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FISIOLOGIA

di Ingo R. Titze A giudicare dalle dimensioni, come strumentomusicale il nostro sistema vocale non è un granché.E allora come fa a produrre tanti magnifici suoni?

SORPRENDENTEMENTE FLESSIBILE.

La voce umana produce suoni

altrettanto ricchi e complessi di quelli

degli strumenti musicali, ma usando

componenti assai più piccoli.

www.lescienze.it

IN SINTESI• Malgrado le piccole dimensioni,

il sistema vocale umano produce

suoni belli e variati quanto quelli

di molti strumenti musicali.

• Tutti gli strumenti hanno una

sorgente sonora, un risonatore

che rinforza i suoni fondamentali

e un radiatore che trasmette il

suono agli ascoltatori.

• La sorgente sonora umana è

costituita dalle complesse pliche

vocali vibranti della laringe;

il risonatore sono le vie aeree

al di sopra della laringe, che

rinforzano il suono; e il radiatore

è dato dalla forma del tratto

vocale (l'insieme delle vie aeree).

• La voce umana è in grado

di creare una notevolissima

gamma di suoni perché si basa

su effetti non lineari, in cui piccoli

segnali in ingresso producono

segnali sorprendentemente forti

in uscita.

56 LE SCIENZE

S

e un fabbricante di strumenti musicali deci-desse di esibirlo accanto ai tradizionali stru-menti dell'orchestra, il sistema fonatorio

umano non farebbe una grande impressione. Perdimensioni, per esempio, la «scatola» in cui vieneprodotta la voce (la laringe) finirebbe nello stessogruppo dell'ottavino, quello dei più piccoli dispo-sitivi meccanici usati per fare musica. Eppure uncantante esperto non sfigura accanto ai vari stru-menti costruiti dall'uomo presi uno alla volta; e sela cava bene anche con l'orchestra al gran comple-to. Recenti indagini sul modo in cui la nostra voceriesce a produrre nel canto una notevole gamma disuoni hanno rivelato una sorprendente complessitànel comportamento dei singoli elementi che com-pongono il sistema fonatorio, e nelle loro modali-tà di interazione.

Per più di mezzo secolo le capacità musica-li della voce sono state spiegate con una teoriadell'acustica vocale detta «lineare», nella quale lafonte del suono e l'elemento risonante (o amplifi-catore) funzionano in maniera indipendente. Oggiperò si è compreso che le interazioni non lineari- in cui sorgente e risonatore si rinforzano reci-procamente - hanno un ruolo imprevisto e cru-

ciale nella generazione dei suoni da parte degliesseri umani. Queste ricerche ci consentono ora didescrivere come fanno i grandi cantanti a produr-re suoni straordinari.

I limiti strutturali e funzionali dell'apparatovocale umano sono evidenti in ognuna delle sueparti. Per fare musica uno strumento ha bisognodi tre componenti essenziali: una fonte sonorache vibri, generando una frequenza fondamenta-le, quella che noi percepiamo come altezza dellanota, insieme ad altre frequenze, più alte, che defi-niscono il timbro, o colore, del suono; uno o piùrisonatori che rinforzano la fondamentale incre-mentando l'intensità della relativa vibrazione; euna superficie o un orifizio che trasmette il suo-no all'aria libera circostante e, in ultima analisi,all'orecchio di chi ascolta.

Nel caso, per esempio, della tromba, le labbradel suonatore vibrano mentre l'aria spinta dai pol-moni passa rapidamente fra esse verso un boc-chino a forma di coppa generando una frequenzafondamentale insieme a parecchie frequenze piùalte, che vengono percepite come armoniche dellafondamentale. I tubi metallici (il canneggio) fan-no da risonatori, e l'apertura conica della campa-

475 marzo 2008

Ponticello

Come gli strumenti producono la musica

Bischeri —1111~neall

Tastiera

VIOLINO Quasi tutti gli strumenti musicali, sia quelli

costruiti dall'uomo sia quelli biologici, condividono

tre elementi di base: 1 una sorgente sonora che

vibra creando una determinata frequenza

fondamentale (percepita come altezza del suono)

e le relative frequenze armoniche (multipli interi

della frequenza base), che definiscono il timbro

o colore del suono); *p un risonatore che rinforza

o amplifica la frequenza fondamentale e le sue

armoniche; .• un radiatore che trasferisce

il suono all'aria libera e poi all'orecchio

dell'ascoltatore.

42 RISONATORE (tavola armonica)

O RADIATORE (effe)

1 FONTE SONORA (corde)

IL SISTEMA VOCALE UMANO

O RADIATORE(tratto vocale)

Cavità orale

Faringe (gola)

A RISONATORE(vestibolo laringeo, ovvero la zonadelle vie aeree che si trovasubito al di sopra della laringe)

1 SORGENTEVOCALE(pliche vocali della laringe)

Laringe

Trachea

na irradia il suono. I trombettisti alterano la fre-quenza fondamentale cambiando la tensione dellelabbra e premendo i pistoni per modificare la lun-ghezza effettiva del canneggio. Oppure prendiamoil violino: le corde vibrano a creare le note, l'ariadella cavità centrale e la tavola superiore in legnosono l'elemento risonante, e le effe - le aperturedella tavola armonica - contribuiscono a inviare ilsuono nell'aria.

Un cantante, invece, usa le pliche vocali, che favibrare soffiandovi l'aria attraverso, per generare lefrequenze sonore. Le pliche vocali sono due piccolifasci di tessuto specializzato, spesso chiamati anche«corde vocali», che sporgono a mo' di sacchettidalle pareti della laringe, e generano le frequenzefondamentali oscillando rapidamente tra le pare-ti e il centro della glottide (lo spazio compreso trale pliche). Il vestibolo, un tratto delle vie aeree chesi trova immediatamente sopra la laringe, funzio-na come il bocchino della tromba per accoppiare ilsuono alla parte restante del risonatore, detta trattovocale. Le labbra irradiano il suono verso l'esterno,come la campana della tromba.

Se un fabbricante di strumenti musicali esami-nasse le vostre corde vocali - grandi, tutte insieme,quanto l'unghia di un pollice - non avrebbe unagran fiducia nelle loro capacità di produrre suonimusicali degni di un'orchestra. Oltre a essere pic-cole, un'immediata obiezione sarebbe che appaio-no troppo molli e spugnose per sostenere la vibra-zione e creare note di diverse altezze.

Tuttavia, se è vero che le pliche sono piccine,le vie aeree sono in grado di produrre un risonan-za sufficiente a rinforzare il suono della laringe inmisura . Ma anche di questo un fabbricante di stru-menti musicali faticherebbe a convincersi: il tuboche contiene l'aria si estende in genere per appena15-20 centimetri sopra la laringe, e 12-15 centime-tri sotto di essa: non più della lunghezza dell'otta-vino. Gli strumenti musicali che producono suonidi altezza simile a quelli prodotti dalla voce uma-na (tromba, trombone, fagotto) sono tipicamentedotati di un canneggio assai più lungo; la campanae i Morti di una tromba, per esempio, se raddrizzatiarrivano intorno ai due metri, e quelli del trombonea circa tre.

Le sorgenti sonorePer capire come ha fatto la natura a sviluppa-

re pliche vocali capaci di prestazioni del tutto ina-spettate consideriamo anzitutto alcuni dei normalirequisiti delle sorgenti sonore. Perché un'ancia ouna corda sia in grado di sostenere una vibrazio-ne, è necessario che sia costituita da un materialeadeguatamente elastico, in modo da tornare rapi-

, damente alla posizione originaria dopo ladeformazione. Il parametro che misura l'ela-

sticità è la rigidezza (o, inversamente, la flessi-bilità) oppure la tensione: un'ancia presenta rigi-dezza a flessione, una corda vibra quando è intensione. In generale, la rigidezza o la tensione diuna fonte sonora determina le frequenze del suo-no in ragione proporzionale alla sua radice qua-drata. Quindi, per farsi che una corda d'acciaio dilunghezza determinata raddoppi la sua frequenza(producendo una nota all'ottava superiore), biso-gna quadruplicarne la tensione. Questo requisi-to, alquanto stringente, può essere un serio limi-te per la gamma di frequenze che si può otteneremediante l'alterazione della rigidezza o della ten-sione di una fonte sonora.

Per fortuna i musicisti possono modificare lafrequenza di vibrazione di una sorgente sonoraaumentando o riducendo la lunghezza effettivadell'elemento oscillante. Per esempio in una cordain vibrazione le frequenze sono inversamente pro-porzionali alla lunghezza del segmento che vibra.

Bloccando la corda con un dito a una delle estremi-tà si può quindi selezionare una diversa frequenza.Se la lunghezza di una corda vibrante viene dimez-zata senza cambiarne la tensione, per esempio, lafrequenza di vibrazione raddoppia. Per ottenereuna più ampia gamma di variazione della frequen-za, in genere un singolo strumento usa più corde.

Gli strumenti a corda, dunque, hanno tre mec-canismi distinti per modificare la frequenza delsuono: alterare la lunghezza di una corda, cam-biarne la tensione o passare a un'altra corda. Chisuona gli strumenti a corda tipicamente regola latensione facendo ruotare i bischeri attorno a cuisono avvolte le corde; la tensione tra le due estre-mità delle corde rimane costante. I musicisti nonpossono quasi mai manipolare simultaneamente lalunghezza e la tensione delle corde.

Nel suonare le pliche vocali umane, invece, icantanti devono fare una cosa che nessun altrostrumento a corde può fare: variare contempora-neamente la lunghezza e la tensione delle cordeper cambiare la frequenza dei suoni emessi. Invece

di bloccare la corda vocale con un dito per ridur-ne la lunghezza effettiva, noi usiamo i muscoli perspostarne le estremità. Ma per incrementare la fre-quenza è meglio allungare o accorciare le plichevocali? Si possono sostenere entrambe le tesi: sele pliche vocali si allungano, vibreranno a una fre-quenza più bassa, ma se ne aumenta la tensione laloro frequenza di vibrazione aumenterà.

La formula che in fisica descrive la frequenza diuna corda in tensione fissata a entrambi i capi diceche per ottenere il massimo incremento della fre-quenza si deve incrementare la tensione riducendoal tempo stesso la lunghezza. Una simile rispostarichiede un materiale insolito, perché nella maggiorparte dei materiali la tensione (o lo sforzo di tensio-ne) può aumentare solo quando sono sottoposti adallungamento. Si pensi a un elastico: se lo si tira, sitende. Se si tratta di cambiare frequenza, insomma,lunghezza e tensione sono in competizione.

La natura ha affrontato questi problemi realiz-zando le pliche vocali in un materiale a tre com-ponenti che esibisce proprietà insolite rispetto alle

L'AUTORE

INGO R. TITZE, tra i massimi esperti

mondiali nello studio scientifico

della voce umana, ha pubblicato

oltre 50 lavori sull'argomento.

Attualmente ha l'incarico di

University of Iowa Foundation

Distinguished Professor nel

Dipartimento di patologia del

linguaggio e audiologia

dell'Università dell'Iowa ed è

direttore del National Center for

Voice and Speech (www.ncus.org) di

Denver. Titze, che ha conseguito il

Ph.D. in fisica alla Brigham Young

University nel 1972, canta e insegna

canto in vari stili, fra cui lirico,

Broadway e pop.

STEVEN TYLER, il cantante solista

degli Aerosmith, è famoso per la sua

capacità di gridare senza perdere

l'intonazione. Tyler riesce a creare

quei suoni estremi sfruttando

intensamente gli effetti non lineari

nelle sue vocalizzazioni.

LINEARE/NON LINEAREGli scienziati che hanno studiato la

voce erano soliti spiegare le

prestazioni del sistema vocale

umano in termini di effetti lineari, in

cui i valori in uscita di una funzione

sono proporzionali a quelli in entrata

(e quindi possono essere

rappresentati, per esempio, con una

linea retta). Più di recente i

ricercatori sono giunti alla

conclusione che il sistema vocale

umano presenta un comportamento

non lineare. In un sistema non

lineare, modesti cambiamenti

possono dar luogo a effetti rilevanti.

58 LE SCIENZE

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LE SCIENZE 59

SEZIONE

TRASVERSALE

DI UNA PLICAVOCALE

Come il tratto vocale delle vie aeree amplifica il suono

Negli esseri umani il vestibolo laringeo (la parte delle vie aeree che

precede la laringe) sfrutta un processo di retroazione energetica detto

reattanza d'inerzia per far risuonare, o amplificare, i suoni creati dalle

pliche vocali. Le speciali condizioni realizzate dal cantante nel vestibolo

forniscono un'ulteriore «spinta», precisamente calibrata nel tempo, a

ciascun ciclo di apertura e chiusura delle pliche, che ne rinforza la

vibrazione e dà luogo a onde sonore di maggior potenza.

La spinta giunge nel momento in cui il moto della colonna d'aria nel

vestibolo è in ritardo rispetto al movimento delle pliche vocali. Quando le

pliche si separano all'inizio di un'oscillazione (1), l'aria spinta dai polmoni

fluisce nella rima glottidea compresa tra le pliche e preme contro la

colonna d'aria immobile contenuta nel vestibolo. L'inerzia della colonna

d'aria stazionaria fa salire la pressione dell'aria nella glottide prima che i

polmoni comincino ad accelerare la massa d'aria verso l'alto, il che

aumenta ancora la separazione delle pliche Quando la reazione

elastica delle pliche comincia a riportarle l'una verso l'altra, a chiudere la

glottide, il flusso d'aria dai polmoni viene interrotto, mentre la colonna

d'aria esce (3). Queste risposte lasciano un vuoto parziale nella glottide,

che ha l'effetto di chiudere con maggior forza le pliche l'una contro l'altra

(4). Così la reattanza d'inerzia — un'azione di trazione e spinta — dell'aria

nel vestibolo laringeo incrementa le oscillazioni delle pliche vocali,

amplificandone la risonanza.

FASE DI APERTURA DELLA GLOTTIDE FASE DI CHIUSURA DELLA GLOTTIDE

Pressionein aumento

Vestibololaringeo

Pliche vocali

Glottide

Flusso d'ariain aumento

Colonna d'ariastazionaria

Chiusuradelle pliche

Aperturadelle pliche

Alta pressione

Colonnad'aria mobile

Pressionein caduta

— Laringe

Flusso d'ariain caduta

Come funzionano le pliche vocaliLa sorgente sonora umana — le pliche (o corde) vocali — ha una complessa struttura che ci permette di

generare una gamma di frequenze di diverse ottave. Il nucleo di ognuna delle due pliche è un legamento

simile a una corda (si veda la sezione trasversale). Il legamento è circondato da muscoli contrattili, sopra i

quali c'è una membrana mucosa altamente flessibile. Ciascuno dei componenti conferisce all'insieme una

specifica capacità. Lo sforzo di tensione del legamento cresce rapidamente con l'allungamento (dovuto ai

muscoli che spostano le cartilagini collegate alle pliche), contribuendo alla produzione delle frequenze più

acute. I muscoli sono in grado di accrescere lo sforzo di tensione contraendosi, e ampliando ulteriormente la

gamma di frequenze. La superficie molle e cedevole della membrana esterna, che oscilla

come una bandiera al vento quando l'aria proveniente dai polmoni passa sopra di essa,

trasmette la forza vibrazionale delle pliche all'aria generando le onde sonore.

LARINGE VISTA DALLA BOCCA

Flusso dell'aria

Legamento

Muscolo

Membranamucosa

necessaria ci vuole un tessuto cedevole e flessibile,che risponda al flusso d'aria generando onde nondissimili da quelle che il vento forma sulla superfi-cie dell'oceano.

E infatti le pliche hanno un terzo strato, unamembrana mucosa che si estende su muscolo elegamento per realizzare questa funzione di trasfe-rimento energetico. Questa mucosa, un sottilissimostrato di pelle (epitelio) che ricopre una sostanzasimile a un fluido, è facilmente deformabile, e puòsostenere una cosiddetta «onda di superficie». I mieicolleghi e io abbiamo dimostrato matematicamen-te che quest'onda generata dalla corrente d'ariasostiene la vibrazione. È a questo movimento, incui il tessuto sembra ripiegarsi su se stesso come unnastro, con l'estremità superiore a toccare la base,che si deve il termine «pliche vocali».

Suonatori di plicheMa come si fa a far suonare questo triplice

sistema in una gamma di diverse ottave in mododa produrre un'unica frequenza? Solo con gran-de esperienza e destrezza. Durante le vocalizzazio-ni, gli effetti caotici sono sempre in agguato, conmolteplici frequenze naturali (liberamente vibran-

ti) che competono per giungere a una posizionedominante: una gara che può dar luogo a inattesisalti di altezza o a suoni aspri o rozzi.

Per i toni bassi, e per un volume sonoro damoderato a forte, il cantante attiva i muscoli del-le pliche vocali e mette in vibrazione tutti e tregli strati. Le pliche vocali sono corte, ed è in largamisura lo sforzo muscolare a determinare l'altezzadella nota. In questo caso, tanto la mucosa che illegamento sono rilassati, e servono principalmen-te a propagare le onde superficiali richieste perun'oscillazione autosostenuta. Quando il volumedi suono deve essere ridotto, a queste altezze, ilmuscolo non vibra, ed è usato solo per regolarela lunghezza della plica vocale. A determinare lafrequenza è l'elasticità combinata della mucosa edel legamento.

Per ottenere i suoni acuti, il cantante allunga lepliche vocali. È solo lo sforzo sostenuto dal lega-mento, in questo caso, a dettare la frequenza, men-tre la mucosa conduce l'onda di superficie. Non èdifficile immaginare quanto sia complicato il siste-ma di controllo e innervazione dei muscoli laringeinecessario alla regolazione fine delle tensioni perprodurre la frequenza desiderata al giusto volume. I

ALTRO CHECONTRABBASSOIn genere tendiamo a pensare che

Io strumento musicale umano sia

costituito da tutto il corpo, il che

lo renderebbe paragonabile, per

dimensioni, a un contrabbasso.

Ma la maggior parte del nostro

corpo (per esempio il torace,

la schiena, il ventre, le natiche

o le gambe) non contribuisce affatto

al suono: che viene generato

esclusivamente dall'apparato vocale

e dalle vie aeree.

Plichevocali

LARINGE

Pliche vocali

LA STAR DI BROADWAY Ethel Nierman

cantava in modalità belting

con grande precisione di enunciazione

e intonazione, in modo che il pubblico

riusciva a sentirla senza bisogno

di amplificazione. Nell'emissione

vocale detta belting, per le voci

femminili, la voce prende risonanza

dall'inertanza non lineare del tratto

vocale e finisce per somigliare

fortemente a una voce cantante

maschile standard.

Glottide

corde degli strumenti tradizionali. Uno dei com-ponenti è un legamento dall'aspetto simile a unacordicella, che poi è il motivo per cui le plichevocali sono popolarmente chiamate «corde». Provebiomeccaniche hanno accertato che in esso lo sfor-zo cresce in maniera non lineare anche in seguitoa un modesto aumento della lunghezza: può risul-tare praticamente floscio quando è corto, ma tesoin modo impressionante una volta allungato. Sti-randone la lunghezza da 1 ad appena 1,6 centime-tri, per esempio, può aumentarne lo sforzo internodi un fattore 30, il che darebbe un incremento difrequenza di oltre 5 a 1 (la proporzionalità, comesopra ricordato, è relativa alla radice quadrata).

Tuttavia, il fatto che la lunghezza aumenta del60 per cento abbassa il tasso di vibrazione, ripor-tando il reale rapporto tra le frequenze a un valoreprossimo a 3 a 1; circa un'ottava e mezzo, in ter-mini musicali. La maggior parte di noi parla e can-ta in una gamma di frequenza di questo genere,ma ci sono cantanti che riescono a coprire anchequattro o cinque ottave, cosa che gli scienziaticontinuano a considerare straordinaria.

Corde complesseLa biologia ha trovato anche una seconda via per

aumentare la gamma di altezze delle pliche voca-li. In essa è coinvolto un materiale la cui tensionecresce quando si accorcia: il tessuto muscolare. Lacontrazione interna delle fibre muscolari è in gradodi aumentare lo sforzo tra i due punti estremi dellepliche mentre la plica stessa, invece, si accorcia.

Circa il 90 per cento del volume della plicavocale è costituito da tessuto muscolare. In sostan-za la natura ha risolto il problema dell'altezza deisuoni in larga misura con la crescita di un gruppodi corde unite fianco a fianco come in un lamina-to, in cui alcuni strati hanno proprietà contrattili ealtri no. Ma come si fa a mantenere in vibrazionequesto complesso tessuto, visto che non è possi-bile sfregarlo con un arco o pizzicarlo ripetuta-mente dentro la laringe? L'unica fonte di energiadisponibile per deformare le pliche e provocarne lavibrazione è l'aria che fluisce dai polmoni. Da soli,muscolo e legamento sarebbero troppo rigidi perprodurre quelle vibrazioni quando l'aria ne percor-re la superficie. Perché l'aria provochi l'oscillazione

60 LE SCIENZE

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LE SCIENZE 61

MEGAFONO INVERTITO

MEGAFONO Pliche vocali

isr VestiboloM. della laringe Bocca

Pliche vocali

Vestibolodella laringe

-411f

Bocca

Trachea

JOAN SUTHERLAND sapeva per istinto

che determinate vocali non possono

essere usate nel cantare certe note.

Il soprano australiano modificava

alcune vocali nel canto operistico

(anche a costo di pronunciare

male le parole) per meglio adattarle

alle note da emettere.

Bocche grandi e bocche piccole

ceP

muscoli laringei esterni alle pliche vocali coordina-no con precisione le variazioni di lunghezza dellaplica vocale. Nel corso di queste complesse mani-polazioni, la qualità della voce può cambiare inmaniera improvvisa, un fenomeno noto come saltodi registro. A causarlo è in gran parte l'uso ecces-sivo o insufficiente del muscolo della plica vocaleper regolare la tensione. I cantanti usano i salti diregistro per presentare due suoni a contrasto, comenello yodel. Ma se un cantante cambia registroinvolontariamente l'effetto può essere imbarazzan-te, perché fa pensare a una mancanza di controllodel suo strumento.

La risonanza delle vie aereeNegli strumenti musicali è soprattutto il risona-

tore a determinare le dimensioni dello strumento,ma i cantanti devono arrangiarsi con un risonato-re di proporzioni lillipuziane. Eppure il risonatoreumano offre prestazioni di tutto rispetto.

In uno strumento, tavole armoniche, piastrevibranti, timpani, tubi metallici conici o cilindriciservono tipicamente a rafforzare e amplificare lefrequenze prodotte dalla fonte sonora. Nel violi-no, per esempio, le corde passano sopra un ponti-cello congiunto alla tavola armonica superiore, lacui forma accuratamente sagomata le permette dientrare in vibrazione solidale, amplificandole, conmolte delle stesse frequenze naturali che possonoessere prodotte dalle corde. La massa d'aria com-presa tra le tavole superiori e inferiori è anch'essain grado di oscillare alle stesse frequenze naturali.In molti strumenti delle famiglie dei legni e degliottoni, il canneggio è fatto in modo da adattarsi a

molte delle frequenze prodotte dalla fonte sonora,a tutte le altezze a cui questa può essere suonata.

La parsimonia della natura, per quanto riguardale dimensioni, impedisce un simile accoppiamen-to. Dato che le leggi della fisica stabiliscono chetutti i suoni stazionari (continui) sono compostidi frequenze sorgenti armonicamente spaziate - ilche vuol dire che tutte le frequenze sorgenti sonomultipli interi (2:1, 3:1, 4:1...) della fondamentale- spesso il risonatore deve essere davvero grandeper accogliere l'ampia spaziatura delle frequenze. Èquesta legge a impone che il canneggio delle trom-be sia lungo tra 1,2 e 1,8 metri, quello dei trombonitra 2,7 e 3,9 e quello dei corni inglesi tra 3,6 e 5,1.

La lunghezza totale delle vie aeree umane aldi sopra delle pliche vocali è di circa 17 centime-tri. Le frequenze più basse che possono dar luogoa risonanza sono intorno ai 500 hertz, valore chesi dimezza quando vengono cantate determinatevocali come la «u» o la «i» italiane. Poiché il trattovocale è un tubo risonante praticamente chiuso auna delle estremità, le sue frequenze di risonanzasono limitate ai multipli dispari (1, 3, 5...) della fre-quenza di risonanza inferiore. Questo breve tubo,di conseguenza, può far risuonare simultaneamen-te solo le armoniche dispari di una frequenza dellasorgente pari a 500 hertz (1500, 2500, 3500...). E,dal momento che il tratto vocale non può modi-ficare la propria lunghezza con valvole o coulisse

(se non per pochi centimetri, sporgendo le labbra oabbassando la laringe), sembrerebbe proprio che ilnostro risonatore possa fare ben poco.

Anche qui, gli studi più recenti indicano che lariscossa arriva con gli effetti non lineari. Stavolta si

tratta di un'interazione non lineare tra i diversi ele-menti del sistema. Invece di rinforzare ogni armo-nica con una specifica risonanza del tubo (come peresempio nei tubi d'organo di dimensioni diverse,ciascuno dei quali fa risuonare determinate armo-niche), il nostro breve tratto vocale rinforza interigruppi di armoniche simultaneamente mediante unprocesso di retroazione energetica. Il tratto voca-le è in grado di immagazzinare energia acustica inuna parte del ciclo di vibrazione e restituirla allasorgente sonora in un momento diverso e più van-taggioso. In pratica, il tratto vocale dà una «spinta»a ciascun ciclo di oscillazione delle pliche vocali inmodo da accrescere l'ampiezza dei moti vibrazio-nali. Se pensiamo a quel che avviene con un'alta-lena, queste spinte cicliche assomigliano a quelleche, applicate di volta in volta al momento giusto,fanno aumentare di molto l'ampiezza delle oscilla-zioni dell'altalena, ovvero la distanza percorsa.

Il più efficace adattamento temporale dellespinte si verifica quando il movimento della colon-na d'aria nel tubo è ritardato rispetto al movimen-to delle pliche vocali. Gli scienziati dicono che inquesto caso la colonna d'aria presenta reattanzad'inerzia (cioè reagisce con lentezza o in ritardoalla pressione applicata). La reattanza d'inerziacontribuisce profondamente a sostenere le oscilla-zioni delle pliche vocali indotte dal flusso.

Quando le pliche vocali cominciano a separarsiall'inizio di un ciclo di vibrazione, l'aria provenien-te dai polmoni fluisce nella glottide e comincia apremere contro la colonna d'aria stazionaria che sitrova appena sopra, nel vestibolo laringeo. Data lanecessità di accelerare la colonna d'aria per acco-modare il nuovo flusso d'aria, la pressione dentro esopra la glottide sale, aumentando ancora la sepa-razione tra le pliche. Quando la reazione elasticariporta indietro di colpo le pliche dalle pareti achiudere la glottide, il flusso d'aria si ferma. A cau-sa dell'inerzia, però, la colonna d'aria continua amuoversi verso l'alto, lasciando un parziale vuotodentro e sopra la glottide, che finisce per spingereancor più le pliche vocali a chiudersi l'una sull'al-tra. In tal modo, come una spinta data al momen-to giusto a un bambino in altalena, la reattanzad'inerzia dell'aria nel tratto vocale incrementa cia-scuna delle oscillazioni delle pliche vocali con unaduplice azione di trazione e spinta.

Peraltro il tratto vocale non si comporta auto-maticamente in questo modo inerziale in tutte lesue forme. Il cantante deve regolare la forma deltratto vocale (selezionando attentamente le vocali«cantabili» favorevoli) ottenendo il verificarsi dellareattanza d'inerzia per la maggior parte della suagamma vocale, il che non è affatto facile.

LUCIANO PAVAROTTI, famoso per la

brillantezza e l'intensità del tono della

voce, produceva le sue ricche

risonanze vocali grazie alla

sintonizzazione fine della reattanza

d'inerzia, un meccanismo di

retroazione non lineare, nella gola.

•n LettureThe Physics of Small-Amplitude

Oscillation of the Vocal Folds. Titze

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The Physics of Musical Instruments.Seconda edizione (quinta ristampa

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Springer, 2005.

La bocca come megafonoI vari stili di canto si basano su differenti forme

del tratto vocale per trarre vantaggio in modo otti-male dalla reattanza d'inerzia. Nel produrre vocalicome la «a» o la «e» aperta, per cui la forma del trat-to vocale si avvicina a quella di un megafono - laridotta sezione trasversale all'altezza della glottidesi accoppia a un'ampia apertura della bocca - lareattanza d'inerzia si riscontra a frequenze più alte,che possono arrivare a 800 o 900 hertz negli uomi-ni e al 20 per cento in più nelle donne. Almeno duedelle frequenze armoniche della sorgente sonorapossono andare incontro a reattanza d'inerzia pernote di notevole altezza, e parecchie di più per lenote più basse. Ciò significa che, per i cantanti, unastrategia per ottenere note alte di grande potenzaè aprire la bocca il più possibile. Quando il trattovocale prende questa forma a megafono, la suaforma si avvicina a quella di una tromba troncata(senza ritorti né valvole, ma dotata di campana, opadiglione). Un approccio alternativo, per rinforza-re le vibrazioni delle pliche vocali con la reattan-za d'inerzia è l'adozione della cosiddetta forma amegafono invertito, in cui il vestibolo della laringe,il «bocchino,» è tenuto stretto, la faringe è espansail più possibile e la bocca è tenuta alquanto chiusa.Questa è più o meno la configurazione adottata nelverbalizzare vocali come la «o» o la «u».

La tecnica a megafono invertito è ideale per lecantanti classiche quando vogliono cantare al cen-tro della propria estensione vocale e per i loro col-leghi maschi quando cantano nella parte alta dellapropria gamma. Lo studio del canto classico preve-de la ricerca di altre regioni in cui il tratto vocalepossa fornire reattanza d'inerzia per le frequenzeemesse dalla fonte sonora, a tutte le altezze e permolte vocali diverse. Dello studio fa parte anchel'ottenere lo «squillo» della voce, che si conseguecombinando un vestibolo ristretto con un'am-pia faringe. I maestri di canto usano termini come«copertura» o «proiezione» della voce per descrivereil processo di scelta della giusta vocale per una dataaltezza della nota, in modo che la maggior partedelle frequenze prodotte dalla sorgente sonora vadaincontro a reattanza d'inerzia.

I vari stili di canto si basano su ciò che la realtàbiologica mette a disposizione per realizzare unostrumento acusticamente efficiente. I ricercatoriche studiano il sistema vocale umano e le inattesemodalità del suo funzionamento stanno compren-dendo sempre meglio il modo in cui i cantanti piùesperti esercitano la propria arte. Gli uni e gli altritrarranno importanti benefici da un'ulteriore coo-perazione e dallo studio in comune. •

Per un risonatore tubolare come il tratto vocale, le

frequenze di certe note e di certi sovrattoni risonanti

possono essere proiettate all'esterno con maggior efficacia

se il tubo adotta una forma appropriata. Per produrre note

acute potenti, spesso i cantanti aprono la bocca il più

possibile. Questa configurazione, detta «a megafono»,

assomiglia a una tromba, in cui le pliche vocali prendono la

funzione del complesso di «labbra e bocchino» mentre la

bocca fa da «padiglione». Certe altre note e altri sovrattoni

invece sono più efficaci se il tratto

, vocale assume una forma a

Iit

megafono invertito (con

la bocca più chiusa).

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475 marzo 2008

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