Гелій
Гелій – це благородний газ, який має цілий ряд специфічних властивостей. І зокрема, він дозволяє змінювати голос людини, роблячи його писклявим, немов у героїв мультфільмів. Однак чому це відбувається, і які ще властивості має цей газ? Чи безпечно його вдихати, і чи можуть бути побічні ефекти? Наскільки вивчено цю речовину, де її застосовують?
Гелій використовується в багатьох напрямках, найпростіше знайти його у продавців повітряних куль, що активно користуються ним. Це добре вивчена речовина, про яку можна розповісти досить багато.
Особливості гелію
Гелій являє собою інертний газ і має всі особливості, характерні для цієї групи. У нього немає типового запаху або смаку, він безбарвний, хмара гелію нічим не відрізнятиметься зовні від навколишнього повітря. Елемент має особливість, що фіксується тільки у нього – при температурі -268.9 градусів Цельсія він зріджується, проте домогтися його перетворення на твердий станза звичайних земних умов не вдасться. Для цього потрібно не лише знизити температури до 1 К, а й збільшити атмосферний тискдо 25 атмосфер. Але це ніяк не стосується здатності газу змінювати голос людини.
Інша особливість цієї речовини виявиться більш цікавою в рамках питання, що розглядається. Гелій - це виключно легкий газ, легше за нього тільки водень. Він дуже поширений у природі, становлячи приблизно 23 відсотки від усіх речовин у відомої людиніВсесвіту. Речовина народжується в зірках при ядерному синтезі. Цей газ у 7 разів менш щільний, ніж повітря земної атмосфери, будучи другим за легкістю серед усіх існуючих. Випереджає його лише водень.
: саме низька щільністьробить гелій цікавим для продавців повітряних кульок. Наповнюючи їм повітряні кулі, люди забезпечують їм можливість йти вгору, в небо . Піднімати в небо завдяки газу можна не лише кулі, а й цілі дирижаблі. Менш щільна речовина прагне вгору, такі закони фізики.
Як газу вдається змінити голос?
Щоб розібратися у питанні зміни голосу під впливом гелію, необхідно врахувати факт його низької щільності та розглянути ще один нюанс – як людині вдається видавати звуки, мова. Звук будь-якого типу, включаючи голос людини, – це коливання. Що стосується людської мови– ці звуки виробляються під час руху голосових зв'язок, які знаходяться у гортані. Тембр голосу формується частотою коливань, що цей показник вищий, то вищий і голос.
У звичайній повітряному середовищіголос людини залишається звичним, звуки виробляються та передаються стандартним чином. Але якщо показники середовища змінюються, то може змінитися і голос – істотним чи несуттєвим чином. Деякі люди відзначають, що голоси можуть звучати дещо інакше навіть у сильний туман при зміні вологості середовища. І це не суб'єктивна думка. При вдиханні інертного газу відбувається стискування голосових зв'язок, частота їх коливань істотно збільшується. При збільшенні частоти коливань змінюється і голос, він стає більш високим, кумедним.
Існує речовина, яка дає зворотний ефект. Якщо вдихнути вторинні сірки, голос звучатиме знижено, жіночий голоссприйматиметься як чоловічий бас. Це один із важких газів, його щільність у 5 разів вища, ніж у повітря.
Чи безпечний гелій?
У загальних рисахвдихання гелію можна вважати відносно безпечною забавою, якщо дихати не тільки їм, а й звичайним повітрям, не вдаватися до розваги з особливою старанністю. Адже в в іншому випадкуможна отримати кисневе голодування. Першими ознаками такого є нудота, запаморочення, головний біль, проблеми з диханням Крім того, не варто робити цього регулярно, оскільки виникає ризик ушкодження голосових зв'язок. Їх необхідно берегти, пошкодження в цій галузі можуть мати незворотний характер, зіпсувавши голос, або ж позбавивши можливості розмовляти. Голосовий апарат людини відрізняється високою чутливістю.
Не можна вдихати гелій глибоко або дихати їм довго, інакше в крові можуть утворитися газові бульбашки, що спричиняють ризик інсульту. Перенасичення легень гелієм замість кисню також небезпечне.
Подібна розвага ризикована для вагітних і для маленьких дітей, їм безумовно не варто вдихати гелій. Дорослим же та здоровим людямВарто порадити робити тільки неглибокі вдихи, кілька разів, адже для ефекту високого голосу цього буде достатньо. Коли голос знову стане нормальним, можна спробувати повторити захід ще двічі-тричі.
Таким чином, голос змінюється через те, що гелій має значно меншу щільність, ніж повітря. Голосові зв'язки людини працюють у таких умовах інакше, голос стає значно вищим. Вдихання гелію для створення ефекту мультяшного голосу – це досить кумедна розвага, проте для збереження здоров'я слід дотримуватися міри.
Звук є поширенням хвиль в пружному середовищі (газі, рідини, твердому тілі) і народжується від коливань чогось (затиснутої в лещатах лінійки, мембрани гучномовця, повітря в трубі, струни і т. д.). Чим більша частота коливань ( більше числоколивань в секунду), тим звук вищий (тонший). Навпаки, що менше частота коливань, то звук нижче (грубіше). Занадто високий звук (ультразвук, із частотою понад 20 кГц) ми не чуємо. Занадто низький звук (інфразвук, із частотою нижче 16 Гц) людське вухо теж не сприймає.
Якщо вдихнути гелій (перед цим краще зробити глибокий видих), то зв'язки будуть перебувати не в звичайному повітряному середовищі, а в гелієвому. Гелій – це дуже легкий газ, що має в нормальних умовахщільність у 7 разів менша, ніж у повітря. У менш щільному середовищі зв'язки (як і струни, наприклад) коливаються з більшою частотою. Уявіть, що ви плескаєте в долоні у воді та в повітрі - ось так само зв'язкам легше коливатися в гелії, ніж у повітрі, щільність якого в сім разів більша.
Можна припустити, що якщо подихати якимось газом (нешкідливим, звичайно ж), щільність якого більша, ніж у повітря, то голос, навпаки, стане нижчим.
Такий безпечний і безбарвний газіснує та часто використовується у фізичних демонстраціях. Це гексафторид сірки (або фторид сірки (VI), SF 6). Його щільність за нормальних умов у 5 разів вища за щільність повітря. Зв'язки в ньому коливаються з меншою частотою і голос стає грубішим.
Зазначимо як додаткової інформації, що крім високої щільності, гексафторид сірки має високу пробивну напругу (89 кВ/см), тобто є дуже добрим ізолятором (це показано у відеоролику). Ця його властивість використовується у високовольтній електротехніці, а одна з назв цього газу – елегаз – є скорочення від "електричний газ", яке було дано в СРСР, де в 30-х роках ця його властивість була відкрита.
Також цікаво знати, які взагалі частоти здатний видавати людський голос. Найкращими голосамиє треновані, поставлені співочі голоси. Найнижчі звуки у басу (80 Гц-350 Гц), найвищі – у сопрано (до 1400 Гц). Деякі співачки здатні взяти ноту фа третьої октави ( арія Цариці ночів опері Моцарта Чарівна флейта") - 1396,9 Гц і навіть ноту сіль третьої октави (арія" Io non chiedo, eterni Deiдля сопрано та оркестру, Моцарт KV316) - 1568 Гц.
Існують і неймовірні рекорди взяття найнижчих чи найвищих нот. Так, найнижча нота, практично не чутна вухом, зафіксована у виконанні Тіма Стормса із США – 8 Гц. Співачка Мерайя Керізаспівала ноту до 4-ї октави (2093 Гц). У 2014 році в Україні (у Києві) було встановлено національний рекорд - співачка Світлана Подьяковавзяла до 5 октави! А в 2008 році Адам Лопез взяв ноту до-дієз п'ятої октави, для якої навіть немає клавіші на роялі (найправіша клавіша роялю – до 5-ї октави) – це більше 4000 Гц!
І це без жодного гелію та гексафториду сірки!
Напевно, кожен з нас знає, що якщо вдихнути трохи газу з гелієвої кульки, то голос стане тоншим і звучатиме смішно. Але не кожен зможе відповісти, чому від гелію змінюється голос при вдиханні газу?! А все тому що у гелію значно нижча щільність. Голосові зв'язки пружно вібрують у потоці повітря. А оскільки щільність гелію в сім разів нижче повітря, то він набагато менше навантажує зв'язки, через що вони коливаються з більшою частотою і голос стає писклявим і смішним.
Тепер давайте докладніше розглянемо, як і чому від гелію змінюється голос. Механіка голосу людини є дивовижним біологічним явищем. Все починається з того, що повітря через горло потрапляє в легені і потім у вигляді вуглекислого газузалишає легені знову ж таки через горло. Цим можна маніпулювати кількома способами. Наприклад, ви можете випустити повітря, і все, що чути інші, це звук дихання. Якщо ж треба щось сказати — у справу включаються м'язи гортані та голосові зв'язки.
Повітря у ваших легенях підштовхує розслаблення діафрагми. Потім він проходить через вашу трахею і потрапляє в невеликий отвір, що має дві складки шкіри (голосові зв'язки) по обидва боки від неї, у формі літери V. Оскільки м'язи, які керують вашим голосом, напружуються і розслабляються, вони створюють вібрацію шнурів. Коли ці шнури вібрують, вони звільняють імпульси повітря. Напруга у цих м'язах створює відмінності у частоті. Чим вища напруга, тим вища частота і, отже, вищий голос. Ця частота вимірюється в герцах (тобто скільки разів на секунду це повторюється). Наприклад, майже всі людські мовні звукизазвичай варіюються від 200 герц до 8000 герц.
Вийшовши з голосового вікна, повітря переміщається в область рота, яку можна неофіційно назвати вашим голосовим трактом. Коли ви маніпулюєте своєю мовою, щелепою та губами, ви можете змінювати резонансні частоти, створені вашими голосовими зв'язками, відтворюючи багато різних звуківпромови.
Звук, що створюється поточним повітрям на різних частотахі резонансах, створює наш голос. Ще одним фактором, що впливає на крок, є товщина голосових зв'язок. Чим товщі складки шкіри, тим глибший голос і навпаки тонше складки і тонше голос.
Отже, тепер давайте поговоримо про повітря, яке виходить із ваших легенів. Кількість молекул у фіксованому обсязі газу, як і обсяг повітря у легенях, не змінюється з типом газу (за умови, що тиск є досить низьким). Поки температура і тиск однакові, не має значення, чи це гелієм чи повітрям, кількість молекул однакова. Маса цих молекул потім вимірюється атомною вагою. Атомна вага – безрозмірна фізична величина(тому він працює так добре для газу, який не обов'язково має заданий розмір). Це ставлення середньої масиатомів елемента в порівнянні з 1/12 маси атома вуглецю-12. Все це в основному означає, що чим вище число, тим важчий газ.
Гелій має атомна вага 4.002602. Повітря, яке становить приблизно 80% азоту, має різні характеристикив залежності від навколишнього середовища. Через це його фактичну атомну вагу неможливо точно визначити. Однак, як правило, це приблизно в сім разів важче за гелій.
Отже, чому від гелію змінюється голос при вдиханні газу? Відповідь у тому, як звукові хвилі проходять через цей газ. Чим щільніший або важчий газ, тим повільніше буде звукова хвиля. Гелій набагато легший за повітря. Тоді швидкість звукової хвилі через гелій буде набагато вищою. Тому, вдихаючи гелій і використовуючи його як джерело звуку, що сприймається, ви просто збільшуєте швидкість або частоту голосу. Ви не змінюєте висоту тону, тому що ваші голосові зв'язки вібрують з тією ж швидкістю, що й під час використання повітря. Ви також не змінюєте конфігурацію голосового тракту. Тому, в той час як базова частота акордів залишається незмінною, частота звуку, що чує інші, збільшується через хвилю, що проходить через гелій набагато швидше, ніж через повітря.
Здавалося б, ця тема не має жодного стосунку до вокалу. Швидше до хімії… Або фізики… Або акустики, як частини фізики… І все-таки вплив ГЕЛІЯ(і не тільки його одного, як ви дізнаєтеся зі статті) на ГОЛОСпоказує справедливість погляду те що, як виникає людський голос і яким закономірностям підпорядковується.
Отже, при вдиханні легкого інертного газу – гелію, наприклад з повітряних кульок, у людини зовсім змінюється голос. Ви ще не знаєте про це? Так-так, дивовижне – поряд…
Звучить справді смішно! Ефект настільки цікавий, що повз них не пройшли навіть такі відомі особи, як провідні передачі «Руйнівники міфів» на телеканалі «Діскавері». Але!
Ролик на англійською мовою, але це не страшно, є цілком підходящий переклад:
«Я обіцяю, що буде круто, але ви повинні пообіцяти що НІКОЛИне повторюватимете це вдома! Гаразд? Гаразд! А зараз… Усі знають, що мій голос звучатиме вище, якщо я вдихну гелій! Це тому що він у 6 разів легший за повітря, що означає, що мої голосові зв'язки будуть коливатися швидше, і це змушує мій голос звучати набагато вище!
А зараз... Подихаю гексафторидом сірки, який у 6 разів важчий за повітря, і голос звучатиме приблизно так...
Мій голос звучав набагато нижче.
І взагалі я досі веселюся!
ЦЕ – НАУКА !!!»
Допитливій і цікавій людині, природно, хотілося б знати, ЧОМУтаке відбувається? І ось на це запитання яких тільки відповідей не буває… Одна з них уже дано – мої голосові зв'язки коливатимуться швидше… Але, чи це так насправді?
Зустрічаються й інші «причини» – різниця тисків повітря та гелію, «стиснення» голосових зв'язок і навіть те, що ІНЕРТНИЙ(!) газ якимось чином впливає на саме БУДОВАголосових зв'язок! Розуму незбагненно!
Ось не знають люди фізики… Зовсім…
А справжня причина цілком проста і давно вивчена наукою. Так, заради справедливості треба визнати, що зв'язки, що працюють у середовищі не повітря, а гелію (і, зрозуміло, гексафториду сірки) коливаються трохи швидше (повільніше). Але тільки Трохи! І цей ступінь зміни швидкості коливань аж ніяк не може вплинути на голос. СТІЛЬ ЧУДОВИЧНО! Основний чинник у іншому.
Подумайте самі, адже якби якийсь вплив відчували самі голосові зв'язки, то голос міг би бути вищим або нижчим, але при цьому не змінився б його тембр! Голос все одно був би ЛЮДСЬКИМ, хоч і нижчим чи високим. А спостерігається зовсім інше – Нелюдинністьголоси! Саме зміна ТЕМБРАу бік його «буратинності», «мультяшності» викликає нестримний сміх! Той самий ефект і за «зниженні» голосу – «демонічність», «жахливість», але у разі – немає подібність із голосом людини.
Але ТЕМБРлюдського голосу - набір формант, як про це розказано у статті "Що таке форманти?" . Самі ж форманти неможливі без участі РЕЗОНАТОРНОЇ СИСТЕМИорганізму людини. І не лише! Вищий ЛЮДСЬКИЙголос - це складна звукова хвиля, що складається з тих же формант, але видозмінюються не тільки самі по собі форманти, а й їхнє індивідуальне розташування в спектрі голосу. Тому ми чуємо хоч і високий (або низький), але головне людський голос. Зміна ж СЕРЕДОВИЩА, Заміна повітря на інший газ не призводить до зміни конфігурації резонаторних порожнин, як наслідок, форманти не зрушуються відносно один одного, а просто змінюють свою частоту. Чутка фіксує це як «штучність» голосу.
Ось у цьому полягає підтвердження як існування самої резонаторної системи, і її основного впливу сам феномен голоси. Ну а уточнення процесу з погляду фізики.
«Мовний тракт людини складається з голосових зв'язок та резонатора, наповненого повітрям (або гелієм): легкі, дихальні шляхи, черепні порожнини. Зв'язки генерують слабкий звукбез резонатора ми могли б його і не почути. Резонансні частотиголосового тракту залежать від його обсягу та форми. Гелій має меншу щільність, ніж повітря, тому швидкість звуку в ньому вища (965 м/с проти 331). Частота, довжина хвилі та швидкість звуку в газах пов'язані певними співвідношеннями. Це призводить до того, що хоча конфігурація резонатора не змінюється, резонансними стають вищі частоти, і загальний спектр голосу зміщується в область вищих частот. Висловлюючись музичними поняттями, гелій змінює не висоту голосу, яке тембр. Точніше, висота змінюється, але дуже мало - вона залежить в основному від натягу голосових зв'язок, а при видиханні гелію воно трохи інше, ніж при видиханні повітря.
«… ковтка - це, з погляду акустики, об'ємний резонатор, налаштований певну довжину хвилі (не частоту!). І якщо людина дихає повітрям, то виходить звук (голос) певної частоти ... Але якщо тепер замість повітря взяти гелій, то ДЛЯ ТІЙ Ж ДОВЖИНИ ХВИЛІчерез більш високу швидкість звуку вийде інша частота - більш висока. А при переході з одного середовища в інше (із заповненою гелієм глотки в нормальне повітря) частота звуку вже не змінюється.