Investigation of glottal configurations in singing

Christian HERBST

Doctoral thesis

Abstract:

The source of the human voice originates in the larynx and is generated by the vibrating vocal folds. This dissertation provides new insights into the voice source in singing in a twofold way: The first aim of this dissertation was to develop a new method for visualization and analysis of the electroglottographic (EGG) signal (i.e. a physiological correlate of vocal fold vibration). This new method, termed ?EGG wavegram?, allows to display EGG signals across various phonations in one graph, whilst retaining the original appearance of the EGG waveform. The EGG signal is decomposed into consecutive individual cycles, each of which is normalized in both duration and amplitude, and is displayed on the y?axis, going from bottom to top. Overall time is shown on the x?axis. In a DEGG wavegram, the first derivative of the EGG signal is used as the input signal. In such a display, the contacting and de?contacting phases for each glottal cycle are approximated by (a) one or more dark horizontal line(s) at the lower end of the graph (contacting phase), and (b) one or more light horizontal line(s) in the upper section of the graph (de?contacting phase). Much like in the sound spectrogram, information on vibratory behavior developing in time is compacted into one single graph, providing insight into changes of vocal fold dynamics. As such, the wavegram allows intuitive assessment of the time?varying contact phase of phonation over a longer period of time, indicating physiological changes of laryngeal configuration, such as vocal register. EGG wavegrams promise to be useful in research, clinical diagnostics, voice therapy and voice pedagogy. The second aim of the dissertation was to gain more understanding of the laryngeal adjustments when producing various singing voice qualities. Two basic adjustments of glottal configuration are found and described: (a) Cartilaginous adduction, i.e. adduction of the posterior glottis. This is controlled by the singer when changing the quality of voice between ?breathy? and ?pressed?. Phonation with a fully adducted glottis is characterized by strong high?frequency components (partials), thus giving the voice a ?brassy? quality. Phonation with a posterior glottal gap creates high?frequency partials of lesser strength, resulting in a ?flutey? or ?dull? quality, and possibly creates noise components (?breathy voice?). (b) Membranous medialization, i.e. medial bulging of the vocal folds. This is controlled by adjusting the singing voice quality between chest and falsetto registers. In chest register, the acoustic spectrum of voice contains strong high?frequency partials. Phonation in falsetto register, on the other hand, usually results in a less ?resonant? sound, containing weaker overtones. The gathered evidence suggests that these two maneuvers can be controlled separately by both trained and untrained singers. Such a finding has not been documented in the scientific literature to date. The ability to individually and gradually control cartilaginous adduction and membranous medialization allows experienced singers to produce a variety of vocal timbres at the laryngeal level, thus increasing the quality of their artistic performance. This concept is also very promising for voice pedagogy and therapy, and for better understanding various singing styles.

Abstract:

Zdroj hlasu v hrtanu je tvořen kmitajícími hlasivkami. Tato dizertační práce přináší nové poznatky o zdroji hlasu při zpěvu, a to ze dvou pohledů: (a) představuje novou metodu ?EGG wavegramů?, která zviditelňuje a analyzuje elektroglotografický (EGG) signál, který je fyziologickým korelátem kmitání hlasivek; a (b) studuje fyziologická nastavení hrtanu při tvorbě různých kvalit zpěvního hlasu. První cílem práce bylo vyvinout novou metodu pro vizualizaci a analýzu EGG signálu, která umožní zobrazení EGG signálu během různých fonací v jednom grafu, přičemž zachová informaci o průběhu individuálních cyklů kmitů hlasivek. Pro tento účel byla vyvinuta metoda tzv. ?EGG wavegramů?. EGG signál je zde rozdělen na jednotlivé postupné cykly kmitů, každý z nich je normalizován vzhledem k trvání periody a amplitudě signálu a poté je individuálně zobrazen podél osy y ve směru zdola nahoru. Celkový čas je zobrazen na ose x. U ?DEGG wavegramu? je jako vstupní signál použita první derivace EGG signálu. V tomto zobrazení jsou fáze zvětšujícího a zmenšujícího se kontaktu hlasivek zviditelněny ve formě (a) jedné nebo více horizontálních čar ve spodní části grafu (fáze zvětšujícího se kontaktu) a (b) jedné nebo více horizontálních čar v horní části grafu (fáze zmenšujícího se kontaktu). Podobně jako u zvukového spektrogramu je informace o změnách kmitání hlasivek v čase komprimována do jediného obrázku, který tak poskytuje komplexní vhled do změn dynamiky kmitání hlasivek. Wavegram umožňuje intuitivní hodnocení periodických změn kontaktu mezi hlasivkami v delších časových usecích a napovídá o fyziologických změnách nastavení hlasivek, včetně hlasových rejstříků. EGG wavegram se jeví jako nadějná metoda jak pro výzkum, tak pro hlasovou diagnostiku, terapii a pedagogiku. Druhým cílem práce bylo lepší porozumění možností nastavení hrtanu při tvorbě různých kvalit zpěvního hlasu. Jsou zde identifikovány a popsány dva základní druhy nastavení hlasivkové štěrbiny: (a) Addukce chrupavčité glottis, t.j. zadní části hlasivkové štěrbiny. Tato addukce je zpěvákem regulována při změnách mezi ?dyšnou? a ?tlačenou? kvalitou hlasu. Fonace s plně uzavřenou (addukovanou) glottis je charakteristická silnými harmonickými tóny, které propůjčují hlasu ?ostřejší? (angl. ?brassy?) kvalitu. Fonace při otevřené (abdukované) chrupavčité části glottis je charakteristická spíše slabšími vyššími harmonickými tóny, což vede k spíše chudší ?flétnové? (angl. ?flutey? či ?dull?) kvalitě hlasu a k možnému výskytu šumových složek spektra (?dyšný hlas?). (b) Medializace blanité části glottis, t.j. vyklenutí mediální části hlasivek je modifikováno při změnách hlasu mezi hrudním a falzetovým rejstříkem. V hrudním rejstříku obsahuje akustické spektrum hlasu relativně intenzivní harmonické tóny. Na druhou stranu falzetový rejstřík vede spíše k ?méně rezonančnímu? hlasu obsahujícímu harmonické tóny o nižší intenzitě. Shromážděná evidence vypovídá o tom, že tyto dva druhy nastavení hlasivkové štěrbiny mohou být ovládány nezávisle jak u školených tak u neškolených zpěváků. Tento jev doposud nebyl v odborné literatuře popsán. Schopnost individuálně a spojitě ovládat addukci chrupavčité glottis a medializaci blanité části glottis umožňuje zpěvákům vytvářet různou barvu hlasu již na úrovni hrtanu, a tím zvyšovat uměleckou kvalitu jejich projevu. Tento koncept se ukazuje jako nosný i pro hlasovou pedagogiku a pro lepší pochopení mechanismu tvorby různých stylů zpěvního projevu.

Keywords

hlas, hlasivky, elektroglotografie, laryngoskopie, zpěv

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 2. 2012

Accessible from:: 28. 2. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 28. 2. 2012

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics