如果乐器制造商将人类发声系统放在传统管弦乐器的阵容中，它不会受到太多赞誉。例如，如果按尺寸排列，声匣（喉部）及其所在的 airway 会与短笛归为一类，短笛是最小的机械乐器之一。然而，经验丰富的歌手可以与所有人造乐器一较高下，无论是单打独斗，还是与完整的管弦乐队搭配。最近对我们的歌声如何产生惊人范围的声音的研究表明，发声系统元素的行为以及它们相互作用的方式都具有令人惊讶的复杂性。
半个多世纪以来，科学家们通过调用所谓的语音声学线性理论来解释声音创造歌曲的能力，该理论认为声源和声音的共鸣器（或放大器）独立工作。然而，研究人员现在了解到，非线性相互作用——即声源和共鸣器相互影响的那些相互作用——在产生人类声音中起着出乎意料的关键作用。这些见解现在使得描述伟大的歌手如何发出那些惊人的声音成为可能。
音乐制作的关键
人体发声器官的结构和操作缺陷在其所有部分都很明显。为了制作音乐，乐器需要三个基本组件：一个在空气中振动的声源，产生我们感知为音高的频率，以及定义音色（声音色彩）的更高频率；一个或多个共鸣器，通过增加其振动强度来增强基频；以及一个辐射面或孔口，将声音传递到自由空气空间，最终传递到听者的耳朵。
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以小号为例，当肺部泵出的空气冲过演奏者的嘴唇进入杯状吹嘴时，演奏者的嘴唇会振动，从而产生基频和几个称为泛音的更高频率。乐器的金属管充当共鸣器，喇叭的膨胀孔辐射声音。小号手通过改变嘴唇的张力和按下阀门来改变管子的有效长度，从而改变基频。或者以小提琴为例：琴弦振动产生音高，中央空气腔和木制面板提供共鸣，面板上的 f 孔有助于将声音发送到周围的空气中。
另一方面，歌手依靠振动的声带，吹气通过声带以产生声音频率。声带是两小束特殊的组织，有时称为“声带”，像袋状物一样从喉部的壁突出。当它们相互接触、分离并再次接触时，它们通过快速振荡产生基频。声门（声带之间的空间）打开和关闭。喉前庭是喉部正上方的 airway 通道，就像小号的吹嘴一样，将声音耦合到被称为声道的共鸣器的剩余部分。嘴唇像小号的喇叭口一样向外辐射声音。
检查声带的乐器制造商会发现，声带加起来只有您拇指指甲大小，不会觉得它们具有产生管弦乐音乐声音的潜力。除了尺寸小之外，一个直接的反对意见是，它们似乎太柔软和海绵状，无法维持振动并产生各种音高。
大自然，生物学的乐器制造者，可能会回应说，尽管声带肯定尺寸不足，但 airway 可以产生足够的共鸣来显着增强喉部的声音。但即便如此，乐器制造商可能仍然无法被说服：典型的 air 管仅在喉部上方延伸 15 至 20 厘米，在喉部下方延伸 12 至 15 厘米，不超过短笛的长度。身体的其余部分贡献甚微。近似于人声音高的管乐器（长号、小号、巴松管）通常包含更长的管子；例如，小号的喇叭口和阀门展开后约为两米，长号的喇叭口和阀门展开后约为三米。
声源设计
为了理解大自然这位乐器制造者如何开发出超出预期的声带，首先考虑一下对声源的一些标准要求。为了使簧片或琴弦维持其振动，它需要由适当弹性的材料制成，以便在变形时能够弹回。弹性通过其刚度（或相反地，柔韧性）或其张力来衡量：簧片具有弯曲刚度；琴弦在张力下振动。通常，声源的刚度或张力通过平方根关系决定声音频率。因此，为了使给定长度的钢弦的频率加倍（将音高提高八度），必须将琴弦张力增加四倍。这种相当严格的要求可能会限制通过改变声源的刚度或张力可以合理获得的频率范围。
幸运的是，演奏者还可以通过有效地延长或缩短振荡元件来改变声源振动的频率。例如，在振动弦内，频率与振动段的长度成反比。通过用手指将弦固定在一端，演奏者可以选择不同的频率。例如，如果在不改变张力的情况下将弦的振动长度减半，则振动频率加倍。为了产生更广泛的频率范围，单个乐器通常使用多根弦。
因此，弦乐器具有三种不同的改变频率的机制：改变弦的长度、改变其张力或跳到另一根弦。弦乐器演奏者通常通过转动缠绕弦的弦轴来设置张力；弦在端点之间保持相同的张力。演奏者几乎永远无法同时操纵长度和张力。
小小的声源也能做到
相比之下，在演奏人类声带时，歌手必须做弦乐器无法做到的事情：同时改变振动材料的长度和张力以改变频率。我们不是用手指按住声带来缩短其有效长度，而是使用肌肉来移动其端点。但是，我们应该延长还是缩短声带来提高频率呢？可以为任何一种调整辩解。较长的声带以较低的频率振动，但较紧的声带以较高的频率振动。
描述两端固定在张力下的弦的频率的物理公式表明，为了获得频率的最大增加，应该增加张力（实际上是拉应力，或每横截面积的张力），同时减小长度。这种响应需要一种不寻常的材料，因为大多数材料只有在拉长时才能增加张力（应力）。想想橡皮筋；拉动它，它就会绷紧。因此，长度和张力在改变频率方面存在竞争。
大自然通过用一种三部分材料构建声带来解决这些问题，这种材料显示出标准乐器弦不具备的特性。一个组成部分是一条看起来有点像弦的韧带，这就是为什么声带俗称“声带”。科学家们在生物力学测试中表明，当这条韧带稍微拉伸时，其应力会非线性上升；当它很短时，它几乎是松弛的，但当拉长时，它会令人印象深刻地绷紧。例如，将其长度从 1.0 厘米拉伸到仅 1.6 厘米，可以将其内部应力提高 30 倍，这将产生超过 5 比 1 的频率变化比率（回想一下前面提到的平方根关系）。但是，长度增加 60% 的事实降低了振动率，使真实频率比率回到大约 3 比 1，在音乐术语中约为一个半八度。我们大多数人都在这个频率范围内说话和唱歌，但一些歌手可以产生多达四到五个八度的音域，这在科学家看来仍然是非同寻常的。
复杂的声带
生物学还找到了第二种扩展声带音高范围的方法，包括一种可以在缩短时增加张力的材料，即肌肉组织。即使在声带本身缩短的情况下，肌肉纤维的内部收缩也可以提高声带端点之间的应力。大约 90% 的声带体积是肌肉组织。本质上，大自然主要通过将一组弦并排生长成层压板来解决音高问题，其中一些层具有收缩特性，而另一些层则没有。但是，当这种复杂的组织不能在喉部内被弓弦或反复拨动时，如何使其保持振动呢？可用于使声带变形并从而引起振动的唯一能量来源——就像风吹过旗帜使其飘动一样——是来自肺部的空气流动。单独的肌肉和韧带会太僵硬，无法在空气经过其表面时产生这种振动。为了使所需的空气驱动振荡发生，需要柔软、柔顺的表面组织，一种可以通过产生类似于风在海洋表面形成的那种波浪来响应气流的组织。
事实上，声带还有第三层，一层覆盖在肌肉-韧带组合之上的粘膜，以提供这种能量传递功能。这种粘膜由非常薄的皮肤（上皮细胞）和下方的液态物质组成，很容易变形，并且可以支持所谓的表面波。我的同事和我已经在数学上证明，这种气流驱动的波浪维持振动。这种弯曲的、带状的运动经常使组织看起来像是从下往上折叠，这就是“声带”这个名称的由来。
演奏声带
这种三层系统如何在几个八度音阶上演奏，从而产生单一频率？只有通过大量的经验和技巧才能做到。在发声过程中，混沌效应始终潜伏在后台，因为多个固有（自由振动）频率在这些组织中竞争主导地位。这种竞争可能会导致意外的音高跳跃或声音的粗糙。
对于低音高和中等到响亮的声音音量，歌手会激活声带肌肉，并使所有层都振动。声带很短，肌肉应力在很大程度上决定了音高。在这种情况下，粘膜和韧带都处于放松状态，主要用于传播所需的表面波以进行自持振荡。为了在这些音高下降低声音音量，肌肉不振动，仅用于调整声带长度。决定频率的是粘膜和韧带的组合弹性。为了产生高音高，歌手会拉长声带；然后仅韧带应力决定频率，而粘膜则承载表面波。
不难想象，需要多么复杂的控制系统和喉部肌肉的神经支配才能精细地调节这些张力，以产生所需的频率和音量水平。声带外部的喉部肌肉精确地协调声带的长度变化。在这些复杂的操作过程中，音质可能会突然改变，这种现象称为换声区。这在很大程度上是由于过度使用或不充分使用声带肌肉来调节张力造成的。歌手艺术性地使用换声区向听众呈现两种对比鲜明的声音，例如在约德尔唱法中。然而，如果歌手非自愿或意外地改变了换声区，可能会导致尴尬，因为这种失误表明歌手对其乐器缺乏控制。
共鸣 airway
在乐器中，共鸣器在很大程度上决定了乐器的尺寸，但歌手必须凑合使用品脱大小的共鸣器。然而，尽管人类共鸣器存在明显的局限性，但其性能仍然有效。
在乐器中，音板、面板、定音鼓、喇叭或管子通常起到增强和放大声源产生的频率的作用。例如，在小提琴中，琴弦穿过琴码支架，琴码支架连接到面板，面板经过精心制作，可以在琴弦可以产生的许多相同固有频率下产生共鸣，从而增强它们。面板顶部和底部之间的空气质量也可以在琴弦的固有频率下振荡。在许多铜管乐器和木管乐器中，喇叭（及其阀门）被设计为匹配在任何音高下演奏的许多声源频率。
由于物理定律规定，所有稳定的（连续的）声音都由谐波间隔的源频率组成——这意味着所有源频率都是基频的整数倍（2:1、3:1、4:1...）——共鸣器通常必须相当大才能容纳这些宽频率间隔。这条物理定律规定，小号喇叭的长度为 1.2 至 2 米，长号喇叭的长度为 3 至 9 米，而法国号管的长度展开后为 3.7 至 5.2 米。
大自然在歌手共鸣器的尺寸上很吝啬。声带上方人类 airway 的总尺寸只有大约 17 厘米长。可以共鸣的最低频率约为 500 赫兹（每秒周期数）——当演唱某些元音时，例如 /u/ 或 /i/（如“pool”或“feel”中的元音），则为该频率的一半。由于声道是一个在一端几乎封闭的共鸣管，因此其共鸣频率仅包括最低共鸣频率的奇数整数倍（1、3、5...）。因此，这个短管只能同时共鸣 500 赫兹源频率的奇次谐波（500 赫兹、1,500 赫兹、3,500 赫兹...）。并且由于声道无法通过阀门或滑管改变管长（除了通过伸出嘴唇或降低喉部几厘米），我们的共鸣器似乎注定在它可以做的事情上受到绝望的限制。
共鸣短管
同样，最近的研究表明，非线性效应可以发挥救援作用。这一次是系统元素之间的非线性相互作用。我们的短声道不是用特定的管共鸣（例如，在不同尺寸的风琴管中，每个风琴管共鸣特定的谐波）来增强每个谐波，而是通过使用能量反馈过程同时增强一组谐波。声道可以在振动周期的一部分中存储声能，并在另一个更有利的时间将其反馈给声源。实际上，声道给声带的每个振荡周期“踢”一下，以增加振动运动的幅度。类似于在操场秋千上推人，这种周期性的踢类似于精心定时的推力，以提高秋千振荡的幅度（行进距离）。
当管中气柱的运动相对于声带的运动延迟时，踢的最佳时机就到来了。科学家说，气柱然后具有惯性电抗（对施加压力的缓慢或迟钝的响应）。惯性电抗以深刻的方式帮助维持气流引起的声带振荡[参见第 99 页的方框]。
当声带在一个振动周期的开始时开始分开时，来自肺部的空气开始流入它们之间的声门间隙，并开始推动位于上方喉前庭中的静止气柱。当气柱向上加速以允许新空气填充在其后面时，声门内和上方的气压升高。这种压力增加使声带分开得更远。当弹性反冲使声带从壁上弹回以关闭声门时，通过声门的空气流动减弱。但是，由于惯性，气柱继续向上移动，在声门内和上方留下部分真空，从而使声带更强烈地撞击在一起。因此，就像对孩子秋千的良好定时的推动一样，声道中空气的惯性电抗通过推拉动作增强了声带的每次摆动。
尽管如此，对于所有声音形状，声道都不会自动以这种惯性的方式表现。歌手的任务是调整声道的形状（通过仔细选择有利的“歌唱”元音），以便在大部分音高范围内体验到惯性电抗——这不是一件容易的任务。
扩音器口型
不同的歌唱风格依赖于不同的声道形状，以最佳地利用惯性电抗。在发出 /æ/ 元音（如在“mad”中）时，声道近似于扩音器形状。声门处的小横截面与嘴部的大开口配对[参见对面页面的方框]。歌手可以找到高达 800 或 900 赫兹的惯性电抗（男性），女性则高出 20%。至少有两个谐波源频率可以为相当高的音高实现惯性电抗，而更多的谐波源频率可以为低音高实现惯性电抗。这意味着获得强有力的音符的一种策略是歌手尽可能大地张开嘴，就像在放声歌唱或呼喊时一样。当声道采用这种扩音器配置时，它近似于截断的小号的形状（没有盘绕管或阀门，但有喇叭口或喇叭）。
用惯性电抗增强声带振动的另一种方法是采用所谓的倒扩音器形状，其中喉前庭（“吹嘴”）保持狭窄，咽部（位于口腔和鼻腔正后方的喉咙部分）尽可能地扩张，并且嘴部略微变窄。这种配置近似于口语化 /u/ 元音（如在“took”中）。倒扩音器技术非常适合希望在中音音域唱歌的女性古典歌手和希望在高音音域唱歌的男性古典歌手。古典训练包括找到更多歌唱范围区域，声道在所有音高和许多不同元音的情况下为源频率提供惯性电抗。训练还包括在声音中获得“共鸣”，这通过狭窄的前庭和宽阔的咽部相结合来实现。歌唱老师使用诸如“掩盖”声音或“翻转”声音之类的术语来描述为给定音高选择恰到好处的元音的过程，以便大多数源频率体验到惯性电抗。
歌唱风格基于人类生物学可以提供的产生声学高效乐器的能力。研究人类发声系统要素及其功能方式（出乎意料的方式）的研究人员，正在越来越深入地了解有成就的歌手如何运用他们的艺术。科学家和歌手都将从持续的密切合作和研究中获益匪浅。