Почему меняется голос при вдыхании гелия. Почему от гелия меняется голос? кандидат химических наук, научный обозреватель «Русского Журнала» и журнала «Наука и жизнь»
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!
Многие пробовали вдыхать гелий из воздушных шаров и разговаривать необычным, забавным голосом или наблюдали за тем, как это делают знакомые. Человеческий голос при этом становится выше, тоньше и напоминает детский. Почему гелий так воздействует на голос, и есть ли вещества, которые имеют обратный эффект?
Гелиевые шары продаются в любом магазине праздничной атрибутики. Они легче воздушных шаров, надутых обычным воздухом, а если их отпустить, то они улетят высоко в небо. А вот если развязать веревочку и вдохнуть гелия в легкие, то на выдохе получается очень забавный голос.
Звуки, которые произносит человек, возникают в результате вибрации голосовых связок. Наши связки упруго вибрируют в воздухе, плотность которого при 20 градусах составляет около 1,2 кг/м 3 . Гелий - это инертный газ без цвета и запаха, плотность которого в несколько раз ниже, чем у воздуха. При такой же температуре плотность гелия составляет всего 0,18 кг/м 3 . Менее плотный по сравнению с воздухом газ не оказывает достаточного сопротивления, голосовые связки вибрируют с большей частотой и голос становится выше.
Но подобный чудесный эффект, как выяснилось, наблюдается не у всех людей. У некоторых женщин, обладающих от природы высоким голосом, вдыхание гелия почти ничего не меняет.
Вполне естественно возникает вопрос, а не вредно ли развлекаться подобным образом? Конечно, дышать гелием - это неестественно для человека. Сам газ химически инертен, то есть при обычных условиях он не вступает в химические реакции с окружающими веществами и не образует устойчивых соединений. На этом основано мнение о том, что вдыхать гелий - безобидное развлечение. Но дышать этим газом безопасно лишь в небольших количествах. Длительное вдыхание гелия вместо обычного воздуха приведет к тому, что организм начнет испытывать недостаток кислорода, что может закончиться не так весело, как начиналось.
А вот после вдыхания другого газа - фторида серы - можно наблюдать обратный эффект. Этот газ очень плотный, в 5 раз плотнее обычного воздуха. При его вдыхании голосовые связки вибрируют с меньшей частотой, а голос становится низким и грубым, даже у юных девушек, имеющих от природы высокий голос.
Запускает проект «Вопрос учёному», в рамках которого специалисты будут отвечать на интересные, наивные или практичные вопросы. В новом выпуске кандидат химических наук Пётр Образцов объясняет причину искажения голоса при вдыхании гелия.
Почему гелий искажает голос?
Пётр Алексеевич Образцов
кандидат химических наук, научный обозреватель «Русского Журнала» и журнала «Наука и жизнь»
Газ гелий, впервые открытый на Солнце и получивший своё название в честь нашей звезды по имени Гелиос, применяется для наполнения аэростатов, для замены азота в барокамерах и аквалангах, для создания сверхпроводимости и т. д. В первом случае используется инертность гелия и его низкая плотность, во втором случае гелий не создаёт состояния опьянения у водолазов на глубинах в десятки метров, как обычный азот. Кроме того, при больших давлениях азот растворяется в крови водолаза, и при быстром подъёме с глубины выделяется из крови в виде пузырьков, закупоривающих сосуды. Возникает так называемая кессонная болезнь. А гелий так себя не ведёт.
Важнейшие свойства гелия – низкая плотность и вязкость - являются причинами такой забавной особенности этого газа, как повышение тона голоса. И в низкоплотной газовой среде, состоящей из кислорода и гелия вместо азота, скорость звука гораздо больше, чем в обычном воздухе. А объём ротовой полости и верхней части горла (резонатора) остаётся неизменным. В результате возрастают и частота связок и частота распространяющегося в этом резонаторе звука, что и означает появление этакой писклявости.
Обратный эффект понижения частоты возможен при вдыхании смесей с инертными газами тяжелее азота, например, инертных криптона или ксенона. Дышащий такой смесью рядовой статист оперы затмил бы своим басом самого Шаляпина.
Однако если кто-либо из читающих эти строки захочет воспроизвести данный эффект (гелий доступен, им надувают воздушные шарики) , он должен помнить, что при длительном вдыхании гелийсодержащих смесей может наступить кислородное голодание и потеря сознания. Нужно немедленно отдышаться на свежем воздухе.
Плотность гелия почти в 7 раз меньше, чем обычного воздуха. При вдыхании этого инертного газа голосовые связки , увеличивается частота их колебания, и голос звучит в повышенной тональности. Издаваемые звуки кому-то напоминают голос персонажа мультфильмов, а кому-то – писк мыши или речь младенца. Но, в любом случае, окружающим становится .
А вот после вдыхания фторида серы – тяжелого газа, который в 5 раз , даже девушки начинают говорить низким басом.
Является ли вдыхание гелия безопасным?
В целом, считается достаточно безопасным, поскольку вместе с газом в организм человека попадает кислород. Кроме того, распознать надышавшегося гелием человека трудно, разве что за исключением момента, когда он начнет что-то говорить.
Да и сам газ определить невозможно - он не обладает ни запахом, ни вкусом. Тем не менее, от гелия могут появиться некоторые побочные явления.
У некоторых людей могут возникнуть признаки кислородного голодания, такие как головокружение, головная боль, затрудненное дыхание, тошнота. Голосовые связки при вдыхании гелия колеблются с более высокой частотой, что вызывает желаемый эффект, однако в результате их можно повредить, причем этот процесс считается необратимым.
Глубокие и частые вдохи этого инертного газа способны спровоцировать возникновение гелиевых пузырьков в крови. По достижении ими мозга они могут вызвать инсульт и даже привести к летальному исходу.
Может оказаться небезопасным и обычное перенасыщение легких гелием, когда содержание кислорода в организме человека будет существенно понижено.
Вот еще интересный факт: если человека на время поместить в камеру, которая наполнена только гелием, через некоторое время тот задохнется. Это связано с тем, что в таком газе содержится только пара десятых процента кислорода.
В дополнение к этому можно добавить, что баловство с гелием особенно опасно для беременных женщин, причем не только для будущей мамы, но и для ее малыша. А потому лучше всего просто полюбоваться легкими шариками, не пытаясь вдыхать газ, содержащийся в них.
Решив попробовать на себе действие «веселящего газа», не вдыхайте за один раз большое количество гелия. Лучше сделайте несколько небольших вдохов, а когда действие газа пройдет, попробуйте еще раз, только не переборщите, ведь здоровье и жизнь – самое главное.
