声が変わるガスを吸うとなぜ声が変わるのですか？

Question

今、テレビ声が変わるガスを吸ってタレントたちが遊んでいます。
声が変わるガスを吸うとなぜ声が変わるのですか？

声が変わるわけを科学的に教えてください。

brassard · Accepted Answer

まず、そのガスはヘリウムガスです。

↓のサイトに書いてありました。

参考URL：http://www2s.biglobe.ne.jp/~n_kawa/science/helium/helium.htm

hatman34 · Answer

No1の御回答に、納得できないんですが。

URL見てみたんですが（前から私も不思議に思ってたんで）、声帯の振動数がヘリウム中でも変わらないんなら、やはり耳に聞こえる振動数も変わらないと思います。
肺から吐き出されるヘリウムガス中では声帯の振動がやはり変わるのでは？
もう一つの可能性としてはヘリウムの音波伝達の特性としてハイパスフィルタの特性があれば、基本周波数成分が減衰して高調波成分が強調されるという可能性もありそうですが。

横レスですみません

noname#108554 · Answer

なるほど？すると、最も重い気体であるラドンを使うと
声は低くなるわけですな。

No.1さんの理論を検証するには、
1.本当に聞こえる音は、周波数が約3倍になっているか？
2.ラドンを使った場合、理論どおり低くなるか？
を調べればいいわけです。

回答になってませんが、なんか面白そうなので。。。

ticky · Answer

声帯の振動数自体は変わらないのですが、
ヘリウムは軽いので、分子が素早く動くので音速が速くなり、その結果、口（喉）の中で、高い音で共鳴するようになるようです。

参考URL：http://tbcc.todo.ne.jp/morgue/he/

First_Noel · Answer

これはロケットのノズルなど，流体力学の管路径が変化する場合の
気体の振る舞いに関係していると思います．
流速は異なりますが，こういう場合，流速は分子量の平方根に逆比例しています．

空気の平均分子量は２８．８
ヘリウムの原子量は４
その平方根比は，約２．７

siegmund · Answer

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=75059
に相当突っ込んだ議論がありますが，
最終的解決にはもう少しのようです．

○ 単にヘリウム中の音速変化では説明できません．

○ 多分，発声機構と深く関わっているのだと思います．

○ hatman34 さんご指摘のようにヘリウムガスがハイパスフィルターに
なっている可能性もありますが，可聴音波領域ではどうでしょうかね．
ちょっと自信がありません．
ハイパスフィルターというよりは，空気に比べて高音の減衰率が小さいと
言うべきでしょう．
構成分子が軽いほど振動に追随しやすいですから，

○ 前のスレッドでは思いつかなかったのですが，hatman34 さんのご指摘を
見ていて，もうひとつの可能性に気がつきました．
一般に音波は媒質の境界面(今はヘリウムガスと空気)を通過するときに
一部が透過し，一部が反射します．
透過率と反射率は両媒質の音響インピーダンスと関係しますが，
音響インピーダンスは周波数に依存します．
この機構で結果的に高音が強調される可能性もあります．
今，ちょっとそこらへんの本調べたところでは，
音響インピーダンスの周波数依存性がわかりませんでした．

○ ibm_111 さんのラドンの話はなかなか面白いです．
でも，ラドンはおやめになった方がいいです．
ラドンは放射性で，建材から発生するラドンによる被曝は
住宅気密性による換気回数の減少と関連して，
大分問題になっています．
ま，本当に実験されるとは思いませんが(^^;)

anisol · Answer

難しいことはわかりませんが、とりあえず実験してみました。
1位の水素3つと2位の水素1つがフッ素で置換された炭素数2の脂肪族炭化水素（※）を吸って声を出すと、確かに声は低くなりました。このガスは空気より約3.5倍重い（分子量からの単純計算）。このガスを吸ったとき、吸わないときそれぞれの声を波形編集ソフト（Cool Edit 2000）で取りこみ、表示モード"Spectral View"で比較してみました。声帯の基本周波数は以下の通りで、これは吸ったとき、吸わないときで違いは見られませんでした。
声帯の基本周波数[Hz]
あ　120
い　140
う　140
え　110
お　130

それに対して声道の共鳴（フォルマント？）は確かに周波数の低いほうへ移動しているようでした。
声道の共鳴と見られるピーク[Hz]、吸わないとき　→　吸ったとき
あ　2500　→　2100, 3000
い　2400, 3300　→　1900
う　?　→ ?
え　2100, 2900　→　1600, 2300
お　2800, 3300　→　2200, 2700, 3300
（サンプリング周波数8kHzのため4kHz以上の成分は不明）

（※）やたら真似されても困るのであえて遠回りな書き方。危険性（窒息だけではない）が分かる方のみ自己責任で実験してください

hatman34 · Answer

No2のものです。

No7さんの回答を拝見して、分かったような気がします。

振動体に共鳴箱がくっついた発音体では、音の高さ（基本振動数）は「音速/（共鳴箱の長さ÷４）」で決まりますね。（ただし、片端開放、他端閉塞の場合）
したがって、ヘリウムの場合音速がはやくなり、共鳴箱すなわち口腔は不変なので、高音（高振動数）になるんですね。

No2では、「基本周波数は変わらないけど、高調波が強調されるのでは」という可能性を言いましたが、それは間違ってたようです。基本周波数自体が声帯で決まるのではなく、共鳴周波数で決まるんですね。

もちろん、口腔は試験管のような1次元的な共鳴体ではないので、基本周波数もいくつかありそうですが。また、声帯もどんな周波数にでも共鳴するわけではない（ある範囲の周波数に共鳴する）と思います。

いずれにしても、音響工学の専門家にとっては明快に説明できることだと思います。でも、WEB上には明快な説明は見つかりませんね。どっかにあるのでしょうか。

anisol · Answer

あ、「確かに声は低くなりました」という文で誤解を招いたかもしれませんが、声帯振動の基本周波数は変わっていません。正確に言いなおすと「確かに声が低くなったと"感じ"ました」ということになります。
人間の声は声帯振動の高調波を、声道の共鳴によって強調することで作られるようです。
下記URLの＜音源波形とフォーマント＞の図が分かりやすいかと思います。
http://web.sfc.keio.ac.jp/~iwatake/2000-9.html
先の実験の結果からヘリウムガスを吸った場合について予想してみると、声帯振動の基本周波数は変わらないが、声道の共鳴周波数、つまり強調される高調波の周波数（フォルマント）が高くなるものと思われます。そのとき人間の耳には、基本周波数は変わってないにもかかわらずあたかも声が高くなったかのように感じるんじゃないでしょうか。認知心理学なんかが関係してきそうな問題に思えます。

hatman34 · Answer

No2,No8のものです。

No9さんの示されたURL読んで、分かりました。自分でも検索してみた結果も含めて纏めてみます。

１．声は声帯で発生して、声道（咽頭腔、口腔、鼻腔）の共鳴によって音色・高さが決まる。

２．声帯が発生する原音は（空気かヘリウムかに依存しない）基本周波数を持つ。
基本周波数は筋肉の緊張などによる影響、個人間のばらつき、性別によって変化する。
成人男性では、基本周波数の平均値と標準偏差はそれぞれ125Ｈｚ及び20．5Ｈｚ
http://wwwsoc.nii.ac.jp/asj/contents3/q_and_a/asj-answer-58.html

３．声道の共振の周波数特性は、単純に言うと「音速/（共鳴箱の長さ÷４）」に最初のピーク（第一フォルマント）を持つ。
平均的な声道Lの長さは、男で17cmなので、最低の共鳴振動数f1は、f1=344/4×0.17=505.9Hz程度になる。
（No9さんご紹介のURLより）
http://web.sfc.keio.ac.jp/~iwatake/2000-9.html 

４．ヘリウム中では、音速が約３倍なので、第一フォルマントをはじめとする共振周波数特性が高周波側にシフトするので、高い声に聞こえる。

補足
学校では「音の高さは、基本周波数で決まり、波形（高調波成分の混じり方）によって音色が決まる。振幅で音の大きさが決まる」と習いましたが、これは、基本周波数のエネルギーが大きい場合なんですね。
音源に直結した共鳴箱の一番低周波がわのピークが基本周波数よりかなり高い場合は、その周波数を音の高さと感じるんですね。N09さんが言われるように、定量的には認知心理学の問題になりそうですね。

いい勉強になりました。

ヘリウムとは直接関係ないですが、下記URLも参考になりました。

参考URL：http://frobenius.mis.hiroshima-u.ac.jp/~sumida/suen/suenindex.html

声が変わるガスを吸うとなぜ声が変わるのですか？

まず、そのガスはヘリウムガスです。

No1の御回答に、納得できないんですが。

なるほど？すると、最も重い気体であるラドンを使うと

声帯の振動数自体は変わらないのですが、

これはロケットのノズルなど，流体力学の管路径が変化する場合の

難しいことはわかりませんが、とりあえず実験してみました。

No2のものです。

あ、「確かに声は低くなりました」という文で誤解を招いたかもしれませんが、声帯振動の基本周波数は変わっていません。

No2,No8のものです。

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