ヘリウムガスの声変わり・・・結局の所

No.8の補足への回答です。

１の場合、２の場合とも、理屈の上ではそうなるだろうと予想しますが、実験しようとするとなかなか大変だと思います。
演奏会のプログラムだと思いますが、こんなものを見つけました。
http://www.idrs.org/conference/rotterdam/index.9 …
ここの6.Main Programを開きますと、ヘリウムを吸ってオーボエ(「弱いリード」楽器の一種）を吹くという演奏があったことがわかります。末尾の注の16に「Micha Hamel: new work for piccolo oboe and helium gas」というのがあって、ヘリウムを吸ってオーボエを吹くと音程が高くなるという説明があります。

ＣＤコンポの場合ですが、やってみないとわかりませんが、ヘリウム中でスピーカを鳴らすと周波数特性が変わり、音質が変化するかもしれません。しかし、これはヘリウム声のメカニズムとは異なります。

すなわち、私がNo.3の最後に書いたグラフィックイコライザの件は、No.6様の指摘がある通り、まちがいです。

発声の場合は、のどから口にかけての周波数特性を複雑に変化させていろいろな母音を発音しているわけですが、オーディオ装置では周波数特性は時間的に一定です。かたよった周波数特性の音響装置に人声を通すと、音質が変化して自分の声でないような音になるかもしれませんが、周波数特性が時間的に変化して生まれるヘリウム声の効果は出ないと思います。

No.7の補足への回答です。

（１）声帯は、基本振動と倍振動を同時に発生しています。たとえば、基本振動数 110 Hz で発声しているとすると、
110, 220, 330, 440, 550, 660, 770, 880, 990, 1100, 1210, 1320, 1430, 1540, …　Hz
の振動が同時に発生しているのです。

（２）ここで、口やのどをうまく動かして、共鳴振動数を700 Hz と 1300 Hz に調節したとします。すると、上に並んだ振動数のうち、共鳴振動数に近い660 Hz ～ 770 Hz の付近と、1320 Hz の付近が強められて口から出てくることになります。

（３）この声を他の人が聞くと、(たとえ基本振動の110 Hzが減衰して聞こえなかったとしても）倍振動の間隔を脳が判断して、《音程としては》110 Hz （音階のラの音）に聞こえます。しかし、700 Hz 付近、1300 Hz 付近が強調されているため、聞き手の脳がこれをフォルマントと判断し、《母音としては》「あ」に聞こえます。

（４）今度は、声を高くして　131 Hz で発声したとします。このとき声帯は、
131, 262, 393, 524, 655, 786, 917, 1048, 1179, 1310, 1441, 1572, 1703, 1834, 1965, 2096, 2227, 2358, … Hz
の振動を発生しています。口とのどの形が（２）と同じなら、このうち655～786 Hz 付近、1310 Hz 付近が強調されて口から出ます。

（５）この声を他の人が聞くと、《音程としては》131 Hz（音階のドの音）と判断し、《母音としては》「あ」だと判断します。

（６）ここで、口の形を変えて、共鳴振動数を500 Hz と 1700 Hz に変更しますと、今度は524 Hz 付近、1703 Hz 付近が強調されて口から出ます。これを他の人が聞くと、《音程としては》131 Hz (ド）のままですが、フォルマントが変わり、《母音としては》「え」だと判断します。

（７）ここで、ヘリウムを吸って発音します。基本振動数と口の形はそのままを保つように努力します。ヘリウムの影響で共鳴振動数が1.3倍になったとします。すると、（４）の列のうち655 Hz付近、2227 Hz 付近が強調されて口から出ます。

（８）この声は、《音程としては》131 Hz (ド）のままですが、フォルマントが変わり、《母音としては》一応「え」と聞こえる範囲ではあるけれど、本人の普段の声とは異なった「変な発音」として聞こえます。これがヘリウム声です。

（９）こんどは、（６）の声（正常な「え」）を録音して、テープを1.3倍早回しして再生します。すると、聞こえる音は全部1.3倍の振動数になり、
170, 340, 510, 680, 850, 1020, 1190, 1360, 1530, 1700, 1870, 2040, 2210, 2380, 2550, … Hz
となります。元は524 Hzと 1703 Hz が強調されていたので、1.3倍早回しでは 680 Hz, 2210 Hzが強調されます。これは、（８）とほぼ同じフォルマントですから、《母音としては》ヘリウム声と同じような「変な発音」に聞こえるでしょう。一方、《音程としては》元より高くなり170 Hz（ミとファの間ぐらい）に聞こえます。

◇◇◇

共鳴振動数が強調される理由は、声帯からのどの空気にエネルギーを伝える効率の違いといえます。浴槽に手を入れて波をつくると、ある振動数のときだけ水が大きく揺れます。これは、水の共振振動数と手の振動数が一致したときに、手から水に効率よくエネルギーが伝達されるからです。

声帯の場合も、共鳴振動数に一致（または近い）振動は効率よくエネルギーが空気に伝達されますが、共鳴振動数から遠い振動はうまくエネルギーが伝わらず、熱として散逸することになります。

◇◇◇

楽器については、木管楽器の場合は音程を決めるのは管の共鳴振動数です。発音体(リード)そのものは管の空気と一体となって振動し、音程を決める働きがありません。一方、ハーモニカ、アコーディオン、リードオルガンの発音体は、それ自身が一定の振動数を持っています。弦楽器の場合もこれと同様です。人の声帯も、それ自身が音程を決めることができるので、後者の一種と考えられます。
（参考）
http://bassoonist.m78.com/orch/instruments/free_ …

No.3です。

No.6様、貴重なご指摘ありがとうございます。ヘリウム音声を作るには、グラフィックイコライザではなくて、「テープの早回し」をしなければならない！　これで謎が解けたといっていいでしょう。ヘリウム音声の一般向け解説はたくさんあるけれど、この重要な点に触れなかったことが、多くの人が納得できない原因だと思います。

（１）まず、母音のフォルマントの解説を見てください。
http://homepage3.nifty.com/isd-hp/TEXT/ISD5-3.html

声の低い人、高い人はいるけれど、「あ」は皆「あ」に聞こえるし、「い」は「い」に聞こえます。それは、基本振動数（周波数と振動数は同じ）は違っても、共鳴でピークになる振動数（フォルマント）がほぼ一致しているからです。つまり、たとえば男性なら0.8 kHz付近　と 1.4 kHz 付近が強調されるような口の形をすれば、「あ」に聞こえるわけです。人々は、幼い頃からの訓練で、母音の正しい共鳴振動数を作り出す技能を身に付けています。

（２）ところが、ヘリウムを吸うと、口の形が同じでも共鳴振動数が変わります。たとえば1.5倍になるとします。この男性が「あ」と発音しているつもりが、1.2 kHz と 2.1 kHzを強調してしまいます。図で見ると、女性の「ア」に近い声になるようです。

　ヘリウムを吸ったときに起こることは「声が高くなる（基本振動数が高くなる）」ではなく、「母音のフォルマントが高い振動数にずれる→変な発音に聞こえる」ということです。

次の資料は、ヘリウムを吸ったときのフォルマントの変化を調べたものです（英語）。
http://www.doane.edu/dept_pages/phy/hpp/generalI …
ここのRecent Presentationsの中にある「The Effect of Helium on the Human Voice: A Laboratory Activity」のpdfを見てください。いろいろな母音について、空気中とヘリウムを吸ったときとでフォルマントがどう変化するかをまとめています。ヘリウムを吸うと、フォルマントが高い方にずれることがわかります。

（３）テープの早回しでヘリウム声に似たものができるのもこれで説明できます。テープに録音された元の声は正しいフォルマントを持ちますが、早回しした音は、ヘリウム声と同じようにフォルマントが高い方にずれます。もっとも、テープの早回しではヘリウムと違って基本振動数も一緒に高くなります。

（４）声帯の基本振動数の方は、ヘリウム声に関係ないと考えてよいでしょう。歌を歌うとき、曲の中に音程の高いところや低いところがあります。高いところを歌うときは、基本振動数は高くなりますが、ヘリウム声になるわけではありません。日常、低い声や高い声を使い分けていますが、高い声を出したからといってヘリウム声にはなりません。

参考URL：http://www.doane.edu/dept_pages/phy/hpp/generalI …

>声帯の振動数が変わるなら、音程が変になって音楽としてつながらないはずです。

そんなことはありません。
昔、オラハシンジマッタダーという宇宙人声？のヒット曲がありましたが、あれは、ゆっくり歌って録音したものを、早回しで再生しており、早回しで再生した倍率倍に周波数が変わっていますが、音程が変にはなっていません。
私自身も、テープレコーダーの電池の本数を少なくして録音、通常の電池の本数で再生という遊びをしたことがありますが、音程が変にはなりませんでした。
ヘリウム声と、このときの声は、よく似てます。

>マイクからの声をグラフィックイコライザに通すことで、ヘリウム声と同じ音質を作れるか？

音質が変わるだけで、ヘリウム声のようにはなりません。

結論的にはNo.3の方と同じになりますが私なりの論理展開で。

まず、考えられる要素を全部挙げてみます。
１．声帯の発する音の高さが違う。
２．声帯の発する音は同じだが、共鳴周波数が変わる。
３．声帯の発する音も共鳴も同じだがヘリウム中を伝わるとき周波数が変わる。
この３つの説が全て出揃っています。

まず、３は完全に間違いです。
ドップラー効果が無いとすると、音が伝わる際、媒体の違いで音速が変わった時、
変わるのは波長であって、周波数は変わりません。
もし、周波数が変わるとすれば、一定時間内にある地点を通過する波の数が
変わるということですから、波の団子や波の空白ができることになり矛盾が起きます。

残るのは１と２ですが、２が起きる事は明白です。
理由は声が基本波の他に沢山の高調波(倍音)を含んでいる事実、
共鳴周波数は気体の密度に大きく関係している事実の２つです。

１についてですが、声帯の振動はクラリネットのリードの振動や
ギターの弦の振動に良く似ています。
気体の密度が全く無関係かどうかは分りませんが、
声が完全に変わってしまうほど影響を受けるとも思えません。

と言う事で、１も多少あるかもしれないが、声の変わる原因は２にあると思います。

声帯はスピーカーのように筋肉などで直接振動させているわけではありません。

声帯を通過する呼気流との作用によります。　声帯の緊張度合いによって、振動数は変化しますが、それだけで振動数が決定されるわけではなく、声帯に続く口腔の形状などにも影響されます。
つまり、発生する音の波長と声帯や口腔の大きさの間には相関関係があると考えられます。
そのようなことから、呼気の音速が変われば、波長が同じでも振動数が変わるのだと思います。

http://www2s.biglobe.ne.jp/~n_kawa/science/heliu …
このページですが、実験自体は立派なのですが、最後の【更に詳しく】の説明が大嘘（まるっきり誤解を与える文章）なので、誤解を広げているように思います。

上の実験は、実は、気柱の共鳴振動数を調べるものです。

（参考）
http://www.vbl.hiroshima-u.ac.jp/Stream/TEBIKI/g …

空気の入った管の共鳴では、管の長さと波長が一定の関係になる振動数が共鳴振動数になります。たとえば、一端が閉じられた管では、およそ管の長さの1/2, 3/2, 5/2, …の波長の音に共鳴します。

空気をヘリウムに替えると、v=fλ（v:音の速さ　f:振動数　λ:波長）の関係において、vが大きくなるので、同じfに対してはλが大きくなり、同じλに対してはfが大きくなります。したがって、管の中の気体を空気からヘリウムに替えると、共鳴振動数が大きくなります。

管楽器では、共鳴振動数を利用して音程を決めているので、楽器の中にヘリウムを詰めたら音程が高くなります。

人の声のもとは声帯で作られますが、この音は１つの振動数の音でできているのではなく、基本振動に加えて多くの倍音（２倍、３倍、…の振動数の音）が含まれています。実際に口から出る音は、喉頭から口にかけての「管」で作られる共鳴によって、ある倍音の振動数が強調されて出てきます。同じ音を「ウー」と出しながら口やのどを動かすと音質が変わることがわかります。

ヘリウムを吸い込むと、共鳴振動数が高くなるため、「基本振動数は変わらないが、強調される倍音が変わる」ということで、これが声が高く聞こえる原理です。

http://www.phys.unsw.edu.au/PHYSICS_!/SPEECH_HEL …
ここに詳しい説明があって、英語なのですが、途中のWhat helium does to speechのところのグラフをみると感じがわかると思います。また、「声帯の筋肉の緊張度が等しいとき、空気とヘリウムでは気体の密度の違いにより声帯の振動数が変わりうるが、その変化はわずかである」との説明もあります。

さて、実験の提案です。（いま私のところではできないので）
(1)歌をうたっている途中でヘリウムを吸ったらどうなるか
　声帯の振動数が変わるなら、音程が変になって音楽としてつながらないはずです。共鳴振動数がかわるだけなら、声は高く聞こえますが、音楽としての音程は正しくつながるはずです。
(2)マイクからの声をグラフィックイコライザに通すことで、ヘリウム声と同じ音質を作れるか？
　これがYESなら、共鳴説の傍証になります。

参考URL：http://www.phys.unsw.edu.au/PHYSICS_!/SPEECH_HEL …

ずばり、

声帯の振動数に変化がありません、というのが間違いと思います。

私は、音波では無く電波関係の仕事をしておりますが、誘電体の種類（誘電率）によって、共振周波数が変わるのは周知の事実です。

電波の誘電体は、音波では気体に相当すると思います。
つまり、空気からヘリウムに変わったことで、声帯の振動周波数が高くなっていると思います。

以上は、電波と音波は同じ波の性質を持っているということから、電波の常識をあてはめた結果です。

また、普通に考えても、No.1の質問者さんのコメントと同じように納得できません。

同じく気になったので、調べてみました。

音は空気の振動であり空気中を伝わる疎密波ですから、振動数が多くなると音が高くなります。
そのため、音を高くするには、発音体の振動数を多くする必要があるのです。
声の場合は声帯で振動数を変えて、声の高さを変えているということになります。
しかし、ヘリウムガスを吸って音が高くなるときは、声帯の振動数を変えていません。声帯の振動数に変化がありませんから、音の疎密波の波長（１回の振動）は空気の中でもヘリウムの中でも変わらないことになります。
このことから、ヘリウムガス自体に原因があることになります。では、どの点に原因があるかというと、ヘリウム自体の分子量が関係します。
音速は、分子量の平方根に反比例して速くなるため、密度の小さいヘリウム中を進む音の速さは高くなるのです。空気中では１秒間に約３３０ｍの速さで伝わる音が、ヘリウム中では１秒間に約９７０ｍの速さで伝わることになります。
音の波長は変わりませんから、３３０ｍ中に入っている振動の数よりも、９７０ｍ中に入っている振動の数の方が多くなります。
人間の耳は、空気の３３０ｍ中に入っている振動の数を１秒で聞き取り、ヘリウムの９７０ｍ中に入っている振動の数を１秒で聞き取ります。
同じ１秒間に聞き取る振動の数が多いということは、発音体の振動数が多くなるのと同じで音が高く聞こえることになるのです。

・・・と、↓に書いてありました。参考にしてください。

参考URL：http://www2s.biglobe.ne.jp/~n_kawa/science/heliu …