Mechanisme van de stemplooitrilling

Bij het mechanisme van de stembandtrilling spelen een groot aantal factoren een rol:

Bernouilli effect

Massa-traagheid van de luchtkolom

Elasticiteit van het stembandweefsel

Plooibaarheid van de buitenste laag (mucosa)

InitiŽle "wig" vorm

Hoe het samenspel tussen deze factoren is, valt niet snel in enkele woorden uit te leggen. Zo zijn tijdens het opstarten van de stembandtrilling (steminzet) weer andere factoren belangrijk dan tijdens de fase dat de trilling zich ingesteld heeft. Ook binnen een cyclus van de stembandtrilling (openen, sluiten) zijn het telkens weer andere factoren die op dat moment even tijdelijk de boventoon voeren. Er is als het ware een voortdurend stuivertje-wisselen van krachten en energieŽn tussen de verschillende onderdelen (weefselmassa, luchtstroom) die bij de trilling betrokken zijn. Deze afwisseling is de motor van het (quasi)periodieke proces dat de stembandtrilling is.

Door het samenspel van factoren en krachten gedetailleerd onder de loep te nemen ontstaat enig inzicht in het mechanisme van de stembandtrilling.

Het Bernouilli effect Top

Proef: Neem twee A4-tjes, ieder in ťťn hand, en plaats deze in de lengterichting voor de mond met ca. 2 cm tussenruimte. Laat de achterkanten tegen elkaar komen zodat het lijkt alsof men in een soort trechter kijkt. Blaas er tussendoor. Wat gebeurt er?

Tegen de verwachting in, zult u zien dat de blaadjes niet van elkaar geblazen worden, maar dat beide blaadjes telkens naar elkaar toe gezogen worden en gaan klepperen. Hoe harder men blaast, hoe sneller zij naar elkaar toe gezogen worden. Dit effect, het Bernouilli effect is in het kort zo samen te vatten:

Bij toenemende luchtstroomsnelheid neemt de luchtdruk, haaks op de luchtstroom, af.

Er is een verklaring, deze is echter niet eenvoudig. In de navolgende alinea wordt geprobeerd het principe aannemelijk te maken.

De luchtdruk die een bepaald volume gas op zijn omgeving uitoefent, hangt samen met de gemiddelde snelheid van de gasmoleculen en hun gemiddelde bewegingsrichting. In het normale geval bewegen alle gasdeeltjes zich totaal willekeurig, kris kras in alle richtingen. Daardoor is over het geheel gezien de gemiddelde luchtdruk in alle richtingen gelijk. Wanneer echter het gas begint te stromen, dan is deze verdeling niet meer naar alle kanten gelijk, gemiddeld gezien krijgt ťťn bewegingsrichting de voorkeur. Gaan we er van uit dat de totale hoeveelheid energie van een bepaald volume gas gelijk blijft, dan zal, wanneer de stromingssnelheid toeneemt, de gemiddelde beweging van de moleculen in ťťn richting steeds meer toenemen wat tot gevolg heeft dat er voor de andere richtingen, haaks op deze bewegingsrichting minder overschiet, de drukcomponent neemt dus af in deze richtingen.

Massatraagheid van de luchtkolom boven de stembanden

Top

Net zoals een trein, bezit een hoeveelheid lucht een zekere massatraagheid. Dat wil zeggen dat, wanneer er bijvoorbeeld binnen een buis een drukverschil heerst, het even zal duren voordat dit verschil gecompenseerd wordt. De gasstroom komt, afhankelijk van de massa van de luchtkolom, vertraagt op gang.

Deze massatraagheid heeft een regelende invloed op het optreden van het bovengenoemde Bernouilli effect. De combinatie van deze twee krachten is een belangrijke factor in het mechanisme van de stembandtrilling.

Zo zal, bij het (her)openen van de stemspleet, onder invloed van het drukverschil onder en boven de glottis, de luchtstroom zich vertraagt in gang zetten. Door de geringe stroomsnelheid is het Bernouilli effect dus gering. Bij het openen van de stemspleet zal de "zuigende kracht" slechts weinig tegenwerken. Bij het sluiten van de stemspleet (later in de cyclus) kunnen we er van uitgaan dat de luchtstroom goed op gang is gekomen, en dat de stroomsnelheid zelfs steeds verder toeneemt door de zich vernauwende glottis. Hierdoor neemt het Bernouilli effect weer toe wat de sluiting nog eens extra versnelt. Tijdens de sluiting speelt het Bernouilli effect dus een zeer grote rol.

Noot bij massa traagheid van de luchtkolom

Zodra een bepaald volume lucht een bepaalde snelheid heeft gekregen, dan zal het deze snelheid houden, ook wanneer er geen drijvende kracht meer op uitgeoefend wordt (het drukverschil gecompenseerd is door de gasstroming). Het luchtpakketje schiet als het ware door. Wanneer dit luchtpakketje een open uiteinde van een buis bereikt, dan stroomt er lokaal even meer lucht uit, dan in de buis, waardoor op dat moment aan het buisuiteinde een verdunning ontstaat. Deze verdunning is in feit weer een drukverschil tussen de druk binnen en buiten de buis, waardoor de stroom zich als het ware omkeert om dit verlies te compenseren, en de opheffing van het drukverschil heeft op zijn beurt weer tot gevolg dat de er een luchtpakketje terugstroomt de buis in. De stromingsgolf is als het ware teruggekaatst aan het open uiteinde. 

Elasticiteit van het stembandweefsel Top

Deze factor is vooral belangrijk voor het instandhouden van de stembandtrilling. Een kleine lokale verstoring uit de evenwichtspositie zal al tot gevolg hebben dat de stembanden door hun eigen elasticiteit en massa als tegenreactie zullen doorveren de andere richting op en weer terug etc. etc.

Dit doorveren speelt vooral een rol bij de steminzet. Tijdens dit proces worden de stembanden geleidelijk naar elkaar toe gebracht door de adducerende spieren, waardoor de stemspleet steeds nauwer wordt. Tegelijkertijd neemt de luchtstroom door de stemspleet toe. Tijdens dit proces zal het toenemende Bernouilli effect er voor zorgen dat de stemspleet al wat meer dichtgezogen wordt. Wanneer nu de elasticiteit van het stembandweefsel er voor zorgt dat als tegen(swing)reactie de stemspleet weer even wat meer verbreed wordt, dan vermindert weer even de Bernouilli kracht, waardoor deze openende beweging op zijn beurt weer minder tegengewerkt wordt, en de stembanden extra doorswingen in hun openende beweging om vervolgens weer met extra energie terug te swingen naar de middenpositie. Bij de volgende sluitende beweging zal de stroming nog eens extra versneld worden doordat de stemspleet nog een factor verder afgesloten raakt waardoor het Bernouilli effect nog prominenter is, wat de sluitende beweging nog eens versnelt etc. etc. etc.

We merken hier twee belangrijke punten op:

(1) Slechts een geringe verstoring van de evenwichtspositie en een tegenreactie door de elasticiteit van de stembanden zorgt al, in combinatie met het Bernouilli effect, voor een versterking van deze verstoring en het op gang komen van de trilling.

(2) De stemspleet hoeft niet volledig afgesloten te zijn om de trilling in gang te zetten. Het starten van de stembandtrilling door het simpele "openblazen" van de stemspleet is een benadering die slechts in zeer speciale gevallen (glottisslag) in de buurt van de realiteit komt.

Plooibaarheid van de buitenste laag (mucosa) Top

De stembanden vertonen een gelaagde structuur. De binnenste kern is een ietwat taaie spierbundel (de vocalis spier). Gaan we verder naar buiten toe dan komen we bij steeds plooibaardere lagen die echter, in de lengterichting gezien, steeds taaier worden. De buitenste laag, de mucosa, is gelatine- achtig weefsel dat opgesloten zit in een stevig membraan (zoals een ballon gevuld met water). De mucosa is zeer plooibaar en vertoont snel alle soorten rimpelingen. Deze plooibaarheid komt vooral de steminzet ten goede.

Bij de geringste kracht die door de luchtstroom uitgevoerd wordt, vervormt de mucosa en de ontstane rimpeling beÔnvloedt op zijn beurt weer het luchtstromingspatroon. De mucosa neemt in deze rimpeling weer het achterliggende stuggere weefsel mee wat zodoende ook in beweging komt etc. Hoe plooibaarder de buitenlaag, hoe sneller de vervorming wordt omgezet in een verstoring van het stromingspatroon en massaverplaatsing, en dus in een trilling.

Wanneer de buitenlaag stug is geworden, of ontstoken, of extra met vocht gezwollen zal dit vooral de steminzet kunnen beÔnvloeden.

InitiŽle "wig" vorm Top

De stembanden vertonen in verticale doorsnede een driehoekige vorm. De ruimte onder de stemspleet neemt van onder naar boven toe geleidelijk af (piramide vorm) tot aan de stemspleet. Boven de stemspleet is de ruimte plotseling weer verbreed. Wanneer de luchtstroom door deze vernauwing op gang komt, dan zal de kracht die op de wanden wordt uitgevoerd niet gelijk verdeeld zijn. De druk onder aan de stembanden zal anders zijn dan aan de bovenrand bij de stemspleet. Deze ongelijke krachtsverdeling zorgt er voor, dat de buitenste laag van de stembanden deformeert. In de verticale richting treedt dus een rimpeling op. Er ontstaat daardoor een lopende golf langs de buitenrand. We zien dat de stembandtrilling in verticale richting een faseverschil gaat vertonen. De stembanden raken elkaar eerst aan de onderkant, waarop even later de bovenkant volgt. Ook bij de opening (loskomen) is de onderkant eerder. De sluiting wordt als het ware van onder naar boven toe afgewikkeld, waarbij de stembanden deformeren in verticale richting.

Bij de modellering van de stembandtrilling wordt deze verticale fasering meegenomen door de stembanden ieder voor te stellen als twee boven elkaar liggende massa's waarbij de bovenste massa iets naar voren geschoven is, het zogenaamde two-mass-model.

Top