Kodėl jūsų balsas pasikeičia, kai kvėpuojate heliu? Klausimas mokslininkui: kodėl helis iškreipia balsą? Chemijos mokslų kandidatas, Rusijos žurnalo ir žurnalo „Science and Life“ mokslinis apžvalgininkas

Garsas yra bangų sklidimas elastingoje terpėje (dujose, skystyje, tvirtas kūnas) ir gimsta iš kažko vibracijos (liniuote, įspausta į spaustuką, garsiakalbio membrana, oras vamzdyje, styga ir kt.). Kuo didesnis virpesių dažnis (kuo didesnis virpesių skaičius per sekundę), tuo didesnis (plonesnis) garsas. Priešingai, kuo mažesnis virpesių dažnis, tuo žemesnis (šiurkštesnis) garsas. Per didelio garso (ultragarso, kurio dažnis didesnis nei 20 kHz) mes negirdime. Per žemo garso (infragarso, kurio dažnis mažesnis nei 16 Hz) žmogaus ausis taip pat nesuvokia.

Jei įkvėpsite helio (prieš tai geriau giliai įkvėpkite), tada raiščiai bus ne įprastoje oro, o helio aplinkoje. Helis yra labai lengvos dujos normaliomis sąlygomis tankis yra 7 kartus mažesnis nei oro. Mažiau tankioje terpėje ryšuliai (pavyzdžiui, stygos) vibruoja didesniu dažniu. Įsivaizduokite, kad plojate rankomis vandenyje ir ore – kaip tik taip, virvutės lengviau svyruoja heliu nei ore, kuris yra septynis kartus tankesnis.

Galima daryti prielaidą, kad jei įkvepiate kažkokias dujas (žinoma, nekenksmingas), kurių tankis didesnis nei oro, balsas, priešingai, sumažės.

Tokios saugios ir bespalvės dujos egzistuoja ir dažnai naudojamos fizikos demonstracijose. Tai sieros heksafluoridas (arba sieros (VI) fluoridas, SF 6). Jo tankis normaliomis sąlygomis yra 5 kartus didesnis nei oro tankis. Jame esantys raiščiai svyruoja rečiau, todėl balsas tampa šiurkštesnis.

Kaip papildomą informaciją pažymime, kad sieros heksafluoridas, be didelio tankio, turi didelę skilimo įtampą (89 kV / cm), t.y. jis yra labai geras izoliatorius (tai parodyta vaizdo įraše). Ši savybė naudojama aukštos įtampos elektrotechnikoje, o vienas iš šių dujų pavadinimų – SF6 – yra „elektrinių dujų“ santrumpa, kuri buvo suteikta SSRS, kur ši savybė buvo atrasta 30-aisiais.

Taip pat įdomu sužinoti, kokius dažnius apskritai gali išgauti žmogaus balsas. Geriausi balsai yra išlavinti, choreografuoti dainavimo balsai. Žemiausius garsus turi bosas (80 Hz-350 Hz), aukščiausius – sopranas (iki 1400 Hz). Kai kurie dainininkai sugeba perimti trečiosios oktavos F natą (Mocarto operoje „Stebuklinga fleita“ Nakties karalienės arija) – 1396,9 Hz ir net trečiosios oktavos G natą (arija „Io non chiedo, eterni“). Dei“ sopranui ir orkestrui, Mozart KV316) – 1568 Hz.

Taip pat yra neįtikėtinų rekordų pataikyti žemiausią ar aukščiausią natą. Taigi žemiausią, beveik ausiai negirdimą natą užfiksavo Timas Stormsas iš JAV – 8 Hz. Dainininkė Mariah Carey dainavo natą iki 4 oktavos (2093 Hz). 2014 metais Ukrainoje (Kijeve) buvo pasiektas nacionalinis rekordas – dainininkė Svetlana Podyakova užėmė iki 5 oktavų! O 2008 m. Adamas Lopezas parašė C-sharp penktosios oktavos natą, kuriai net nėra fortepijono klavišo (dešinysis fortepijono klavišas yra iki 5 oktavos) - tai daugiau nei 4000 Hz !

Ir tai be helio ir sieros heksafluorido!

Atrodytų, ši tema neturi nieko bendra su vokalu. Verčiau į chemiją... Arba fiziką... Arba akustiką, kaip fizikos dalį... Ir vis dėlto įtaka HELIS(ir ne tik jam vienam, kaip sužinosite iš straipsnio) ant BALSAS parodo požiūrio į tai, kaip atsiranda žmogaus balsas ir kokiems dėsniams jis paklūsta, pagrįstumą.

Taigi, įkvėpus lengvų inertinių dujų – helio, pavyzdžiui, iš balionų, žmogaus balsas visiškai pasikeičia. Dar apie tai nežinai? Taip, taip, nuostabu – netoliese...

Skamba tikrai juokingai! Efektas toks įdomus, kad pro šalį nepraėjo net tokie žinomi žmonės, kaip „Discovery“ televizijos kanalo „MythBusters“ laidos vedėjai. Bet!

volelis ant Anglų kalba, bet tai nebaisu, yra visai tinkamas vertimas:

„Pažadu, kad bus šaunu, bet jūs turite tai pažadėti NIEKADA nekartokite to namuose! Gerai? Gerai! O dabar... Visi žino, kad mano balsas skambės aukščiau, jei įkvėpsiu helio! Taip yra todėl, kad jis yra 6 kartus lengvesnis už orą, o tai reiškia, kad mano balso stygos vibruos greičiau, o mano balsas skamba daug aukščiau!
O dabar... kvėpuosiu sieros heksafluoridu, kuris yra 6 kartus sunkesnis už orą, o balsas skambės maždaug taip...
Mano balsas skambėjo daug silpniau...
Apskritai man vis tiek smagu!
TAI MOKSLAS !!!»

Smalsus ir smalsus žmogus, žinoma, norėtų žinoti KODĖL ar tai vyksta? Ir atsakymų į šį klausimą nėra... Vienas jų jau duotas - mano balso stygos svyruos greičiau... Bet ar tikrai taip?

Yra ir kitų „priežasčių“ – oro ir helio slėgių skirtumas, balso stygų „suspaudimas“ ir net tai, kad INERT(!) dujos kažkaip veikia save STRUKTŪRA balso stygos! Protas neįtikėtinas!

Žmonės nežino fizikos... Tikrai...

O tikroji priežastis yra gana paprasta ir jau seniai tyrinėta mokslo. Taip, teisybės dėlei reikia pripažinti, kad ryšuliai, veikiantys ne oro, o helio (ir, žinoma, sieros heksafluorido) terpėje, svyruoja kiek greičiau (lėčiau). Bet tik MAŽAI! Ir toks vibracijų greičio kitimo laipsnis negali niekaip paveikti balso. TAIP MONSTERINGA! Pagrindinis veiksnys yra kitoks.

Pagalvokite patys, nes jei pačios balso stygos patirtų kokį nors poveikį, tai balsas galėtų būti aukštesnis ar žemesnis, bet jo tembras nepasikeistų! Balsas vis tiek būtų ŽMOGUS, nors ir aukščiau ar žemiau. Tačiau pastebima visai kas kita - NEŽMONIŠKUMAS balsas! Tai pokytis TEMBRA jo „pinokio“ kryptimi „karikatūra“ sukelia nevaldomą juoką! Tas pats efektas atsiranda ir kai balsas yra „nuleistas“ – „demoniškas“, „monstriškas“, bet bet kokiu atveju nėra panašumo į žmogaus balsą.

Bet TEMBRASžmogaus balsas – formantų rinkinys, aprašytas straipsnyje „Kas yra formantai? . Patys formantai neįmanomi be dalyvavimo RESONATORIUS SISTEMOSŽmogaus kūnas. Ir ne tik! Aukščiau ŽMOGUS balsas yra sudėtinga garso banga, susidedanti iš tų pačių formantų, tačiau modifikuojami ne tik patys formantai, bet ir individualus jų išdėstymas balso spektre. Todėl girdime nors ir aukštą (arba žemą), bet, svarbiausia, žmogaus balsą. Pakeisk tą patį APLINKOS, oro pakeitimas kitomis dujomis nekeičia rezonatoriaus ertmių konfigūracijos, todėl formantai nesislenka vienas kito atžvilgiu, o tiesiog keičia savo dažnį. Gandai tai fiksuoja kaip balso „dirbtiškumą“.

Tai patvirtina ir pačios rezonatoriaus sistemos egzistavimą, ir esminę jos įtaką pačiam balso reiškiniui. Na, o proceso tobulinimas fizikos požiūriu... Atsiprašau:

„Žmogaus balso taką sudaro balso stygos ir rezonatorius, užpildytas oru (arba heliu): plaučiai, kvėpavimo takai, kaukolės ertmės. Raiščiai generuoja silpną garsą, be rezonatoriaus galime jo negirdėti. Balso trakto rezonansiniai dažniai priklauso nuo jo apimties ir formos. Helis turi mažesnį tankį nei oras, todėl garso greitis jame yra didesnis (965 m/s, palyginti su 331). Garso dažnis, bangos ilgis ir greitis dujose yra susiję tam tikrais ryšiais. Tai lemia tai, kad nors rezonatoriaus konfigūracija nesikeičia, aukštesni dažniai tampa rezonansiniai, o bendras balso spektras pereina į aukštesnius dažnius. Muzikine prasme helis keičia ne balso aukštį, o jo tembrą. Tiksliau, ūgis kinta, bet labai nedaug – tai daugiausia priklauso nuo balso stygų įtempimo, o iškvepiant helią jis kiek skiriasi, nei iškvepiant orą.

„... gerklė akustikos požiūriu yra tam tikro bangos ilgio (ne dažnio!) ertmės rezonatorius. O jei žmogus kvėpuoja oru, tai gaunamas tam tikro dažnio garsas (balsas)... Bet jei dabar vietoj oro imsime helio, tai UŽ PADAVĄ BANGOS ILGĮ dėl didesnio garso greičio atsiras kitoks dažnis – didesnis. O pereinant iš vienos terpės į kitą (iš heliu užpildytos ryklės į normalų orą), garso dažnis nebesikeičia.

Taigi, gerbiamas skaitytojau, nuorodos niekaip nesikeičia! Viskas yra viduje APLINKA! O pagrindinis mūsų balso „statytojas“ yra rezonansas.

Naudoti medžiagą iš svetainės leidžiama, jei privaloma nuoroda į šaltinį

Tikriausiai kiekvienas iš mūsų žino, kad įkvėpus šiek tiek dujų iš helio baliono, balsas suplonės ir skambės juokingai. Bet ne visi galės atsakyti, kodėl balsas pasikeičia nuo helio įkvėpus dujas ?! Ir viskas todėl, kad helio tankis yra daug mažesnis. Balso stygos elastingai vibruoja oro sraute. O kadangi helio tankis yra septynis kartus mažesnis už oro, vadinasi jis daug mažiau apkrauna raiščius, todėl jie vibruoja didesniu dažniu ir balsas tampa girgždantis ir juokingas.
Dabar pažiūrėkime atidžiau, kaip ir kodėl helis keičia balsą. Žmogaus balso mechanika yra nuostabus biologinis reiškinys. Viskas prasideda nuo to, kad oras per gerklas patenka į plaučius, o vėliau per gerklas anglies dvideginio pavidalu vėl palieka plaučius. Tuo galima manipuliuoti keliais būdais. Pavyzdžiui, galite išleisti orą, o kiti girdi tik kvėpavimo garsą. Jei jums reikia ką nors pasakyti, gerklų ir balso stygų raumenys yra įtraukti į reikalą.

Jūsų plaučiuose esantis oras stumia jūsų diafragmą atsipalaiduoti. Tada jis nukeliauja pro vamzdelį ir patenka į nedidelę angą, kurios abiejose pusėse yra dvi odos raukšlės (balso stygos) V raidės pavidalu. Kai jūsų balsą valdantys raumenys įsitempia ir atsipalaiduoja, jie sukuria laidai. Kai šie virveliai vibruoja, jie išskiria oro impulsus. Šių raumenų įtampa sukuria dažnio skirtumus. Kuo aukštesnė įtampa, tuo didesnis dažnis, taigi ir balsas. Šis dažnis matuojamas hercais (na, tai yra, kiek kartų per sekundę jis kartojasi). Pavyzdžiui, beveik visi žmonės kalbos garsai paprastai svyruoja nuo 200 hercų iki 8000 hercų.

Išėjus iš balso lango, oras juda į jūsų burnos sritį, kurią neoficialiai galima vadinti jūsų balso traktu. Kai manipuliuojate savo liežuviu, žandikauliu ir lūpomis, galite keisti rezonansinius dažnius, kuriuos sukuria jūsų balso ryšiai, skleidžiant daug skirtingų kalbos garsų.
Skirtingais dažniais ir rezonansais tekančio oro sukuriamas garsas sukuria mūsų balsą. Kitas veiksnys, turintis įtakos žingsniui, yra balso stygų storis. Kuo storesnės odos klostės, tuo gilesnis balsas, ir atvirkščiai – kuo plonesnės klostės ir plonesnis balsas.

Taigi dabar pakalbėkime apie orą, kuris išeina iš jūsų plaučių. Molekulių skaičius fiksuotame dujų tūryje, kaip ir oro tūris plaučiuose, nesikeičia priklausomai nuo dujų rūšies (darant prielaidą, kad slėgis yra pakankamai mažas). Kol temperatūra ir slėgis yra vienodi, nesvarbu, helis ar oras, molekulių skaičius yra toks pat. Tada šių molekulių masė matuojama pagal atominį svorį. Atominis svoris yra bematis fizinis dydis (todėl jis taip gerai tinka dujoms, kurios nebūtinai turi tam tikrą dydį). Tai yra vidutinės elemento atomų masės santykis su 1/12 anglies-12 atomo masės. Visa tai iš esmės reiškia, kad kuo didesnis skaičius, tuo sunkesnės dujos.
Helio atominė masė yra 4,002602. Oras, kurio maždaug 80% sudaro azotas, turi skirtingas charakteristikas, priklausomai nuo aplinką. Dėl šios priežasties jo tikrosios atominės masės negalima tiksliai nustatyti. Tačiau paprastai jis yra apie septynis kartus sunkesnis už helią.

Taigi, kodėl balsas pasikeičia nuo helio, kai įkvepiamos dujos?! Atsakymas slypi tame, kaip garso bangos sklinda per tam tikras dujas. Kuo tankesnės ar sunkesnės dujos, tuo lėtesnė bus garso banga. Helis yra daug lengvesnis už orą. Tada garso bangos greitis per helią bus daug didesnis. Taigi, kai įkvepiate helio ir naudojate jį kaip suvokiamo garso šaltinį, jūs tiesiog padidinate savo balso greitį arba dažnį. Jūs nekeičiate tono, nes jūsų balso stygos vibruoja tokiu pat dažniu, kaip ir naudojant orą. Jūs taip pat nekeičiate savo balso trakto konfigūracijos. Todėl, nors pagrindinis akordų dažnis išlieka toks pat, kitų girdimo garso dažnis didėja dėl to, kad banga per helią praeina daug greičiau nei per orą.

Yra gudrybė, kurią daug kartų galima pamatyti „YouTube“ vaizdo įrašuose. Šiuos vaizdo įrašus galite rasti, jei ieškote žodžių „helis“ ir „balsas“. Matome, kad žmogui įkvėpus helio dujų, jo balsas pasikeičia, tampa juokingai girgždantis. Jei žmogus įkvepia kitas dujas – sieros heksafluoridą, kuris yra sunkesnis už orą, jo balsas įgauna bosinius tonus, o tai irgi neįprasta, todėl juokinga.

Kokia šio reiškinio priežastis?

Bet pirmiausia atsakykime į klausimą, dėka to, ką galime kalbėti. Kaip atsiranda balsas?

Tai atsitinka, kai oras iš plaučių per trachėją patenka į gerklas. Gerklose, maždaug jų viduryje, yra susiaurėjimas, kur yra balso stygos, kurios iš tikrųjų generuoja garsą. Balso stygos yra dvi horizontalios klostės, tarp kurių yra anga, vadinama glottis. Jei balso stygos vibruoja, kai pro jas iš plaučių praeina oras, atsiranda garsas. Balso stygos gali atlikti įvairius judesius. Jie gali užsidaryti, sujungti, keisti ilgį ir storį, taip skleisdami įvairius garsus.

Tačiau pačios grandys labai silpnos. Todėl jų skleidžiamas garsas yra labai tylus. Šiam garsui sustiprinti reikalingas rezonatorius. Žmogaus balso takuose rezonatoriaus vaidmenį atlieka ryklė. Gerklė yra didelė. Jis atsidaro link burnos angos. Ryklės forma neteisinga, tačiau ši forma taip gudriai „apskaičiuota“ gamtos, kad sustiprina silpnus oro virpesius, kuriuos generuoja balso stygos ir nukreipia juos iš burnos klausytojo link. Ryklė yra tiesiai šalia kaukolės kaulų. Dėl to mūsų balsas į ausį keliauja ne tiek oru, kiek per kaukolės kaulą. Su tuo susijęs keistas efektas: mes girdime savo balsą kitaip, nei jį girdi aplinkiniai.

Taigi žmogaus balso takas labai panašus į bet kurį garsą atkuriantį aparatą: turi garso virpesių generatorių (balso stygas) ir stiprintuvą-rezonatorių (ryklę). Nosis ir burna, taip pat liežuvis, lūpos ir gomurys burnoje dalyvauja artikuliacijoje. Jų dėka žmogus keičia balso stygų generuojamus ir ryklės sustiprintus garsus, taria žodžius. Jei brėžtume analogiją su radijo siųstuvu, pagrindinis signalas moduliuojamas informaciniu signalu.

Kas nutinka, kai žmogus įkvepia helio dujų ir pradeda kalbėti? Dėl to, kad helis yra lengvesnis už orą, balso stygos šių dujų aplinkoje svyruos kiek greičiau. Tačiau ne dėl šio pokyčio taip smarkiai pakyla balso tonas.

Tačiau mūsų gerklei, kuri, kaip jau minėta, veikia kaip rezonatorius, garso perdavimo terpės pobūdžio pasikeitimas yra reikšmingas. Juk ryklės rezonansiniai dažniai priklauso nuo jos formos ir tūrio. Orą pakeitus heliu, garso greitis rezonatoriuje išauga beveik trigubai – nuo ​​331 m/s iki 965 m/s. Tačiau rezonatoriaus konfigūracija nepasikeitė. Todėl rezonatorius dabar įeis į rezonansą (taigi ir sustiprins) kitus, aukštesnius dažnius. Visi garsai, sklindantys iš žmogaus, „gurkšnojusio“ helio, burnos, pasislinks aukštesnių dažnių link. Balsas taps girgždesnis.

Jei vietoj lengvo helio įkvepiame už orą sunkesnių dujų, kuriose garso greitis mažesnis, rezonuoja su rykle, vadinasi, bus sustiprinti žemesnio dažnio garso virpesiai. Balsas pasislinks žemų dažnių link ir taps nenatūraliai šiurkštus.

Taip paaiškinami visi šie stebuklai.