Щоб правильно зрозуміти це без зайвих «протиріч», давайте розберемо весь процес генерації і сприйняття звуку на 5 важливих, але абсолютно окремих частин. Потім ми продовжимо пояснення кожної частини, використовуючи кілька різних прикладів і фрагментів похідною логіки:

1. Вібрація голосових зв'язок
2. Передача енергії з голосових складок в повітря в голосовому тракті
3. Резонанс і Загасання в голосовому тракті
4. Передача енергії від кінця голосового тракту (рота) до навколишнього середовища
5. Прийом і сприйняття звуку іншою людиною.
   

зараз:
1. Частота, створювана голосовими складками, залежить від напруги, що чиниться на них і навколишні м'язи. Це нервово-м'язовий процес, на який НЕ впливає гелій або будь-який інший газ (по крайней мере, в короткостроковій перспективі).

Таким чином, наші голосові складки продовжують вібрувати на тій же частоті в гелії, що і в звичайному повітрі.
2. Звук створюється передачею вібрацій, що виникають в голосової зв'язці, в повітря в голосовому тракті. Ця «передача» не відбувається ніякої магією. Голосові складки - коли вони вібрують - штовхають і витягають стовпи повітря в безпосередній близькості, не сильно відрізняючись від того, як ви можете штовхати дитини на гойдалці через певні проміжки часу, щоб викликати стійкі коливання і короткочасне задоволення. ( «Тяга» в цій аналогії забезпечується гравітацією).

Справа в тому, що дитина коливається з тією ж частотою, з якою ви штовхаєте гойдалки. тобто якщо ви натискаєте на свінг один раз кожні N секунд, дитина також виконує свінг один раз кожні N секунд. Це вірно незалежно від ваги дитини, вірно?

Точно так же повітря в голосовому тракті також вібрує на тій же частоті, що і голосові зв'язки. Цей факт також справедливий, незалежно від маси частинок повітря.

Іншими словами, частота звуку не змінюється незалежно від середовища, в якій він передається.

Перерва

Останній був офигительно. Частота звуку не змінюється? Тоді чому ж гелій звучить інакше, ніж звичайне повітря?

У той час як частота звуку не змінюється, ШВИДКІСТЬ звуку змінюється. Навіщо? Розглянемо це старе класичне фізичне рівняння:
Кінетична енергія = 0,5 * м * v ^ 2,

де m = маса, а v = швидкість (давайте поки не будемо говорити «швидкість»)
Тепер голосові зв'язки вібрують з тією ж силою N на тій же частоті T. Таким чином, енергія, яку він передає, повинна бути однаковою у ВСІХ середовищах.

Іншими словами, для даного постійного значення кінетичної енергії v ^ 2 обернено пропорційно масі частинок.

Це природно означає, що звук поширюється в гелії швидше, ніж в повітрі.

Тепер ми знаємо інше старе рівняння:

Швидкість = Довжина хвилі х Частота

Тепер, коли ми знаємо, що ЧАСТОТА звуку однакова в гелії і в повітрі, а швидкість звуку більше в гелії, це означає, що довжина хвилі звуку в гелії більше, ніж в повітрі. Це дуже важливий висновок, який безпосередньо пов'язаний з нашим наступним виведенням.

3. Тепер у нас є дуже важливий висновок для нашого кошеня - «Довжина хвилі звуку в гелії більше, ніж в повітрі».

Пам'ятайте, що голосовий тракт часто моделюється (спрощено) як відкрита або закрита трубка. Щоб оновити, чому це важливо, см. Вікіпедію .

Голосовий тракт насправді не циліндр, а досить складна форма. Це означає, що у нього є області звуження і розширення, які змінюються в залежності від положення вашої мови, напруги в тракті і ряду інших чинників.

Таким чином, в певному сенсі, в цих складних конфігураціях голосовий тракт може бути змодельований як серія трубок різного діаметра і різних рівнів «закриття» будь-якого отвору.

Тепер це означає, що різні частини голосового тракту, в залежності від їх геометричної конфігурації і матеріальних характеристик, резонують з різними хвилями звуку.

Зауважте, я сказав, що хвилі, а не частоти. Звичайною мовою, «частоти» часто використовуються, так як W і F безпосередньо пов'язані в загальному середовищі. Однак, навіть якщо ми змінимо середу, через яку поширюється звук, взаємодія звукових хвиль з відкритими і закритими трубками суворо залежить від його довжини хвилі, а не від його частоти.

Тепер було б непогано повернутися до висновку, що ми зробили з пункту 2 - «Довжина хвилі звуку в гелії більше, ніж в повітрі».

Це призводить нас до наступних КЛЮЧОВИМ / заключний висновок:
У голосовому тракті, заповненому гелієм:
1. Частоти звуку не змінюються
2. Довжина хвилі звуку змінюється
3. Оскільки довжини хвиль змінилися, частини звукового спектра, створюваного голосовими зв'язками, які послаблюються і резонують різними частинами голосового тракту, також змінюються.
4. Це призводить до того, що звуковий спектр виводиться поєднанням голосових зв'язок і голосового тракту в гелії, що відрізняється від вихідного звукового спектра в звичайному повітрі.
5. Це означає, що чисте розподіл енергій між високими і низькими частотами (або тембром) змінюється зі зміною звукового середовища. У той час як основна частота звуку (тісно пов'язана з висотою звуку) не змінюється.
Давайте подивимося на спектрограму двох зразків звуків, наданих в статті NSW.

На жаль, через умови експерименту два звуки не мають однакового змісту (вимовляються різні пропозиції), і тому на спектрограму не можна покладатися точно. Проте, основна частота в обох випадках приблизно однакова і тому підтверджує наш висновок про те, що висота звуку однакова. Оскільки в обох звуках використовуються різні слова, порівняння тембрів неможливо (оскільки відмінність в розподілі енергії, видиме на спектрограмі, можна віднести до різних сказаним словами).

Крім того, для простоти і легкості розуміння «мелодійна спектрограмма» була використана на користь вихідної, більш гучною спектрограми. Він був створений з використанням Sonic Visualizer.

Ми почали з обіцянки пояснення передачі і прийому / сприйняття звуку в П'ЯТИ частинах. Ми закінчили тільки з трьома. Давайте пройдемося по залишилися частинах дуже швидко.
4. Передача звуку з рота в повітря. Як зазначено в пункті 2, при зміні середовища частота звуку не змінюється, а змінюється довжина хвилі. Це означає, що єдиний ефект наповнення кімнати гелієм (а не тільки голосовим трактом) - це збільшення довжини хвилі звуку.
5. Вищевикладене не впливає на сприйняття звуку. Вухо і мозок разом - це, перш за все, ЧАСТОТНИЙ приймач. Вухо перетворює повітряні пульсації в коливання волоскових клітин, які потім перетворюються в синхронні імпульси на прикріплених нейронах. Оскільки синхронізація імпульсів корелюється ТІЛЬКИ з частотою, а синхронізація імпульсів - це те, що створює поняття висоти тону, тембру і т. Д., Ми можемо сміливо припустити, що вухо точно передає звук в мозок на основі частоти. Довжина хвилі не впливає на цей процес.

Однак вухо, як і голосовий тракт, нелінійно. Це означає, що він теж збирається послабляти / резонувати деякі звуки (специфічні нелінійні властивості равлики все ще вивчаються). Проте, ПОДОБАЄТЬСЯ голосового тракту, вухо / равлик є герметичною, заповнену рідиною камеру. На властивості равлики впливає не навколишнє повітря, а тільки рідина, яка, звичайно, може залежати від складу крові та інших біологічних факторів. Але НЕ безпосередня середу.

Таким чином, корінь всієї плутанини навколо виробництва і прийому звуку в альтернативних середовищах, таких як гелій, полягає в тому, що на нелінійні характеристики голосового тракту впливає навколишнє середовище, тоді як вуха - немає. От і все.