Наверное каждый из нас знает, что если вдохнуть немного газа из гелиевого шарика, то голос станет тоньше и будет звучать смешно. Но не каждый сможет ответить почему от гелия меняется голос при вдыхании газа?! А всё потому что у гелия значительно ниже плотность. Голосовые связки упруго вибрируют в потоке воздуха. А так как плотность гелия в семь раз ниже воздуха, то значит он намного меньше нагружает связки, из-за чего они колеблются с большей частотой и голос становится писклявым и смешным.
Теперь давайте подробнее рассмотрим как и почему от гелия меняется голос. Механика голоса человека является удивительным биологическим явлением. Все начинается с того, что воздух через гортань попадает в легкие и затем в виде углекислого газа покидает лёгкие опять же через гортань. Этим можно манипулировать несколькими способами. Например, вы можете выпустить воздух, и все, что слышно другими, — это звук дыхания. Если же нужно что-то сказать — в дело включаются мышцы гортани и голосовые связки.
Воздух в ваших легких подталкивает расслабление вашей диафрагмы. Затем он проходит через вашу трахею и попадает в небольшое отверстие, имеющее две складки кожи (голосовые связки) по обе стороны от нее, в форме буквы V. Поскольку мышцы, которые управляют Вашим голосом, напрягаются и расслабляются, они создают вибрацию шнуров. Когда эти шнуры вибрируют, они высвобождают импульсы воздуха. Напряжение в этих мышцах создает различия в частоте. Чем выше напряжение, тем выше частота и, следовательно, выше голос. Эта частота измеряется в герцах (ну то есть сколько раз в секунду это повторяется). Например, почти все человеческие речевые звуки обычно варьируются от 200 герц до 8000 герц.
Выйдя из голосового окна, воздух перемещается в область вашего рта, которую можно неофициально назвать вашим голосовым трактом. Когда вы манипулируете своим языком, челюстью и губами, вы можете изменять резонансные частоты, созданные вашими голосовыми связями, воспроизводя много разных звуков речи.
Звук,создаваемый воздухом текущим на разных частотах и резонансах, создает наш голос. Еще одним фактором, влияющим на шаг, является толщина голосовых связок. Чем толще складки кожи, тем глубже голос и наоборот — тоньше складки и тоньше голос.
Итак, теперь давайте поговорим о воздухе, который выходит из ваших легких. Количество молекул в фиксированном объеме газа, как и объем воздуха в легких, не изменяется с типом газа (при условии, что давление достаточно низкое). Пока температура и давление одинаковы, не имеет значения, является ли это гелием или воздухом, количество молекул одинаковое. Масса этих молекул затем измеряется атомным весом. Атомный вес — безразмерная физическая величина (поэтому он работает так хорошо для газа, который не обязательно имеет заданный размер). Это отношение средней массы атомов элемента по сравнению с 1/12 массы атома углерода-12. Все это в основном означает, что чем выше число, тем тяжелее газ.
Гелий имеет атомный вес 4.002602. Воздух, который составляет приблизительно 80% азота, имеет разные характеристики в зависимости от окружающей среды. Из-за этого его фактический атомный вес невозможно точно определить. Однако, как правило, это примерно в семь раз тяжелее гелия.
Итак, почему от гелия меняется голос при вдыхании газа?! Ответ заключается в том, как звуковые волны проходят через данный газ. Чем плотнее или тяжелее газ, тем медленнее будет звуковая волна. Гелий намного легче воздуха. Тогда скорость звуковой волны через гелий будет намного выше. Поэтому, вдыхая гелий и используя его в качестве источника воспринимаемого звука, вы просто увеличиваете скорость или частоту голоса. Вы не меняете высоту тона, так как ваши голосовые связки вибрируют с той же скоростью, что и при использовании воздуха. Вы также не меняете конфигурацию своего голосового тракта. Поэтому, в то время как базовая частота аккордов остается неизменной, частота звука, слышимого другими, увеличивается из-за волны, проходящей через гелий намного быстрее, чем через воздух.
Есть такой фокус, который можно многократно увидеть на роликах в ютубе. Эти ролики можно отыскать, если сделать поиск по словам «гелий» и «голос». Мы видим, что после того, как человек вдыхает газ гелий его голос изменяется, становится до смешного пискливым. Если же человек вдыхает другой газ, гексафторид серы, который тяжелей воздуха, его голос приобретает басовые тона, что тоже необычно и потому смешно.
В чем причина этого явления?
Но прежде ответим на вопрос, благодаря чему мы вообще можем говорить. Как вообще возникает голос?
Происходит это когда воздух проходит из легких через трахею в гортань. В гортани, приблизительно посередине ее, имеется сужение, где размещаются голосовые связки, которые собственно и генерируют звук. Голосовые связки представляют собой две горизонтальные складки, между которыми имеется отверстие, которое называется голосовой щелью. Если голосовые связки при прохождении через них воздуха из легких вибрируют, возникает звук. Голосовые связки могут производить самые разнообразные движения. Они могут смыкаться, соединяться, изменять свою длину и толщину, производя тем самым разнообразнейшие звуки.
Но сами связки очень слабые. Поэтому производимый ими звук весьма тихий. Для усиления этого звука необходим резонатор. Роль резонатора в речевом тракте человека выполняет глотка. Глотка объемна. Она открывается в сторону ротового отверстия. Форма глотки неправильная, но эта форма так хитро «рассчитана» природой, что усиливает слабые колебания воздуха, которые генерируют голосовые связки, и направляет их изо рта в сторону слушателя. Глотка находится непосредственно рядом с костями черепа. Вследствие этого, наш голос до нашего уха идет не столько по воздуху сколько по нашей черепной кости. С этим связан странный эффект: мы слышим собственный голос не так, как его слышат окружающие нас люди.
Итак, речевой тракт человека очень похож на любой звуковоспроизводящий аппарат: в нем имеется генератор звуковых колебаний (голосовые связки) и усилитель-резонатор (глотка). Нос и рот, а также находящиеся во рту язык, губы и небо задействованы при артикуляции. Благодаря им человек изменяет звуки, генерируемые голосовыми связками и усиливаемые глоткой, и произносит слова. Если провести аналогию с радиопередатчиком, происходит модуляция основного сигнала информационным.
Что же происходит, когда человек вдыхает газ гелий и начинает разговаривать? Благодаря тому, что гелий легче воздуха голосовые связки в среде этого газа будут колебаться чуть-чуть быстрее. Но не из-за этого изменения тон голоса поднимается так существенно.
А вот для нашей глотки, которая, как уже было сказано, работает резонатором, изменение природы звукопередающей среды существенно. Ведь резонансные частоты глотки зависят от ее формы и объема. При замене воздуха гелием, скорость звука в резонаторе увеличивается почти втрое, с 331 м/с до 965 м/с. А вот конфигурация резонатора не изменилась. Поэтому входить в резонанс (а значит, усиливать) резонатор теперь будет другие, более высокие частоты. Все звуки, выходящие изо рта человека, «хлебнувшего» гелия, сместятся в сторону более высоких частот. Голос станет более писклявым.
Если же вместо легкого гелия вдохнуть газ более тяжелый, чем воздух, в котором скорость звука меньше, резонировать с глоткой, а значит, усиляться будут звуковые колебания, имеющие меньшую частоту. Голос сместится в сторону низких частот и станет неестественно грубым.
Вот так вот и объясняются все эти чудеса.
Звук есть распространение волн в упругой среде (газе, жидкости, твёрдом теле) и рождается от колебаний чего либо (зажатой в тисках линейки, мембраны громкоговорителя, воздуха в трубе, струны и т. д.). Чем больше частота колебаний (больше число колебаний в секунду), тем звук выше (тоньше). Наоборот, чем меньше частота колебаний, тем звук ниже (грубее). Слишком высокий звук (ультразвук, с частотой выше 20 кГц) мы не слышим. Слишком низкий звук (инфразвук, с частотой ниже 16 Гц) человеческое ухо тоже не воспринимает.
Если вдохнуть гелий (перед этим лучше сделать глубокий выдох), то связки будут находиться не в обычной воздушной среде, а в гелиевой. Гелий - это очень лёгкий газ, имеющий в нормальных условиях плотность в 7 раз меньшую, чем у воздуха. В менее плотной среде связки (как и струны, например) колеблются с большей частотой. Представьте, что вы хлопаете в ладоши в воде и в воздухе - вот так же связкам легче колебаться в гелии, чем в воздухе, плотность которого в семь раз больше.
Можно сделать предположение, что если подышать каким-нибудь газом (безвредным, конечно же), плотность которого больше, чем у воздуха, то голос, наоборот, станет ниже.
Такой безопасный и бесцветный газ существует и часто используется в физических демонстрациях. Это гексафторид серы (или фторид серы (VI), SF 6). Его плотность при нормальных условиях в 5 раз выше плотности воздуха. Связки в нём колеблются с меньшей частотой и голос поэтому становится грубее.
Отметим в качестве дополнительной информации, что кроме высокой плотности, гексафторид серы имеет высокое пробивное напряжение (89 кВ/см), т. е. является очень хорошим изолятором (это показано в видеоролике). Это его свойство используется в высоковольтной электротехнике, а одно из названий этого газа - элегаз - есть сокращение от "электрический газ", которое было дано в СССР, где в 30-х годах это его свойство было открыто.
Также интересно знать, какие вообще частоты способен издавать человеческий голос. Лучшими голосами являются тренированные, поставленные певческие голоса. Самые низкие звуки у баса (80 Гц-350 Гц), самые высокие - у сопрано (до 1400 Гц). Некоторые певицы способны взять ноту фа третьей октавы (ария Царицы ночи в опере Моцарта "Волшебная флейта") - 1396,9 Гц и даже ноту соль третьей октавы (ария "Io non chiedo, eterni Dei" для сопрано и оркестра, Моцарт KV316) - 1568 Гц.
Существуют и невероятные рекорды взятия самых низких или самых высоких нот. Так, самая низкая нота, практически не слышная ухом, зафиксирована в исполнении Тима Стормса из США - 8 Гц. Певица Мэрайя Кэри спела ноту до 4-й октавы (2093 Гц). В 2014 году на Украине (в Киеве) был установлен национальный рекорд - певица Светлана Подьякова взяла до 5 октавы! А в 2008 году Адам Лопез взял ноту до-диез пятой октавы, для которой даже нет клавиши на рояле (самая правая клавиша рояля - до 5-й октавы) - это больше 4000 Гц!
И это без всякого гелия и гексафторида серы!
Гелий – это благородный газ, который обладает целым рядом специфических свойств. И в частности, он позволяет изменять голос человека, делая его писклявым, словно у героев мультфильмов. Однако почему это происходит, и какими еще свойствами обладает этот газ? Безопасно ли его вдыхать, и могут ли быть побочные эффекты? Насколько изучено это вещество, где его применяют?
Гелий используется во множестве направлений, проще всего найти его у продавцов воздушных шаров, которые активно пользуются им. Это хорошо изученное вещество, о котором можно рассказать довольно многое.
Особенности гелия
Гелий представляет собой инертный газ и обладает всеми особенностями, характерными для этой группы. У него нет типичного запаха или вкуса, он бесцветен, облачко гелия ничем не будет отличаться внешне от окружающего воздуха. Элемент имеет особенность, фиксируемую только у него – при температуре в -268.9 градусов Цельсия он сжижается, однако добиться его превращения в твердое состояние при обычных земных условиях не удастся. Для этого нужно не только понизить температуры до 1 К, но и увеличить атмосферное давление до 25 атмосфер. Но это никак не относится к способности газа изменять голос человека.
Другая особенность этого вещества окажется более интересной в рамках рассматриваемого вопроса. Гелий – это исключительно легкий газ, легче него только водород. Он весьма распространен в природе, составляя примерно 23 процента от всех веществ в известной человеку Вселенной. Вещество рождается в звездах при ядерном синтезе. Этот газ в 7 раз менее плотен, чем воздух земной атмосферы, являясь вторым по легкости среди всех существующих. Опережает его только водород.
Интересный факт: именно низкая плотность делает гелий интересным для продавцов воздушных шаров. Наполняя им воздушные шары, люди обеспечивают им возможность устремляться вверх, в небо . Поднимать в небо благодаря газу можно не только шары, но и целые дирижабли. Менее плотное вещество стремится наверх, таковы законы физики.
Как газу удается изменить голос?
Чтобы разобраться в вопросе изменения голоса под воздействием гелия, необходимо учесть факт его низкой плотности и рассмотреть еще один нюанс – как человеку удается издавать звуки, речь. Звук любого типа, включая голос человека – это колебание. Что касается человеческой речи – эти звуки производятся при движении голосовых связок, которые находятся в гортани. Тембр голоса формируется частотой колебаний, чем этот показатель выше, тем выше и голос.
Интересно:
Почему возникает морская болезнь? Причины, как избавиться, фото и видео
В обычной воздушной среде голос человека остается привычным, звуки производятся и передаются стандартным образом. Но если показатели среды меняются, то измениться может и голос – существенным или несущественным образом. Некоторые люди отмечают, что голоса могут звучать несколько иначе даже в сильный туман, при изменении влажности среды. И это не субъективное мнение. При вдыхании инертного газа происходит сжатие голосовых связок, частота их колебаний существенно увеличивается. При увеличении частоты колебаний меняется и голос, он становится более высоким, смешным.
Существует вещество, которое дает обратный эффект. Если вдохнуть фторид серы, голос будет звучать пониженно, женский голос будет восприниматься как мужской бас. Это один из тяжелых газов, его плотность в 5 раз выше, чем у воздуха.
Безопасен ли гелий?
В общих чертах вдыхание гелия можно считать относительно безопасной забавой, если дышать не только им, но и обычным воздухом, не предаваться развлечению с особым усердием. Ведь в противном случае можно получить кислородное голодание. Первыми признаками такового являются тошнота, головокружение, головная боль, проблемы с дыханием. Кроме того, не стоит делать этого регулярно, потому как возникает риск повреждения голосовых связок. Их необходимо беречь, повреждения в этой области могут носить необратимый характер, испортив голос, или же лишив возможности разговаривать. Голосовой аппарат человека отличается высокой чувствительностью.
Казалось бы, эта тема не имеет к вокалу никакого отношения. Скорее к химии… Или физике… Или акустике, как части физики… И все-таки влияние ГЕЛИЯ (и не только его одного, как вы узнаете из статьи) на ГОЛОС показывает справедливость взгляда на то, как возникает человеческий голос и каким закономерностям подчиняется.
Итак, при вдыхании легкого инертного газа – гелия, например, из воздушных шариков, у человека совершенно изменяется голос. Вы еще не знаете об этом? Да-да, удивительное – рядом…
Звучит, действительно, смешно! Эффект настолько интересный, что мимо не прошли даже такие известные лица, как ведущие передачи «Разрушители мифов» на телеканале «Дискавери». Но!
Ролик на английском языке, но это не страшно, есть вполне подходящий перевод:
«Я обещаю что будет круто, но вы должны пообещать что НИКОГДА
не будете повторять это дома! Ладно? Ладно! А сейчас… Все знают, что мой голос будет звучать выше, если я вдохну гелий! Это потому что он в 6 раз легче воздуха, что означает, что мои голосовые связки будут колебаться быстрее, и это заставляет мой голос звучать намного выше!
А сейчас… Подышу гексафторидом серы, который в 6 раз тяжелее воздуха, и голос будет звучать примерно так...
Мой голос звучал намного ниже…
И вообще я до сих пор веселюсь!
ЭТО – НАУКА
!!!»
Пытливому и любопытному человеку, естественно, хотелось бы знать, ПОЧЕМУ такое происходит? И вот на этот вопрос каких только ответов не бывает… Один из них уже дан – мои голосовые связки будут колебаться быстрее… Но, так ли это на самом деле?
Встречаются и другие «причины» - разница давлений воздуха и гелия, «сжатие» голосовых связок и даже то, что ИНЕРТНЫЙ (!) газ каким-то образом влияет на само СТРОЕНИЕ голосовых связок! Уму непостижимо!
Вот не знают люди физики… Совсем…
А истинная-то причина вполне проста и давно изучена наукой. Да, справедливости ради нужно признать, что связки, работающие в среде не воздуха, а гелия (и, разумеется, гексафторида серы) колеблются чуть быстрее (медленнее). Но только ЧУТЬ ! И эта степень изменения скорости колебаний уж никаким образом не может повлиять на голос СТОЛЬ ЧУДОВИЩНО ! Основной фактор в другом.
Подумайте сами, ведь если бы какое-либо воздействие испытывали сами голосовые связки, то голос мог бы быть выше или ниже, но при этом не изменился бы его тембр! Голос все равно был бы ЧЕЛОВЕЧЕСКИМ , хоть и более низким или высоким. А наблюдается совсем другое – НЕЧЕЛОВЕЧНОСТЬ голоса! Именно изменение ТЕМБРА в сторону его «буратинности», «мультяшности» вызывает неудержимый смех! Тот же эффект и при «понижении» голоса – «демоничность», «чудовищность», но в любом случае – не наблюдается сходство с голосом человека.
Но ТЕМБР человеческого голоса – набор формант, как об этом рассказано в статье «Что такое форманты?» . Сами же форманты невозможны без участия РЕЗОНАТОРНОЙ СИСТЕМЫ человеческого организма. И не только! Более высокий ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ голос – это сложная звуковая волна, состоящая из тех же формант, но видоизменяются не только сами по себе форманты, а и их индивидуальное расположение в спектре голоса. Поэтому мы слышим хоть и высокий (или низкий), но, главное, человеческий голос. Изменение же СРЕДЫ , замена воздуха на другой газ не приводит к изменению конфигурации резонаторных полостей, как следствие, форманты не сдвигаются относительно друг друга, а просто меняют свою частоту. Слух фиксирует это как «искусственность» голоса.
Вот в этом заключается подтверждение как существования самой резонаторной системы, так и ее основополагающего влияния на сам феномен голоса. Ну а уточнения процесса с точки зрения физики… Извольте:
«Речевой тракт человека состоит из голосовых связок и резонатора, наполненного воздухом (или гелием): легкие, дыхательные пути, черепные полости. Связки генерируют слабый звук, без резонатора мы могли бы его и не услышать. Резонансные частоты голосового тракта зависят от его объема и формы. Гелий имеет меньшую плотность, чем воздух, поэтому скорость звука в нем выше (965 м/с против 331). Частота, длина волны и скорость звука в газах связаны определенными соотношениями. Это приводит к тому, что, хотя конфигурация резонатора не меняется, резонансными становятся более высокие частоты, и общий спектр голоса смещается в область более высоких частот. Выражаясь музыкальными понятиями, гелий меняет не высоту голоса, а его тембр. Точнее, высота меняется, но очень мало – она зависит в основном от натяжения голосовых связок, а при выдыхании гелия оно немного иное, чем при выдыхании воздуха.»
«… глотка - это, с точки зрения акустики, объёмный резонатор, настроенный на определённую длину волны (не частоту!). И если человек дышит воздухом, то получается звук (голос) определённой частоты… Но если теперь вместо воздуха взять гелий, то ДЛЯ ТОЙ ЖЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ из-за более высокой скорости звука получится другая частота - более высокая. А при переходе из одной среды в другую (из заполненной гелием глотки в нормальный воздух) частота звука уже не меняется.»
Так что, уважаемый читатель, никак связки не изменяются! Все дело – в СРЕДЕ ! А главным «строителем» нашего голоса является именно резонанс.
Использование материалов сайта допускается при условии обязательной ссылки на первоисточник
