3.5. Как гелий меняет голос

Я опишу один фокус, но только обещайте не проделывать его — он не просто опасен, а смертельно опасен. Если вдохнуть гелий и попытаться что-то сказать, то голос будет звучать неестественно высоко — точь-в-точь как у утенка Дональда Дака. Почему?

ОТВЕТ • Как объяснялось в предыдущей задаче, звук речи человека зависит от возбуждения различных формант в его вокальном тракте звуковыми волнами, производимыми колеблющимися голосовыми связками. Когда частота колебаний звуковых связок попадает внутрь частотного спектра определенной форманты, звук с частотой этой форманты включается в голос человека. Частота (как центр частотного спектра, так и его диапазон) каждой форманты зависит от двух факторов. Первый — это длина и форма вокального тракта, их человек может контролировать, сдвигая язык и открывая и прикрывая рот. Второй фактор — скорость звука в вокальном тракте.

В обычном состоянии вокальный тракт заполнен воздухом, а скорость звука в воздухе — около 340 м/с. Однако если воздух заменить на воздушно-гелиевую смесь, скорость распространения звука значительно повысится (до 900 м/с). Это изменение скорости сдвинет все частоты формант вверх. Колебания голосовых связок будут происходить примерно так же, как и в воздухе, но теперь более высокие частоты этих колебаний возбудят сдвинутые в область более высоких частот форманты вокального тракта. Относительная интенсивность формант тоже может измениться. В результате голос будет содержать более высокие частоты и изменится до неузнаваемости.

Опасность этого эксперимента очевидна: человек жив, пока он вдыхает воздух (точнее, кислород, содержащийся в воздухе). Но если вы заполните свои легкие гелием, то уже не сможете вдыхать кислород, и тогда организм начнет гонку со смертью. Уровень кислорода в крови станет падать, и ваша жизнь будет зависеть от того, успеете ли вы выдохнуть из легких гелий и вдохнуть вместо него кислород, пока не наступило удушье и не возникло кислородное голодание мозга.

В Туве, республике на юге Сибири, есть певцы, которые могут одновременно выпевать две ноты: это называется горловым, или обертонным, пением. Один тон — монотонный низкочастотный звук, другой — высокочастотный, напоминающий звук флейты. Как может человек одновременно выпевать две ноты?

ОТВЕТ • И в обычной речи, и в пении гармонические частоты колебаний голосовых связок возбуждают в основном первую форманту в вокальном тракте (см. задачу 3.4 и задачу 3.5). Возбуждаются и некоторые более высокие форманты вокального тракта, но они почти бессознательно воспринимаются слушателем не как отдельные ноты, а как окраска голоса (говорят, что они образуют тембр — спектральный состав звука, параметры нарастания громкости звука и ряд других характеристик).

При горловом пении в монотонном низкочастотном гудении, возбуждаемом колебаниями голосовых связок, нет ничего особенного. Фокус в высокочастотном звуке, который кажется отделенным от монотонного низкочастотного звука (или «плавающим по его верхам»). Искусство в том, чтобы подстроить (по возможности точно) частоту одного из высокочастотных колебаний голосовых связок к одной из высоких формант вокального тракта. Если это удается сделать, на этой форманте возникнет резонанс, и звук, издаваемый певцом, станет громким. Однако, чтобы подстроить частоту колебания под эту форманту, певцу требуется настроить и режим работы голосовых связок (время, в течение которого голосовая щель держится сначала в открытом, а потом в закрытом состоянии), и форму вокального тракта (путем сдвигания языка). Почти каждый может научиться так петь, но, чтобы добиться музыкального звучания, нужно долго практиковаться.

Многие люди во сне храпят, чем доставляют неудобство членам семьи, а иногда наносят вред собственному сну и здоровью. Что вызывает храп?

ОТВЕТ • Человек храпит в основном когда втягивает воздух в легкие либо только через нос (а рот закрыт), либо и через нос, и через рот. Поток воздуха проходит через мягкое нёбо, расположенное в верхней задней части рта (его можно увидеть, заглянув в горло). Если воздух прошел только через нос, он проходит в горло вдоль верхней части мягкого нёба. Если скорость воздушного потока выше некоторой критической величины, он может притянуть мягкое нёбо к задней части горла, и поток воздуха частично перекроется. Нёбо сначала притягивается к языку, а потом возвращается в прежнее состояние. Если же поток идет и через нос, и через рот, он проходит и через верхнюю, и через нижнюю часть мягкого нёба. В этом случае мягкое нёбо колеблется между задней частью горла и языком, перекрывая доступ воздуху то через нос, то через рот. Можете и сами изобразить храп, резко вдохнув воздух через рот и нос (это «театральный храп» — так его изображают на сцене). Перекрытие путей для потока воздуха из-за колебаний мягкого нёба заставит воздушный поток пульсировать, соответственно, будут пульсировать и ваши ноздри.

Движение мягкого нёба и турбулентность, которую это движение создает, в горле вызывает звуковые волны. Если частота этих волн совпадет с собственными частотами горла (или всей полости горло — рот — носоглотка) и возникнет резонанс, тогда звук может стать весьма громким.

Еще одна возможная причина храпа — периодическое сужение глотки (гибкой, сжимаемой верхней части горла, находящейся над гортанью). Сжатие и последующее раскрытие глотки перекрывает поток воздуха, приводит к появлению турбулентности, которая порождает звуковые волны.

Почему кошка мурлычет, а лев рычит?

ОТВЕТ • Кошка мурлычет примерно так же, как мы говорим, и этот механизм был объяснен в предыдущих задачах. Единственное отличие в том, что когда воздух проходит через голосовые связки кошки, они колеблются и производят гудение в ее вокальном тракте (горло — рот — носоглотка) на частотах примерно 25 Гц. Это, возможно, слишком низкая частота, и человек вряд ли услышит такой звук. Однако он возбуждает в вокальном тракте более высокие гармоники, излучаемые ртом и носом кошки, и их человек уже может услышать. Этот звук, раскатистое «р», обычно говорит о том, что кошка всем довольна.

Некоторые исследователи считают, что способность мурлыкать и рычать определяется состоянием подъязычной кости, которая расположена у основания языка и связана с гортанью. Если кость полностью окостенела (то есть она очень твердая), как у кошки, животное может мурлыкать. Если, наоборот, она не совсем окостенела (то есть она не очень твердая), животное будет рычать. Это, возможно, означает, что животное с более гибкой подъязычной костью, например лев, может сдвигать гортань вниз по горлу и значительно увеличивать длину вокального тракта, а это понижает частоту звука, который издает лев. Гортань льва отличается от гортани большинства других животных еще и тем, что у него голосовые связки толстые и состоят из эластичной ткани, которая может колебаться на низких частотах с поразительно большой амплитудой. Это и позволяет льву рычать!