ヘリウムを吸うと声が変わることについて

質問

ヘリウムを吸うことによって声が高くなる理由を
教えて下さい。

回答No.4

tocoche · ベストアンサー

ヘリウムで声が変わる原因については、siegmundさんと同じく、声帯そのものの振動数が変わることと、声帯から口，鼻までの管の共鳴振動数が変わることが、あげられると思います。

声帯は空気が通ることによってパタパタと振動するのですが、声帯が緩んでいると低い声、ピンと張っていると高い声が出ます。声帯の張力によって、声帯が（空気の流れをふさぐように）閉じようとするのに対し、空気は声帯を押し戻そうとするので振動が生じます。このときヘリウムのように空気より軽い気体だと（圧力が同じでも質量が小さいので）声帯は小さな力で素早く動くことになり、高い声が出ると思われます。
管の共鳴振動数の変化は、まさに音速と関わっていてsiegmundさんの説明のとおりだと思います。

ただ発声に関しては、声帯と共鳴管の要素がからみあっているので、どちらがどの程度効いているかはわかりません。
共鳴管が楽器のような優れた共鳴特性を持っていると（人間の喉はトロンボーンのように、伸びたり縮んだりできないので）共鳴振動数以外の音程は出にくくなり、逆に共鳴特性が悪いと（スキャットのように）口の形を変えて、音程を変えることが難しくなります。（クラシックの発声のように声帯だけで音程を変えて、はやく歌うのはすごく難しい）

お礼

回答どうもありがとうございます。
また、お礼がおくれてすいません。今日まで、中間だったもので。

共鳴の要素の方は、わかりました。
この要素の影響が結構大きいように感じてきました。
発声メカニズムにかんして調べていたら、
http://www.sfc.keio.ac.jp/~iwatake/2000-9.html
にまさしく、共鳴に関することが載っており、
確信がもてました。

＞声帯の張力によって、声帯が（空気の流れをふさぐように）
＞閉じようとするのに対し、空気は声帯を押し戻そうとするので振動が生じます

//以下引用

//Aerodynamic theory では声門部という狭窄部を気流が高速で通過する際,
//べルヌーイ効果により声帯が吸引されるという. べルヌーイ (Bernoulli)
//の効果とは式で表わせば次の如くなる.

//p + 1/2 ρv 2 = const.
// (p : 圧カ, ρ: 気体密度, v : 流速)

(http://www.hs.m.kyoto-u.ac.jp/fsl/s2-1.html)より引用

と関係があるのでしょうか？考えたのですが、
pとv両方とも動いてしまうのでどのようになるのかは私にはわかりませんでした。

回答No.5

tocoche

遅れ馳せながら、補足致します。

ベルヌーイ力が発音システムと、どう関係しているかというと難しいですね。振動の
発生にからんでいるとは思いますが、ベルヌーイ力は流体が沿って流れる面の形と関
わっているので、形状が連続的に変化し続ける振動中の物体に対しては、理論をあて
はめるのが困難になります。

・平行に配置した２枚の紙の間に空気を吹き込むと、バタバタと振動しますが特定の
音程を決めるのは困難です。紙をピンと張ってそのエッジに空気を吹きつけると、紙
の張力によって音程が変化しますので、こちらのほうが声帯振動のモデルに近いと考
えました。
・オーボエ等の複式リード楽器では、リードの弾性によって気道を開き、ベルヌーイ
力によってリードを閉じる（気道を閉じる）ように動作するのですが、声帯は通常は
開きっぱなしであり声を出すときだけ気道を閉じるので、複式リードとは逆の動作を
するように思います。
・ハーモニカは共鳴管を持ちませんが、その音程は圧力や流速に関わらずリードに
よって決まるので、ベルヌーイ力はあまり音程に影響しないだろうと思い、考えない
ことにしました。（だめ？）

以上が私の考えの根拠なのですが、検証するには酸素入りヘリウムの充満した部屋
で、楽器を吹いて実験してみるしかないか。二酸化炭素を吹きつけて逆の結果が得ら
れればいいか。
いや、ハーモニカの音程が決まるのは、リードの振動特性が良過ぎるからかもしれな
い。
弾いても音が出ないくらいフニャフニャの物質でリードを作ってみなくちゃだめか。
でも声帯がフニャフニャだったら、共鳴管で振動数が決まってしまうから、これも現
実的でないか。
（笛のようなエアリード楽器は、共鳴部だけで音程決まるからだめだし。）

検証方法を考えていたら、回答が遅れてしまいました。　結局考えつかなかったの
で、「自信なし」にしました。

回答No.3

siegmund

ヘリウムボイスとかドナルドダック効果とか言われている話ですね．
問題は意外に複雑な気がします．

kyaezawa さんご紹介のＨＰのように，音速が変化するから，
という説明は私もどこかで見たことがあります．
あまり気に留めていなかったのですが，
よく考えてみると単純に音速変化ではどうもまずい気がします．

No.1 の回答のお礼に eaglehawk さんが書かれているように，
空気中に出たらもとのままです．
大体，振動数は変化しませんよね．
これは frank さんも書かれているとおり．

frank さんは
> 音速が2倍になれば、1秒間に伝わる音波の振動数も2倍になります
と書かれています．
(１秒間に，はちょっと意味が分かりませんが)
音に限らず波動には
(1)　　(波の速度)＝(波長)×(振動数)
の関係があります．
だから，何が固定されているかが問題で，固定されているのは振動数です．
別の媒質の中に波が入れば速度と波長が変わります．
frank さんの
> 音速が2倍になれば、1秒間に伝わる音波の振動数も2倍になります
では波長を固定していることになってしまいます．

ですから，ヘリウムを吸うと声が高く聞こえるというのは，
口(？)の中で既に声の振動数が高くなっていると考えざるを得ません．
で，音波の原因は何かが振動してそれが空気の疎密波になるのですから
(当然振動数は同じ)，
その何かの振動数が高くなっているということです．
「何か」は声帯ですね．

人間の発声機構まで踏み込まないといけないようです．
声は声帯を開いたり閉じたりして出しているわけですから，
1秒間に何回声帯が開閉して呼気の流れを断続させたかが声の高さになります．
そうすると，声帯の振動を制御する機構が問題ですね．
咽頭の筋肉の他に，呼気の流れ自体が声帯を内側に吸い寄せる効果がありますから，
気体の種類が関係するのはそういうところでしょうか？

あと，口の中などで共鳴を利用して音色を変化させているのですが，
振動数自体は変化しません．
気体がヘリウムになると，波長が変わりますから共鳴周波数も変化し，
音色変化の様子も当然変わります．

あれ，ヘリウムボイスは音色が変化しているだけかな？
いや，やっぱり音色だけじゃなくて振動数も高くなっていますよね．

お礼

回答どうもありがとうございました。
お礼が遅れてすいません。返答はNo3に対するのと同じなので
そちらのほうにまとめさせていただきました。

回答No.2

frank

前の回答の補足をします

音速が早いということは、その分だけ音の波が早く伝わるわけですね
音速が2倍になれば、1秒間に伝わる音波の振動数も2倍になります
そして、波は空気から水など別の物質の中に入っても速度は変わるが、振動数は変わらないという性質があります
（もし振動数が変わるならガラス越しに見た風景は違う色になっているでしょう）
音波の振動数の高さは音の高さになっています
（振動数が2倍になると音は1オクターブ上がる)
このため、音波がヘリウムガスから空気に伝わると、振動数が高くなったまま聞こえるのです

回答No.1

noname#24736

参考URLに説明があります。

参考URL：

http://www.hamajima.co.jp/rika-binran/physics/links.shtml

お礼

回答ありがとうございます。
私も、ここに書くまえに調べたのですが、
そこの解説には、ヘリウム中の方が
音速が速くその為に声が高くなるだと書かれていましたが、
口の中で音速が速くても
空気中に音が出たら、振動数は変わらなくなるのでは
と思い、ここに質問を書きました。
もし、その辺の事をご存じなら
教えて下さい。