Tonhöhe, Lautstärke und Stimmregister werden durch die Qualität der Stimmlippenschwingung erzeugt und reguliert.

Inhalt:

Faktoren der Stimmlippenschwingung:
- Die einzelnen Faktoren
- Die Wirkung der Einzelfaktoren
Die Regulation der Schwingungsfaktoren:
- Die Aktivität des CT
- Die Aktivität des Vocalis
- Luftfluss und subglottischer Luftdruck
Die Regulation der Stimmlippenschwingung:
- Bodyschwingung
- Coverschwingung
- Verhältnis Body - Cover
- Bedingungen der Stimmlippenschwingung - Mediale Kompression und Atemkraft
Drei "Brillen": 
- Tonhöhe
- Lautstärke
- Stimmregister
- Gegenseitige Einflüsse

Faktoren der Stimmlippenschwingung:

Die "klassischen" Faktoren der Stimmlippenschwingung - Spannung und Größe - sind im Laufe der Forschung aufgefächert und durch weitere ergänzt worden.

Und das sind die Faktoren zur Regulation der Stimmlippenschwingung: 

- Länge der Stimmlippen
- Spannung der Stimmlippen
     - Schleimhautspannung
     - Spannung Stimmband
     - Spannung Stimmlippenmuskel (M.Vocalis)
- Steifheit der Stimmlippen
- Querschnitt der Stimmlippen
- Form und Winkel der Stimmlippen
- schwingende Masse
- mediale Kompression
- Öffnungsquotient (OQ) der Stimmlippenschwingung
- Geschwindigkeitsquotient (SQ)
- Glottiswiderstand
- Luftfluss und subglottischer Luftdruck
- Coverschwingung (gemäß Body-Cover Theorie)
      - Amplitude / Wellenlänge / Wellengeschwindigkeit der Schleimhautschwingung 
 

Die einzelnen Faktoren: 

Auffälligster Faktor ist das Äußere, d.h. Länge, Dicke und Tiefe der Stimmlippen.
Aus Dicke und Tiefe setzt sich der Querschnitt zusammen, und auch die resultierende Form ist von Bedeutung.
Von Länge und Querschnitt beeinflusst sind Spannung und Masse.
Die Spannung der Stimmlippen resultiert aus der Spannung von Schleimhaut, Stimmband und Muskelmasse (M. Vocalis).
Die Spannung der Schleimhaut kann longitudinal oder vertikal verlaufen.
Stimmband und Muskel werden im Wesentlichen nur longitudinal gespannt, doch die Steifheit der Muskelmasse in  transversaler Richtung kann auch weitgehend unabhängig von der longitudinalen Spannung geregelt werden.
Die transversale Beweglichkeit des gesamten Stimmlippenkörpers ist beeinflusst von der Medialen Kompression, also den Kräften, die Stellknorpel und Stimmlippen nach innen drängen.
Wesentlicher Faktor für  die Gesamtschwingung ist im Sinne der "Body - Cover - Theorie" die vertikale Schleimhautschwingung. Ihre determinierenden Komponenten sind die Wellenlänge, die Wellengeschwindigkeit c(C = Cover) und daraus resultierend ihre Frequenz F(C).
Luftdruck und Luftfluss haben ihre Quelle zwar außerhalb des Kehlkopfs, greifen aber zentral in die inneren Vorgänge ein. Auf Stimmlippenebene werden sie vom Glottiswiderstand balanciert.
In diesem Zusammenhang entfalten Öffnungs- und Geschwindigkeitsquotient ihre Wirksamkeit.
Alle diese Faktoren beeinflussen unmittelbar oder mittelbar die Amplitude (A) und die Grundfrequenz (F0) der Stimmlippenschwingung.

Die Wirkung der Einzelfaktoren:

Die physikalischen Auswirkungen der Veränderung einer Größe auf die Stimmlippenschwingung setzt sich in der Regel aus mehreren Einzelwirkungen zusammen. Jede dieser Einzelwirkungen löst wieder eine Reihe weiterer Veränderungen aus. Diese Wirkungsketten könnte man den Geschmack unserer Zutaten nennen, und unser Ziel ist es hier, ihren Wegen zu folgen, um ihren Beitrag zu fertigen Gericht, also dem Klang der Stimme, zu verstehen.
Dabei wird im Gedankenexperiment immer nur eine Größe variiert und ihre Auswirkung unter der Annahme betrachtet, dass alle anderen Faktoren ansonsten unverändert bleiben.

Länge: Eine Dehnung der Stimmlippen vergrößert die Wellenlänge der Stimmlippenschwingung und senkt damit unmittelbar die Grundfrequenz F0.
Gleichzeitig erhöht sie die Spannung von Schleimhaut, Stimmband und Vocalis, was de F0 senkenden Effekt letztendlich überkompensiert, die Frequenz, also die Tonhöhe steigt.
Die Längung verringert den Querschnitt, beeinflusst die Form der Stimmlippen und reduziert durch die nun längere Stimmritze den Glottiswiderstand.

Spannung:
- Schleimhautspannung longitudinal: Die von der Längung der Stimmlippen erhöhte Schleimhautspannung hat eine höhere Wellengeschwindigkeit der vertikalen Schleimhautschwingung zu Folge. Sie setzt der Auslenkung durch den Luftstrom größeren Widerstand entgegen, erhöht so also den Glottiswiderstand und verringert die Amplitude der Gesamtschwingung. Durch den Zug, den sie auf die Stellknorpel ausübt, zieht sie diese in eine paramediane Position, reduziert also die Kräfte der medialen Kompression.

- Schleimhautspannung vertikal: In vertikaler Richtung kann die Schleimhaut ebenfalls gespannt werden. Dies geschieht jedoch nicht durch die Stimmlippenlängnung, sondern im Wesentlichen durch zwei Mechanismen:
1.  Durch die Faltung der Kehlkopfstrukturen, wie sie beim Anheben des Larynx entsteht, wird die Oberfläche, die von der Schleimhaut zu bedecken ist, vergrößert, sie wird also gespannt.
2.  Es ist möglich, vom Vokaltrakt ausgehen Zug auf die Kehlkopfschleimhaut auszuüben.
Beide Mechanismen sind wohl als Kompensation anzusehen, da sie überwiegend negative Auswirkungen auf die Verhältnisse im Vokaltrakt haben.
Ihr Einfluss auf die Stimmlippenschwingung besteht in der Steigerung der vertikalen Wellengeschwindigkeit und der Verringerung der Gesamtamplitude. Allerdings beeinflusst sie auch die Form und Tiefe des Stimmlippenkörpers.
Ihre Auswirkung auf Glottiswiderstand und mediale Kompression läßt sich kaum abschätzen, da Zugrichtung, Kraftwirkung und -größe sowie Elastizität und Steifheit je nach Ausprägung der kompensatorischen Aktivität stark variieren.

-  Spannung Stimmband: Wie bei der Spannung der Schleimhaut wird auch bei der des Stimmbandes durch Zug auf die Stellknorpel Kraft in Richtung paramediane Position wirksam, Adduktion und mediale Kompression verringert.
Ebenfalls verringert sich die Schwingungsamplitude, da die Steifheit des Body in trabsversaler Richtung zunimmt. Der Glottiswiderstand steigt, soweit das nicht durch die gesunkene mediale Kompression kompensiert wird. Schließlich und vor allem erhöht die zunehmende Stimmbandspannung unmittelbar die Grundfrequenz der Stimmlippenschwingung, also die Tonöhe.

-  Spannung Stimmlippenmuskel: Eine wichtige Besonderheit ist zu beachten: Die Spannung des Vocalismuskels lässt sich über die Länge der Stimmlippen beeinflussen, aber auch durch seine eigene aktive Kontraktion.
Im Sinne der Body-Cover Theorie sind Stimmband und Muskel eine Funktionseinheit, soweit es die physikalischen Komponenten der Stimmlippenschwingung selbst betrifft. Die Auswirkungen der Spannungszunahme im Muskel auf transversale Steifheit, Glottiswiderstand und F0 sind vergleichbar. Ein wichtiger Unterschied entsteht allerdings durch den weiter lateralen Ansatz des Vocalis. Seine Spannung dreht die Stellknorpel nach innen, erhöht also die mediale Kompression. All diese Faktoren treten bei aktiver wie bei passiver (Längung) Spannung auf.
Die aktive Spannung hat aber weitreichende Konsequenzen: Sie verkürzt nämlich die Stimmlippen und beeinflusst darüber fast alle anderen Parameter, sodass sich die Nettoeffekte der aktiven und passiven Spannung der Stimmlippenmuskelmasse beträchtlich unterscheiden können.
Die wichtigsten Aspekte hierbei sind die Regulation der Lautstärke sowie der Klangfarbe.

Steifheit Body (transversal): Steifheit von Stimmband und Muskel, die zusammen den "Body" darstellen, können zwar unabhängig voneinander variiert werden, greifen aber als gemeinsame Größe in die Schwingung ein. Deshalb können sie hier als Einheit betrachtet werden.
Einflussfaktoren sind die longitudinale Spannung von Schleimhaut, Stimmband und Muskel. Darüber hinaus kann die Steifheit von den transversalen und obliquen Muskelfasern des Vocalis getrennt reguliert werden. Die externe Partition des Musculus Thyroartaenoideus (TAE) begrenzt die laterale Auslenkung der Stimmlippe (Amplitude) , beeinflusst also auch die effektive Steifheit.
Erhöhte Bodysteifheit hat einen erhöhten Glottiswiderstand zur Folge, verringert die Schwingungsamplitude und hebt F0. Durch die nun höhere Festigkeit des Body wird die Schwingungsenergie des Covers (Schleimhaut) weniger gedämpft und so die Wellengeschwindigkeit der vertikalen Schleimhautschwingung vergrößert.

Querschnitt der Stimmlippen: Der Querschnitt der Stimmlippen ist beeinflusst von der Kontraktion des Vocalis und vom Grad ihrer Längung. Zentrale Auswirkungen seiner Vergrößerung sind die Zunahme der effektiven Masse, der Bodysteifheit, der medialen Kompression und des Glottiswiderstands. Über die Dicke der Stimmlippen wird auch die Wellenlänge der Coverschwingung bestimmt, was für deren Frequenz entscheidend ist.

Form und Winkel der Stimmlippen: Können prinzipiell von allen wirksamen Kräften beeinflußt werden. Sie sind mit die wichtigsten Parameter für Geschwindigkeits- und Öffnungsquotient der Stimmlippenschwingung. Die Konfiguration der Stimmlippen ist zentral an der Regulation des Glottiswiderstandes und der Effizienz der Energieübertragung vom Luftstrom auf die Stimmlippen beteiligt (Aerodynamik). Zudem vergrößert eine mehr konvergente Form der Glottis die Wellenlänge der Coverschwingung und erhöht den minimal notwendigen Luftdruck.

Masse: Die schwingende Masse pro Längeneinheit ist ein zentraler Regulationsfaktor der Stimmlippenschwingung, beeinflusst hauptsächlich vom Querschnitt der Stimmlippen und er Kontraktion des Vocalis. Ihr Anstieg senkt unmittelbar die Grundfrequenz (F0) und reduziert die Schwingungsamplitude, solange kein erhöhter Atemdruck angewandt wird. Zudem steigt der Glottiswiderstand.

Mediale Kompression: Aus Adduktion der Stellknorpel und den nach medial gerichteten Kräften entlang der Stimmlippen setzt sich die mediale Kompression zusammen. Durch das Zusammenspiel aller inneren Kehlkopfmuskeln geregelt, senkt ihr Anstieg die Schwingungsamplitude und erhöht die transversale Steifheit des Body sowie den Glottiswiderstand. Es ist zu erwarten, dass Öffnungsquotient und Geschwindigkeitsquotient
von ihr beeinflusst werden.

Öffnungsquotient (OQ): Der OQ bezeichnet das Verhältnis der Dauer, während der die Stimmlippen geöffnet sind, zur Dauer einer ganzen Schwingungsperiode. Je größer der OQ, um so mehr Luft kann pro Schwingungszyklus die Glottis passieren, was insgesamt den Luftfluss erhöht und den subglottischen Luftdruck senkt. Damit bedeutet eine Erhöhung des OQ eine Senkung des Glottiswiderstands.

Geschwindigkeitsquotient (SQ): Der SQ drückt das Verhältnis zwischen der öffnenden und der schließenden Phase der Stimmlippenschwingung aus. Ein hoher SQ, der durch eine langsame Öffnung und eine im Verhältnis dazu schnellen Schließung der Stimmlippen gekennzeichnet ist, führt zu schnellen Veränderungen des Luftflusses und so zu ausgeprägten Druckmaxima und -minima oberhalb der Glottis. Das bedeutet eine hohe Effizienz bei der Umsetzung der Energie des Luftstroms in Schallenergie.

Glottiswiderstand: Der Widerstand, den die Luft beim Passieren der Glottis zu überwinden hat, bestimmt das Verhältnis von Luftfluss zu subglottischem Luftdruck. Alle Faktoren, die den Glottiswiderstand erhöhen, senken den Luftfluss und erhöhen den Luftdruck.

Luftfluss und subglottischer Luftdruck: Der Glottiswiderstand bestimmt das Verhältnis beider zueinander, während sie ihre Energie vom Lungendruck erhalten. Ihr Anstieg erhöht die Wellengeschwindigkeit des Cover sowie die Amplitude und die Frequenz der Stimmlippenschwingung insgesamt. Der Einfluss des Lungendrucks auf den OQ und den SQ hängt von der spezifischen Reaktion vor allem des M.Vocalis ab und ist nicht a priori zu bestimmen.

Coverschwingung: Die Schwingung der Schleimhaut beeinflusst über ihre Frequenz die des Body. Die Coverfrequenz F(C) wird von der Wellengeschwindigkeit c und der Wellenlänge bestimmt. Die Amplitude geht in die Wellengeschwindigkeit ein und braucht deshalb hier nicht getrennt betractet werden.
Je kleiner die
Wellenlänge (C) und je größer die
Wellengeschwindigkeit c(C), um so größer F(C).



Wir haben nun den Geschmack der einzelnen Zutaten genüsslich getestet und können uns nun den Bedingungen ihrer Komposition zuwenden:
Schmeckt bei Zugabe von Masse die dadurch erhöhte transversale Steifheit stärker als höherer Ton heraus als ihr eigentlich F0 senkender Gusto?
Wie unterscheidet sich die Würze der Spannung durch den M. cricothyreoideus (CT) vom pikanten Geschmack der Spannung duch Vocaliskontraktion?

Die Anforderungen an unsere Kochkunst sind nicht eben gering:
Wir können unsere Ingredientien nicht einzeln nacheinander zusammenrühren, uns stehen lediglich eine - allerdings große - Zahl von Würzmischungen zur Verfügung. Diese sind hier zur leichteren Handhabe in zwei Hauptgeschmacksrichtungen zusammengefasst:
Aktivität des CT und Aktivität des Vocalis.
Dazu kommen noch die Sondermischungen der Aktivitäten des M. interarytaenoideus (IA), des M. cricoarytaenoideus lateralis (CAL), des M. thyroarytaenoideus Pars externa (TAE) und der Atemkraft.

Was bewirken die einzelnen Mischungen:

Die Regulation der Schwingungsfaktoren:

Aktivität des CT:

Die Hauptaufgaben des CT sind die Verlängerung der Stimmlippen und die antagonistische Aktivität zur Kontraktion des Vocalis. Steigt seine Aktivität, steigt also die Spannung von Schleimhaut und Stimmband.
Der Anstieg der Spannung in der Muskelmasse der Stimmlippen ist vom Aktivitätsgrad des Vocalis abhängig. Die Elastizität des Muskelgewebes ist im Vergleich zu der von Schleimhaut und Stimmband sehr hoch. Bei geringer Vocalisaktivität steigt also seine Spannung demnach kaum an. Bei starker Kontraktion hingegen dominiert die Muskelspannung über die von Schleimhaut und Stimmband.

Aktivität des Vocalis:

Die komplizierte geflochtene Form des Vosalis prädestiniert ihn für eine Reihe von Funktionen.
Longitudinale Kontraktion erhöht seine Spannung und verkürzt in Abhängigkeit der CT - Aktivität die Stimmlippen.
Vocaliskontraktion beeinflusst immer auch die Form der Stimmlippen - ihr Querschnitt nimmt zu.
Somit stellt seine Aktivität ein Spiel zwischen ansteigender Spannung und zunehmender Masse dar.
Die zahlreichen oblique und transversal verlaufenden Muskelfasern ermöglichen mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Kontraktion von medial nach lateral (bzw. umgekehrt).
Das kann zwei völlig verschiedene Konsequenzen haben:

1. Die transversale Steifheit nimmt zu.

2. Der schwingende Anteil des Vocalis kann bis zu einem gewissen Grad unabhängig von longitudinaler Kontraktion geregelt werden, d.h.: Zu- oder Abnahme von schwingender Masse sind nicht zwingend an  (longitudinale) Spannungsveränderung gekoppelt.
Das funktioniert auch umgekehrt:
Der Vocalis kann seine Longitudinalspannung erhöhen, trotzdem aber seinen schwingenden Anteil reduzieren.

Aktivität der Muskeln der medialen Kompression: 

Sie erhöhen den Glottiswiderstand, sind also an der Balance zwischen Luftfluss und subglottischem Luftdruck beteiligt.
Wahrscheinlich erhöht die Aktivität der Lateralisgruppe CAL und TAE den schwingenden Anteil des Vocalis, ist also auch an der Masseregulation beteiligt. Der PCA dürfte als Antagonist für die Feinregulation mitverantwortlich sein.

Luftfluss und subglottischer Luftdruck:  

Als Folge vermehrten Lungnedrucks erhöhen sie die Schwingungsgeschwindigkeit von Cover und Body sowie deren Amplitude. Ohne muskuläre Kompensation steigen damit Tonhöhe und Lautstärke an.

Die Regulation der Stimmlippenschwingung:  

Mit Kenntnis unserer Hauptgeschmacksrichtungen können wir nun endlich anfangen zu kochen.
Als Kochanleitung dienen uns die Überlegungen der Body - Cover Theorie. Demnach schwingen Muskelkörper der Stimmlippen und Stimmband (2.+3. Schicht) als Einheit, dem Body.
Die Schleimhaut - als Cover durch die oberste Schicht des Stimmbandes verschiebbar an den Body gekoppelt - vollzieht eine eigene Schwingung.
Beide Schwingungen beeinflussen sich gegenseitig und müssen aufeinenander abgestimmt werden, um die Effizienz der Gesamtschwingung zu gewährleisten, bzw. sie überhaupt erst zu ermöglichen.

Bodyschwingung:  

Mit der Aktivität des CT steigt die Stimmband- ebenso wie die Muskelspannung.
Der Querschnitt nimmt ab, also die effektive Masse.
Alle Faktoren erhöhen F0.
Der CT ist klarerweise ein Tonhöhenregler.

Nun aber kommt der Vocalis ins Spiel:

Ist seine Aktivität bei obigem Manöver hoch, fällt die Verlängerung der Stimmlippen eher gering aus, da der CT mit großem Aktivitätszuwachs die vorgegebene Vocalisspannung "überwinden" muss. Der Einfluss auf die Spannung von Cover und Stimmband ist dabei vom Ausgangszustand der Stimmlippen abhängig. Sind diese Stark kontrahiert, beeinflusst ihre Dehnung aufgrund ihrer Elastizitätskurven die Cover- und Stimmbandspannung kaum. Spannung und Masse des Vocalis bestimmen nun entscheidend die Tonhöhe.
Bei bereits stark gelängten Stimmlippen ist der Spannungszuwachs in Cover und Stimmband deutlich höher - ihr Einfluss auf F0 wächst.

Verändert der Vocalis seine Aktivität, wird es interessant:

Steigt sie, wächst in Abhängigkeit der antagonistischen Tätigkeit des CT seine Spannung. Die geht aber in die Stimmlippenschwingung nur als Bestandteil der Bodyspannung ein.
Da sich diese aus Muskel- und Stimmbandspannung zusammensetzt, ist deren Verhältnis zentraler Faktor der Bodyschwingung.
Führt die Aktivität des Vocalis zur Verkürzung der Stimmlippen, sinkt die Spannung des Stimmbandes. Für die Gesamtspannung des Body ist entscheidend, ob die Spannung der Muskelmasse stärker zunimmt, als die des Stimmbandes ab.
Das wird durch zwei Faktoren bestimmt:
1. Wie schon bei der CT Regulation wichtig

 
Weiteres folgt....