Dlaczego hel wpływa na Twój głos?

Większość dzieci się z tym zgodzi: Ssanie helu z balonu sprawia, że Twój głos brzmi zabawnie. Ale wbrew powszechnemu przekonaniu, zamiana powietrza na hel nie powoduje zwiększenia wysokości głosu (a przynajmniej nie bardzo). Zamiast tego wpływa na o wiele bardziej tajemniczą właściwość dźwięku, zwaną „barwą”. Zamiast ćwierkać wysokie dźwięki jak Tweety Bird, zaczynasz ćwierkać słowa jak Kaczor Donald.

Ale dlaczego hel wpływa na twój głos z tym chropowatym tonem?

Po pierwsze, oto co dzieje się wewnątrz twojego gardła, kiedy mówisz: Według eksperta w dziedzinie akustyki, Johna Smitha, biofizyka z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) w Sydney w Australii, generujesz dźwięk poprzez szybkie drgania dwóch małych płatów błony śluzowej, zwanych fałdami głosowymi, w skrzynce głosowej. Ruchy tych fałdów w przód i w tył przerywają przepływ powietrza z płuc, tworząc „pufy” dźwięku.

Jeśli fałdy głosowe drgają tam i z powrotem 100 razy na sekundę, wytwarzają pufy o częstotliwości 100 uderzeń na sekundę (Hz). Dodatkowe ruchy fałdów głosowych, takie jak zderzenia ze sobą, generują dodatkowe częstotliwości, które są wielokrotnością tej podstawowej częstotliwości: „harmoniczne” o częstotliwości 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz i tak dalej.

Wszystkie te częstotliwości wędrują razem przez trakt głosowy – rurkowate zagłębienie prowadzące od skrzynki głosowej w górę przez gardło i usta do świata zewnętrznego. W zależności od swojego kształtu, trakt ten rezonuje z pewnymi harmonicznymi generowanymi przez fałdy głosowe, co oznacza, że wibruje w czasie z nimi. W ten sposób, trakt wokalny wzmacnia te rezonujące częstotliwości harmoniczne, czyniąc je głośniejszymi.

Więc, harmoniczne tworzone przez twoje szczególne fałdy głosowe w połączeniu z kształtem twojego szczególnego traktu głosowego tworzą unikalny zbiór częstotliwości rezonansowych, które razem dają twojemu głosowi jego charakterystyczną jakość dźwięku, lub tembr.

W tym miejscu pojawia się hel. Dźwięk porusza się z prędkością 1 128 stóp na sekundę (344 metrów na sekundę) w zwykłym powietrzu, ale porusza się z prędkością 3 041 stóp na sekundę (927 metrów na sekundę) w gazie helowym. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki azotu i tlenu, które tworzą większość powietrza, są znacznie cięższe niż atomy helu, więc nie drgają tam i z powrotem tak szybko. (To oscylowanie jest tym, co popycha falę dźwiękową przez gaz.)

W fizyce, prędkość fali równa się jej częstotliwości pomnożonej przez długość fali. Tak więc, jeśli fala dźwiękowa przemieszcza się szybciej przez przewód głosowy wypełniony helem niż przez przewód głosowy wypełniony powietrzem, albo jej częstotliwość, albo długość fali musi wzrosnąć również w jamie wypełnionej helem.

Długość fali, która rezonuje z przewodem głosowym zależy tylko od jego kształtu – tzn, harmoniczne rezonansowe to te, których kolejne szczyty pasują do traktu głosowego – więc ich długości fal pozostają takie same niezależnie od tego, czy trakt jest wypełniony gazem hel czy powietrzem. (Mówiąc inaczej, cząsteczki gazu wewnątrz traktu oscylują tam i z powrotem na tej samej odległości, niezależnie od tego, jakimi cząsteczkami są.)

To oznacza, że częstotliwości harmonicznych rezonansowych muszą wzrosnąć w jamie wypełnionej helem. Według Smitha i współpracowników w „Physics in Speech”, artykule referencyjnym na stronie UNSW, częstotliwości rezonansowe są kilkakrotnie wyższe w przewodzie głosowym wypełnionym helem w porównaniu do tego wypełnionego powietrzem.

A to oznacza, że pewne wysokie tony głosu zostają wzmocnione w stosunku do niskich tonów, drastycznie zmieniając ogólną barwę głosu. „Jest mniej mocy na niskich częstotliwościach, więc dźwięk jest cienki i piskliwy” – piszą fizycy z UNSW.

Można by się zastanawiać, dlaczego kaczki zawsze brzmią tak, jak brzmią, mimo że oddychają zwykłym powietrzem. Według ekspertów, „artykułowana, ale poza tym standardowa kaczka miałaby krótszą drogę głosową niż nasza, więc nawet oddychając powietrzem, Donald miałby rezonanse przy raczej wyższych częstotliwościach niż nasze.”

Śledź Natalie Wolchover na Twitterze @nattyover lub Life’s Little Mysteries @llmysteries. Jesteśmy również na Facebooku & Google+.