die Daten liefern erstmals Hinweise, dass die Obertonanhebung im Sängerformantclusterbereich von Sängern durch aktive Einstellungsvorgänge auf Kehlkopfebene unterstützt wird. Inwieweit die Konfigurationsänderungen auch über die Erleichterung des glottalen Schwingungsablaufes Einfluss auf die resultierende Akustik nehmen, bleibt Gegenstand weiterführender Untersuchungen.