O Refinado Instrumento Humano


A julgar pelo tamanho, nosso sistema fonador não surpreende como instrumento musical. Como então os cantores conseguem emitir sons tão impressionantes?

Revista Scientific American - por Ingo R. Titze

O aparelho fonador humano não seria muito aclamado se os fabricantes de instrumentos o equiparassem a instrumentos tradicionais de uma orquestra. Organizados por tamanho, por exemplo, a caixa vocal (laringe) - e a via aérea onde ela se encontra - ficaria, acompanhada do flautim, entre os menores produtores de música mecânicos. Ainda assim, cantores experientes competem em pé de igualdade com todos os instrumentos criados pelo homem e, até mesmo, com orquestras inteiras.

Estudos recentes sobre como nossa voz pode gerar uma impressionante variedade de sons durante o canto revelaram uma surpreendente complexidade no comportamento dos elementos do aparelho vocal e no modo como interagem. Por mais de meio século, cientistas explicaram a capacidade da voz para criar sons citando a chamada teoria linear acústica da palavra (discurso), em que a fonte sonora e o ressonador (ou amplificador) trabalham independentemente. Mas, hoje em dia, sabe-se que as interações não-lineares - aquelas em que fonte e ressonador se alimentam mutuamente - desempenham papel crucial na geração dos sons vocais. Essas descobertas possibilitaram esclarecer como os grandes intérpretes criam sons.

Linear x não-linear


Estudiosos da voz costumavam explicar o desempenho do sistema fonador humano em termos de efeitos lineares, isto é, aqueles em que o resultado de uma função é proporcional às entradas (e sendo assim pode ser representado em uma linha, por exemplo). Mais recentemente, pesquisadores concluíram que o sistema fonador humano se comporta não-linearmente. Num sistema não-linear de feedback, pequenas alterações podem resultar em efeitos desproporcionalmente significativos.


Teclas que Produzem Música

Aparentemente, encontramos imperfeições estruturais e operacionais em todas as partes do aparelho vocal humano. Para produzir música um instrumento necessita de três componentes básicos: uma fonte geradora que vibre para criar uma frequência que é entendida como tom, juntamente com frequências mais altas que definem o timbre (a "cor"do som); um ou mais ressonadores que convertem a frequência fundamental aumentando a intensidade da sua vibração; e uma superfície ou orifício propagador que libera os sons no ar até chegarem aos ouvidos do receptor.

Considerando um trompete, os lábios de um músico vibram conforme o ar inflado nos pulmões é soprado entre eles em um bocal com formato cônico para criar uma frequência fundamental e diversas frequências mais altas, conhecidas como som harmônico. Os tubos metálicos do instrumento atuam como ressonadores, e a expansão da abertura da campânula irradia o som.

Os trompetistas alteram a frequência fundamental movendo a tensão labial e pressionando as válvulas, mudando assim o comprimento efetivo dos tubos. Se preferir, considere um violino: as cordas vibram para criar tons, a cavidade de ar central e o corpo de madeira produzem a ressonância, e os orifícios em forma de "efe" no tampo ajudam a propagar o som no ar.

Um cantor utiliza as pregas vocais vibratórias pressionando o ar através delas para gerar frequências sonoras. Pregas vocais são dois aglomerados de tecido especializado, chamados, às vezes, de cordas vocais, que sobressaem como um bolso das paredes da laringe. Elas geram uma frequência fundamental oscilando com rapidez enquanto se juntam, separam-se e tornam a se juntar. A glote (espaço entre as pregas) abre e fecha. O vestíbulo laríngeo, uma via aérea logo acima da laringe, atua como o bocal do trompete para combinar o som à parte remanescente do ressonador, conhecido como trato vocal. Os lábios irradiam o som para o exterior, como a campânula do trompete. Examinando as pregas vocais, que juntas são do tamanho de uma unha do polegar, produtores de instrumentos não descobririam seu potencial para aprimorar a música de orquestra. Além do tamanho reduzido, uma objeção imediata é o fato de parecerem macias e esponjosas demais para sustentar uma vibração e assim criar uma variedade de tons.

A Natureza, a criadora de instrumentos biológicos, talvez respondesse que, embora as pregas sejam pequeninas, as vias aéreas conseguem produzir ressonância suficiente para amplificar consideravelmente o som da laringe. Mas aqui também o produtor de instrumentos musicais provavelmente não seria persuadido: a passagem de ar típica se estende de 15 a 20 cm acima da laringe, e de 12 a 15 cm abaixo dela, não superando a extensão de um flautim. O resto do corpo contribui muito pouco ou nada. Os instrumentos de sopro que se aproximam dos tons criados pela voz humana (trombones, trompetes, fagotes) em geral contêm tubos muito mais longos; por exemplo, desenroladas, a campânula e a válvula de um trompete têm cerca de 2 metros, e as do trombone, quase 3.

  • Desenho da Fonte

    Para entender como a Natureza criou pregas vocais que superaram as expectativas de desempenho, fabricantes de instrumentos consideraram antes algumas exigências básicas para as fontes sonoras. Para uma palheta ou uma corda sustentarem sua vibração, devem ser feitas de material elástico que recupera a forma original depois de deformado. A elasticidade é mediada por sua dureza (ou, nesse caso, flexibilidade) ou por sua tensão; a palheta apresenta rigidez flexível; a corda vibra sob tensão. Em geral, a rigidez ou a tensão de uma fonte sonora determina a frequência na proporção de sua raiz quadrada. Assim, para fazer uma corda de aço de um determinado comprimento dobrar a sua frequência (aumentando o diapasão em uma oitava), será preciso quadruplicar sua tensão. Essa exigência, evidentemente, pode limitar a variedade de frequências s que seriam facilmente obtidas alterando a rigidez ou a tensão da fonte.

    Felizmente, um músico também pode alterar a frequência de vibração de uma fonte sonora alongando ou encurtando o elemento vibrante. Ao vibrar uma corda, por exemplo, as frequências são inversamente proporcionais à extensão do segmento vibrante. Ao pressionar uma das extremidades da corda com o dedo, um músico seleciona diferentes frequências. Se a extensão oscilatória da corda for cortada ao meio sem a mudança de tensão, por exemplo, a frequência de vibração dobra. Para produzir uma ampla gama de frequências, um único instrumento musical costuma usar várias cordas. Assim, os instrumentos de corda possuem três mecanismos distintos para mudar de frequência: alterar a extensão da corda, modificar sua tensão, ou mudar de corda. Quem toca instrumentos de corda normalmente determina a tensão girando as cravelhas que fixam as cordas; as cordas mantêm uma tensão constante, entre suas extremidades. Os instrumentistas raramente conseguem manipular a tensão e o comprimento ao mesmo tempo.

  • A Pequena Fonte Capaz

    Em contraste, para "tocar" as pregas vocais humanas, os cantores precisam fazer o que nenhum instrumento de corda é capaz: variar a extensão e a tensão do elemento vibrante e, simultaneamente, trocar de frequência. Em lugar de comprimir as pregas vocais com o dedo, o cantor reduz sua extensão usando a musculatura para alterar suas extremidades. Mas afinal, devemos estender ou encurtar as pregas vocais, para aumentar a frequência? Há uma argumentação para cada tipo de ajuste. Pregas vocais longas vibram em uma frequência mais baixa, mas pregas mais tensas vibram em frequências elevadas.

    A equação física que descreve a frequência de uma corda sob tensão, fixada nas extremidades, estabelece que para obter um ganho máximo de frequência é necessário aumentar a tensão (isto é, o stress tensor ou tensão por área de seção transversal) ao diminuir o comprimento. Essa resposta exigiria um material incomum, pois a maioria dos materiais aumenta a tensão (stress) somente quando esticados. Imagine um elástico, que se ajusta ao ser esticado. Portanto, tensão e comprimento concorrem para mudança de frequência.

    A Natureza resolveu esses problemas criando as pregas vocais com um elemento de três partes que apresenta propriedades não encontradas em cordas e instrumentos comuns. Um componente é um ligamento que se parece com uma corda, motivo pelo qual as pregas são chamadas popularmente de "cordas". Cientistas demonstraram em testes biomecânicos que o stress nesse ligamento aumenta de modo não-linear quando pouco esticado; ele pode virtualmente vacilar quando curto, mas mantém-se incrivelmente tenso quando estendido. Por exemplo, esticando-o de 1 para apenas 1,6 cm, ele pode aumentar seu stress interno à razão de 30, resultando numa mudança de frequência média de mais de 5 por 1 (lembre-se da relação com a raiz quadrada mencionada anteriormente). Contudo, o aumento de 60% no comprimento reduz a taxa de vibração, levando a uma frequência média real de volta para a casa dos 3 por 1, uma oitava e meio em termos musicais. A maioria de nós fala e canta nessa variação de frequência, mas muitos cantores conseguem produzir até quatro a cinco oitavas, feito ainda considerado extraordinário pelos cientistas.

    Como as pregas vocais funcionam

    Diferentemente das cordas de violino, a fonte geradora humana - as pregas vocais (ou cordas vocais) localizadas na laringe - apresenta uma estrutura complexa em três partes que nos permite produzir diversas oitavas de frequência. No centro de cada prega há um ligamento parecido com uma corda (corte transversal). Na parte interna dos ligamentos há músculos contráteis totalmente recobertos por uma membrana mucosa bastante flexível. Cada componente agrega uma habilidade especial ao todo. O stress tensor do ligamento aumenta rapidamente com O alongamento (por músculos que movimentam as cartilagens anexas às pregas), o que facilita a produção de frequências mais altas. Ao se contrair, o músculo da prega vocal consegue aumentar o stress tensor. Ao fazê-lo, ele gera uma variação de frequência ainda maior. A superfície macia e flexível da membrana exterior, que oscila como uma bandeira ao vento com a passagem do ar soprado pelos pulmões, interage com a corrente de ar, trocando energia vibratória para criar as ondas sonoras.

  • Cordas Complexas

    A biologia descobriu um segundo modo para ampliar a variação da entonação das pregas vocais, incluindo um material capaz de aumentar a tensão conforme ela encurta, chamado tecido muscular. A contração interna das fibras musculares pode aumentar a tensão entre as extremidades das pregas vocais, mesmo quando a própria prega encurta. Cerca de 90% do volume das pregas vocais são de tecido muscular. Em sua essência, a Natureza solucionou amplamente o problema da entonação criando um grupo de cordas emparelhado, em forma de um laminado, no qual algumas camadas apresentam propriedades contráteis e outras, não. Mas como esse tecido complexo pode ser mantido em vibração se não pode ser tocado com o arco nem dedilhado, repetidas vezes, no interior da laringe?

    A única fonte de energia disponível para deformar as pregas e, dessa forma, induzir a vibração - como o vento que passa pelo tecido de uma bandeira a faz tremular - é o ar dos pulmões. Um músculo e um ligamento apenas seriam rígidos demais para produzir essas vibrações com a passagem do ar por sua superfície. Para que ocorra a devida oscilação provocada pelo ar é necessário haver um tecido de superfície macia e flexível, capaz de responder ao fluxo de ar gerado pelas ondas semelhantes àquelas formadas pelo vento na superfície do oceano. E, de fato, as pregas apresentam uma terceira camada, uma membrana mucosa que se estende sobre a combinação músculo-ligamento, para exercer essa função de transferência de energia. Essa mucosa, que consiste em uma pele bem fina (epitélio) recoberta por uma substância parecida com um fluido, é facilmente deformável e capaz de resistir à chamada onda de superfície. Meus colegas e eu demonstramos matematicamente que essa onda formada pelo fluxo de ar sustenta vibração. O movimento sobreposto, em forma de laço, costuma fazer com que o tecido pareça dobrado de baixo para cima, daí o nome "pregas vocais".

  • Tocando as Pregas Vocais

    Mas como tocar esse aparelho de três níveis em dif ado pelas ondas semelhantes àquelas formadas pelo vento na superfície do oceano. E, de fato, as pregas apresentam uma terceira camada, uma membrana mucosa que se estende sobre a combinação músculo-ligamento, para exercer essa função de transferência de energia. Essa mucosa, que consiste em uma pele bem fina (epitélio) recoberta por uma substância parecida com um fluido, é facilmente deformável e capaz de resistir à chamada onda de superfície. Meus colegas e eu demonstramos matematicamente que essa onda formada pelo fluxo de ar sustenta vibração. O movimento sobreposto, em forma de laço, costuma fazer com que o tecido pareça dobrado de baixo para cima, daí o nome "pregas vocais".

  • Tocando as Pregas Vocais

    Mas como tocar esse aparelho de três níveis em diferentes oitavas para produzir uma única frequência? Somente com muita experiência e destreza. Efeitos caóticos sempre surgem no pano de fundo durante vocalizações conforme as frequências múltiplas naturais (vibração livre) competem nesses tecidos por dominância. Essa competição pode resultar em uma mudança de tom inesperada, ou na rusticidade do som. Para tons mais baixos e volumes de som de moderado a alto, o cantor aciona o músculo das pregas vocais e coloca todas as camadas para vibrar. As pregas vocais são curtas, e a tensão muscular influencia a entonação amplamente. Nesse caso, a mucosa e o ligamento estão relaxados e servem principalmente para propagar as ondas de superfície desejadas para auto-sustentar a oscilação. Para reduzir o volume desses tons, o músculo não vibra, sendo usado apenas para ajustar o comprimento da prega vocal. É a elasticidade combinada da mucosa e do ligamento que determina a frequência.

    Para criar tons altos, o cantor alonga as pregas vocais; o ligamento se tensiona sozinho definindo a frequência, enquanto a mucosa transporta a onda de superfície. Não é difícil imaginar o complexo sistema de controle e de inervações da musculatura laríngea necessário para ajustar a tensão, para produzir a frequência e o nível de volume desejados. A musculatura da laringe externa às pregas vocais coordena com precisão as alterações no comprimento da prega vocal. Durante essas complicadas manipulações, a qualidade da voz pode mudar de repente, fenômeno conhecido como registro. Ele é criado em grande parte pelo uso exagerado ou insuficiente da musculatura das pregas vocais para regular a tensão. Cantores usam o registro artisticamente para apresentar dois sons contrastantes para o receptor, como ao cantar a tirolesa. Porém, quando um cantor muda de registro, involuntária ou acidentalmente, pode gerar constrangimento, já que o descuido sugere a falta de controle do instrumento do cantor.

    Ressonador Humano: como as vias aéreas fonadoras amplificam o som

    Os çantores usam um processo de feedback de energia não-linear no vestíbulo laríngeo (a via aérea acima da laringe) para ressonar ou amplificar sons produzidos pelas pregas vocais. Esse processo, chamado reatância inerte, ocorre quando os cantores criam condições especiais no vestíbulo para proporcionar um impulso extra, perfeitamente marcado para cada abertura e fechamento de cíclico das pregas que propagam sua vibração para criar ondas sonoras potentes.

    O impulso surge quando a movimentação da coluna de ar no vestíbulo falha seguindo o movimento das pregas vocais. Quando elas começam a se separar no início de urna oscilação, a corrente de ar originada nos pulmões sopra no espaço formado entre as pregas, pressionando a coluna de ar imóvel no vestíbulo. A inércia da coluna de ar estacionária eleva a pressão de ar na glote, que afasta ainda mais as pregas. Então, os pulmões começam a acelerar a subida da massa de ar. Conforme a coluna de ar se move, o recuo elástico das pregas as induz a se juntarem novamente para fechar a glote, cortando o fluxo de ar pulmonar . Essas respostas deixam um vácuo parcial na glote, que age fechando aspregas à força. Dessa forma, como um impulso ritmado para balançar uma criança, a reatância inerte - ação puxa-empurra - do ar no vestíbulo laríngeo aumenta cada balançar das pregas vocais, criando a ressonância.

  • Via aérea ressonante

    Nos instrumentos musicais, o ressonador, em grande parte, determina o tamanho do instrumento; já os cantores devem se resolver com um ressonador minúsculo. No entanto, o ressonador humano trabalha efetivamente, apesar de suas conhecidas limitações. Em um instrumento musical, tampos, pratos, tímpanos, cornetas ou tubos, em geral, atuam para reforçar e amplificar as frequências que a fonte produz. No violino, por exemplo, as cordas passam sobre um suporte, a ponte ou o cavalete, que separa as cordas do tampo, cuidadosamente criado para vibrar amigavelmente em muitas das mesmas frequências naturais que as cordas podem produzir, passando a amplificá -las. A massa de ar entre a chapa do fundo e a do tampo também consegue oscilar nas mesmas frequências naturais das cordas. Em muitos instrumentos de sopro de latão e de madeira, a vara (com suas válvulas) é concebida para coincidir com muitas das frequências originais, independentemente do tom executado.

    Como a lei da física determina que todos os sons uniformes (contínuos) são compostos de frequências originais espaçadas em harmonia - significando que todas as frequências originais são múltiplos inteiros (2:1,3:1,4:1...) da fundamental - , o ressonador deve sempre ser amplo para acomodar esses grandes intervalos de frequência. Essa lei da física determina que a campânula do trompete tem de 1,2 a 2 metros de comprimento, os tubos do trombone se estendem por 3 a 9 metros, e os tubos da tuba desenrolados medem de 3,7 a 5,2 metros. A Natureza foi econômica com o tamanho do ressonador. O porte total de uma via aérea humana sobre as pregas vocais tem apenas cerca de 17 cm de comprimento. A menor frequência que pode ser ressonada é de cerca de 500 Hertz (ciclos por segundo - metade disso quando certas vogais são cantadas, como /u/ ou /i/. Como o trato vocal é um tubo ressonador praticamente fechado em uma das extremidades, suas frequências ressonantes incluem apenas os múltiplos primos inteiros (1, 3, 5 ...) da menor frequência de ressonância. Portanto, esse pequeno tubo pode ressonar simultaneamente apenas os harmônicos primos de uma frequência original de 500 Hz (500 Hz, 1.500 Hz, 3.500 Hz...).

    E, como o trato vocal não pode alterar o comprimento do tubo com válvulas ou varas (senão por uns poucos centímetros projetando o lábio ou baixando a laringe), ao que parece, noss

    • Oratória

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