Kāpēc jūsu balss mainās, kad elpojat hēliju? Jautājums zinātniekam: Kāpēc hēlijs deformē balsi? Ķīmijas zinātņu kandidāts, zinātniskais žurnālists žurnālam Russian Journal un Science and Life

Skaņa ir viļņu izplatīšanās elastīgā vidē (gāzē, šķidrumā, ciets ķermenis) un rodas no kaut kā vibrācijām (spīlē iespiests lineāls, skaļruņa membrāna, gaiss caurulē, virkne utt.). Jo augstāka ir svārstību frekvence (jo lielāks svārstību skaits sekundē), jo augstāka (plānāka) skaņa. Gluži pretēji, jo zemāka ir svārstību frekvence, jo zemāka (rupjāka) skaņa. Pārāk augstu skaņu (ultraskaņu, ar frekvenci virs 20 kHz) mēs nedzirdam. Pārāk zemu skaņu (infraskaņu, ar frekvenci zem 16 Hz) arī neuztver cilvēka auss.

Ja ieelpo hēliju (pirms tam labāk dziļi ieelpot), tad saites nebūs ierastajā gaisa vidē, bet gan hēlija. Hēlijs ir ļoti viegla gāze normāli apstākļi blīvums ir 7 reizes mazāks nekā gaisa blīvums. Mazāk blīvā vidē kūļi (piemēram, stīgas) vibrē ar augstāku frekvenci. Iedomājieties, ka jūs sitāt plaukstas ūdenī un gaisā - tieši tā auklām ir vieglāk svārstīties hēlijā nekā gaisā, kas ir septiņas reizes blīvāks.

Var pieņemt, ka, ieelpojot kādu gāzi (protams, nekaitīgu), kuras blīvums ir lielāks par gaisa blīvumu, balss, gluži pretēji, kļūs zemāka.

Šāda droša un bezkrāsaina gāze pastāv, un to bieži izmanto fizikas demonstrācijās. Tas ir sēra heksafluorīds (vai sēra (VI) fluorīds, SF 6). Tā blīvums normālos apstākļos ir 5 reizes lielāks par gaisa blīvumu. Saites tajā svārstās ar mazāku frekvenci, un tāpēc balss kļūst raupjāka.

Kā papildu informāciju mēs atzīmējam, ka papildus augstajam blīvumam sēra heksafluorīdam ir augsts pārrāvuma spriegums (89 kV / cm), t.i., tas ir ļoti labs izolators (tas ir parādīts video). Šis īpašums tiek izmantots augstsprieguma elektrotehnikā, un viens no šīs gāzes nosaukumiem - SF6 - ir saīsinājums no "elektriskā gāze", kas tika dots PSRS, kur šī īpašība tika atklāta 30. gados.

Interesanti ir arī uzzināt, kādas frekvences vispār spēj radīt cilvēka balss. Labākās balsis ir trenētas, horeogrāfētas dziedāšanas balsis. Zemākās skaņas ir basam (80 Hz-350 Hz), augstākajām skaņām ir soprānam (līdz 1400 Hz). Daži dziedātāji spēj uzņemt trešās oktāvas F noti (Nakts karalienes ārija Mocarta operā "Burvju flauta") - 1396,9 Hz un pat trešās oktāvas G noti (ārija "Io non chiedo, eterni"). Dei" soprānam un orķestrim, Mocarts KV316) - 1568 Hz.

Ir arī neticami rekordi, kā sasniegt zemākās vai augstākās notis. Līdz ar to zemāko, ausij gandrīz nedzirdamo noti ierakstīja Tims Storms no ASV - 8 Hz. Dziedātāja Meraija Kerija dziedāja noti līdz 4. oktāvai (2093 Hz). 2014. gadā Ukrainā (Kijevā) tika uzstādīts valsts rekords - dziedātāja Svetlana Podjakova paņēma līdz 5 oktāvām! Un 2008. gadā Ādams Lopess piektās oktāvas C-sharp ierakstīja noti, kurai pat klavierēm nav taustiņa (klavieru galējais labais taustiņš ir līdz 5. oktāvai) - tas ir vairāk nekā 4000 Hz. !

Un tas ir bez hēlija un sēra heksafluorīda!

Šķiet, ka šai tēmai nav nekāda sakara ar vokālu. Drīzāk uz ķīmiju ... Vai fiziku ... Vai akustiku kā daļu no fizikas ... Un tomēr ietekme HĒLIJS(un ne tikai viņam vienam, kā jūs uzzināsit no raksta) uz BALSS parāda, cik pamatots ir viedoklis par to, kā rodas cilvēka balss un kādiem likumiem tā pakļaujas.

Tātad, ieelpojot vieglu inertu gāzi - hēliju, piemēram, no baloniem, cilvēka balss pilnībā mainās. Jūs par to vēl nezināt? Jā, jā, pārsteidzoši - netālu ...

Izklausās tiešām smieklīgi! Efekts ir tik interesants, ka garām nepagāja pat tādi slaveni cilvēki kā raidījuma MythBusters vadītāji televīzijas kanālā Discovery. Bet!

rullītis uz angļu valoda, bet tas nav biedējoši, ir diezgan piemērots tulkojums:

"Es apsolu, ka tas būs forši, bet jums tas ir jāapsola NEKAD neatkārto to mājās! Labi? Labi! Un tagad... Visi zina, ka mana balss skanēs augstāk, ja ieelpošu hēliju! Tas ir tāpēc, ka tas ir 6 reizes vieglāks par gaisu, kas nozīmē, ka manas balss saites vibrēs ātrāk, un tas liek manai balsij skanēt daudz augstāk!
Un tagad ... es ieelpošu sēra heksafluorīdu, kas ir 6 reizes smagāks par gaisu, un balss skanēs apmēram šādi ...
Mana balss skanēja daudz zemāk...
Vispār man joprojām ir jautri!
TĀ IR ZINĀTNE !!!»

Zinātkārs un zinātkārs cilvēks, protams, vēlētos uzzināt KĀPĒC vai tas notiek? Un uz šo jautājumu nav atbilžu... Viena no tām jau ir dota - manas balss saites svārstīsies ātrāk... Bet, vai tiešām tā ir?

Ir arī citi "iemesli" - gaisa un hēlija spiediena atšķirība, balss saišu "saspiešana" un pat tas, ka INERT(!) gāze kaut kā pati sevi ietekmē STRUKTŪRA balss saites! Prāts neticams!

Cilvēki nezina fiziku... Pilnīgi...

Un patiesais iemesls ir diezgan vienkāršs, un zinātne to jau sen ir pētījusi. Jā, godīgi jāatzīst, ka kūļi, kas darbojas nevis gaisa, bet hēlija (un, protams, sēra heksafluorīda) vidē, svārstās nedaudz ātrāk (lēnāk). Bet tikai MAZĀ! Un šī vibrāciju ātruma izmaiņu pakāpe nevar ietekmēt balsi nekādi. TIK BRIESNI! Galvenais faktors ir atšķirīgs.

Padomājiet paši, jo, ja pašas balss saites piedzīvotu kādu triecienu, tad balss varētu būt augstāka vai zemāka, bet tās tembrs nemainītos! Balss joprojām būtu CILVĒKS, lai gan augstāk vai zemāk. Bet tiek novērots kaut kas pavisam cits - NECILVĒCĪBA balsot! Tā ir pārmaiņas TEMBRA viņa "pinokio" virzienā "multene" izraisa nevaldāmus smieklus! Tāds pats efekts rodas arī tad, kad balss ir “nolaista” – “dēmoniska”, “zvērīga”, taču jebkurā gadījumā ar cilvēka balsi nav līdzības.

Bet TEMBRS cilvēka balss - formantu kopa, kā aprakstīts rakstā "Kas ir formanti?" . Paši formanti nav iespējami bez līdzdalības RESONATORI SISTĒMAS cilvēka ķermenis. Un ne tikai! Augstāks CILVĒKS balss ir sarežģīts skaņas vilnis, kas sastāv no vieniem un tiem pašiem formantiem, taču tiek modificēti ne tikai paši formanti, bet arī to individuālais izkārtojums balss spektrā. Tāpēc mēs dzirdam, lai arī augstu (vai zemu), bet, pats galvenais, cilvēka balsi. Mainiet to pašu VIDE, gaisa aizstāšana ar citu gāzi neizraisa rezonatora dobumu konfigurācijas izmaiņas, kā rezultātā formanti nepārvietojas viens pret otru, bet vienkārši maina savu frekvenci. Baumas to nosaka kā balss "mākslīgumu".

Tas ir apstiprinājums gan pašas rezonatoru sistēmas esamībai, gan tās fundamentālajai ietekmei uz pašu balss fenomenu. Nu, procesa pilnveidošana no fizikas viedokļa ... Atvainojiet:

“Cilvēka balss ceļi sastāv no balss saitēm un ar gaisu (vai hēliju) pildīta rezonatora: plaušām, elpceļiem, galvaskausa dobumiem. Saites rada vāju skaņu, bez rezonatora mēs to varētu nedzirdēt. Balss trakta rezonanses frekvences ir atkarīgas no tā apjoma un formas. Hēlijam ir mazāks blīvums nekā gaisam, tāpēc skaņas ātrums tajā ir lielāks (965 m/s pret 331). Skaņas frekvence, viļņa garums un ātrums gāzēs ir saistītas ar noteiktām attiecībām. Tas noved pie tā, ka, lai gan rezonatora konfigurācija nemainās, augstākas frekvences kļūst rezonējošas, un kopējais balss spektrs pāriet uz augstākām frekvencēm. Muzikālā izteiksmē hēlijs nemaina balss augstumu, bet gan tās tembru. Precīzāk, augstums mainās, bet ļoti maz - tas galvenokārt ir atkarīgs no balss saišu sasprindzinājuma, un, izelpojot hēliju, tas nedaudz atšķiras no gaisa izelpošanas.

“... kakls no akustikas viedokļa ir dobuma rezonators, kas noregulēts uz noteiktu viļņa garumu (nevis frekvenci!). Un ja cilvēks elpo gaisu, tad tiek iegūta noteiktas frekvences skaņa (balss)... Bet ja tagad gaisa vietā ņemam hēliju, tad PAR TĀPĀDU VIĻŅU GARUMU lielāka skaņas ātruma dēļ radīsies cita frekvence - augstāka. Un pārejot no vienas vides uz otru (no hēliju pildītas rīkles uz parasto gaisu), skaņas frekvence vairs nemainās.

Tātad, dārgais lasītāj, saites nekādā veidā nemainās! Visa lieta ir iekšā VIDE! Un galvenais mūsu balss "celtnieks" ir rezonanse.

Vietnes materiālu izmantošana ir atļauta ar obligātu atsauci uz avotu

Droši vien katrs no mums zina, ka, ieelpojot nedaudz gāzes no hēlija balona, ​​tad balss kļūs plānāka un skanēs smieklīgi. Bet ne visi varēs atbildēt, kāpēc balss mainās no hēlija, kad tiek ieelpota gāze ?! Un tas viss tāpēc, ka hēlijam ir daudz mazāks blīvums. Balss saites elastīgi vibrē gaisa plūsmā. Un tā kā hēlija blīvums ir septiņas reizes mazāks nekā gaisam, tas nozīmē, ka tas daudz mazāk noslogo saites, tāpēc tās vibrē ar augstāku frekvenci un balss kļūst čīkstoša un smieklīga.
Tagad pievērsīsimies tuvāk tam, kā un kāpēc hēlijs maina balsi. Cilvēka balss mehānika ir pārsteidzoša bioloģiska parādība. Viss sākas ar to, ka gaiss caur balseni iekļūst plaušās un pēc tam caur balseni atkal iziet no plaušām oglekļa dioksīda veidā. Ar to var manipulēt vairākos veidos. Piemēram, jūs varat atbrīvot gaisu, un viss, ko dzird citi, ir elpošanas skaņa. Ja jums kaut kas jāsaka, balsenes un balss saišu muskuļi ir iekļauti šajā jautājumā.

Gaiss plaušās spiež diafragmu atpūsties. Pēc tam tas virzās caur jūsu elpu un nonāk nelielā atverē, kurai abās pusēs ir divas ādas krokas (balss saites) — V formā. Tā kā muskuļi, kas kontrolē jūsu balsi, saspringst un atslābinās, tie rada balss vibrācijas. auklas. Kad šīs auklas vibrē, tās izdala gaisa impulsus. Sasprindzinājums šajos muskuļos rada frekvences atšķirības. Jo augstāks spriegums, jo augstāka frekvence un līdz ar to augstāka balss. Šo frekvenci mēra hercos (labi, tas ir, cik reizes sekundē tā atkārtojas). Piemēram, gandrīz visi cilvēki runas skaņas parasti svārstās no 200 herciem līdz 8000 herciem.

Pēc iziešanas no balss loga gaiss nonāk jūsu mutes zonā, ko neoficiāli var saukt par jūsu balss traktu. Manipulējot ar mēli, žokli un lūpām, jūs varat mainīt rezonanses frekvences, ko rada jūsu balss savienojumi, radot daudzas dažādas runas skaņas.
Skaņa, ko rada gaiss, kas plūst dažādās frekvencēs un rezonansēs, rada mūsu balsi. Vēl viens faktors, kas ietekmē soļus, ir balss saišu biezums. Jo biezākas ādas krokas, jo dziļāka balss, un otrādi – jo plānākas krokas un plānāka balss.

Tātad tagad parunāsim par gaisu, kas nāk no jūsu plaušām. Molekulu skaits fiksētā gāzes tilpumā, tāpat kā gaisa tilpums plaušās, nemainās atkarībā no gāzes veida (pieņemot, ka spiediens ir pietiekami zems). Kamēr temperatūra un spiediens ir vienādi, nav svarīgi, vai tas ir hēlijs vai gaiss, molekulu skaits ir vienāds. Pēc tam šo molekulu masu mēra pēc atomu masas. Atomu svars ir bezizmēra fiziskais lielums (tāpēc tas tik labi darbojas gāzei, kurai ne vienmēr ir noteikts izmērs). Šī ir elementa atomu vidējās masas attiecība pret 1/12 no oglekļa-12 atoma masas. Tas viss būtībā nozīmē, ka jo lielāks skaitlis, jo smagāka ir gāze.
Hēlija atomu svars ir 4,002602. Gaisam, kas ir aptuveni 80% slāpekļa, ir dažādas īpašības atkarībā no vide. Šī iemesla dēļ tā faktisko atomu svaru nevar precīzi noteikt. Tomēr tas parasti ir apmēram septiņas reizes smagāks par hēliju.

Tātad, kāpēc balss mainās no hēlija, kad tiek ieelpota gāze?! Atbilde slēpjas tajā, kā skaņas viļņi pārvietojas pa noteiktu gāzi. Jo blīvāka vai smagāka gāze, jo lēnāks būs skaņas vilnis. Hēlijs ir daudz vieglāks par gaisu. Tad skaņas viļņa ātrums caur hēliju būs daudz lielāks. Tātad, kad jūs ieelpojat hēliju un izmantojat to kā uztvertās skaņas avotu, jūs vienkārši palielinat savas balss ātrumu vai frekvenci. Jūs nemaināt toņu, jo jūsu balss saites vibrē tādā pašā ātrumā kā tad, ja izmantojat gaisu. Jūs arī nemaināt sava balss trakta konfigurāciju. Tātad, lai gan akordu pamatfrekvence paliek nemainīga, citu dzirdamās skaņas frekvence palielinās, jo vilnis pārvietojas caur hēliju daudz ātrāk nekā pa gaisu.

Ir kāds triks, ko YouTube videoklipos var redzēt daudzas reizes. Šos videoklipus var atrast, ja meklējat vārdus "hēlijs" un "balss". Mēs redzam, ka pēc tam, kad cilvēks ieelpo hēlija gāzi, viņa balss mainās, kļūst smieklīgi čīkstoša. Ja cilvēks ieelpo citu gāzi, sēra heksafluorīdu, kas ir smagāks par gaisu, viņa balss iegūst basa toņus, kas arī ir neparasti un tāpēc smieklīgi.

Kāds ir šīs parādības iemesls?

Bet vispirms atbildēsim uz jautājumu, pateicoties tam, ko mēs vispār varam runāt. Kā rodas balss?

Tas notiek, kad gaiss no plaušām caur traheju nonāk balsenē. Balsē, aptuveni tās vidū, ir sašaurinājums, kur atrodas balss saites, kas faktiski rada skaņu. Balss saites ir divas horizontālas krokas, starp kurām ir atvere, ko sauc par balss skaņu. Ja balss saites vibrē, kad gaiss iet caur tām no plaušām, rodas skaņa. Balss saites var radīt dažādas kustības. Tās var aizvērt, savienot, mainīt garumu un biezumu, tādējādi radot dažādas skaņas.

Bet pašas saites ir ļoti vājas. Tāpēc to radītā skaņa ir ļoti klusa. Lai pastiprinātu šo skaņu, ir nepieciešams rezonators. Rezonatora lomu cilvēka balss traktā veic rīkle. Kakls ir apjomīgs. Tas atveras mutes atveres virzienā. Rīkles forma ir nepareiza, taču šī forma dabā ir tik viltīgi “aprēķināta”, ka tā pastiprina vājās gaisa vibrācijas, ko rada balss saites, un virza tās no mutes klausītāja virzienā. Rīkle atrodas tieši blakus galvaskausa kauliem. Rezultātā mūsu balss pie auss nonāk ne tik daudz pa gaisu, cik caur mūsu galvaskausa kaulu. Ar to ir saistīts dīvains efekts: mēs savu balsi dzirdam savādāk, nekā to dzird apkārtējie.

Tātad cilvēka balss trakts ir ļoti līdzīgs jebkuram skaņas reproducēšanas aparātam: tam ir skaņas vibrāciju ģenerators (balss saites) un pastiprinātājs-rezonators (rīkle). Deguns un mute, kā arī mēle, lūpas un aukslējas mutē ir iesaistīti artikulācijā. Pateicoties viņiem, cilvēks maina balss saišu radītās un rīkles pastiprinātās skaņas un izrunā vārdus. Ja mēs zīmējam analoģiju ar radio raidītāju, galvenais signāls tiek modulēts ar informācijas signālu.

Kas notiek, kad cilvēks ieelpo hēlija gāzi un sāk runāt? Sakarā ar to, ka hēlijs ir vieglāks par gaisu, balss saites šīs gāzes vidē svārstīsies nedaudz ātrāk. Bet ne jau šo izmaiņu dēļ balss tonis tik dramatiski paaugstinās.

Bet mūsu rīklei, kas, kā jau minēts, darbojas kā rezonators, skaņas pārraides vides rakstura izmaiņas ir būtiskas. Galu galā rīkles rezonanses frekvences ir atkarīgas no tās formas un tilpuma. Gaisu aizstājot ar hēliju, skaņas ātrums rezonatorā gandrīz trīskāršojas, no 331 m/s līdz 965 m/s. Bet rezonatora konfigurācija nav mainījusies. Tāpēc rezonators tagad nonāks rezonansē (un līdz ar to pastiprinās) citas augstākas frekvences. Visas skaņas, kas nāk no cilvēka mutes, kurš "iemalkoja" hēliju, novirzīsies uz augstākām frekvencēm. Balss kļūs čīkstošāka.

Ja vieglā hēlija vietā ieelpojam par gaisu smagāku gāzi, kurā skaņas ātrums ir mazāks, rezonē ar rīkli, kas nozīmē, ka tiks pastiprinātas skaņas vibrācijas ar zemāku frekvenci. Balss novirzīsies uz zemām frekvencēm un kļūs nedabiski raupja.

Šādi tiek izskaidroti visi šie brīnumi.