Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Многие животные также могут извлекать звуки с помощью своей гортани. Некоторые даже умудряются контролировать частоту и амплитуду издаваемого ими звука, управляя мышцами гортани или размером вокального тракта. Некоторые, например говорящие попугаи и скворцы, могут столь мастерски управлять мышцами гортани, что им удается подражать человеческому голосу. Но только человек способен издавать такую богатую гамму звуков.

При шепоте голосовые связки расслаблены, так что поток воздуха проходит, не вызывая в них колебаний. Легкая турбулентность потока приводит к образованию звуков, которые возбуждают некоторые форманты в вокальном тракте. Для того чтобы говорить шепотом, нужно контролировать вокальный тракт и менять его размер и форму, главным образом с помощью языка и губ.

Чтобы сопрано, исполняющую арию в сопровождении оркестра, могли услышать в большом концертном зале, она должна громко петь на частотах значительно выше обычной нижней форманты ее вокального тракта. (Ей необходимо издавать звуки в том диапазоне частот, где оркестр обычно звучит тише, а человеческое ухо слышит лучше всего.) Конечно, она может напрячь свои голосовые связки, чтобы извлечь звук на высокой частоте, и потом подстроить эту частоту под высокочастотную форманту своего вокального тракта, но при этом громкого звука не получится.

И громкость будет выше, и тембр пения богаче, если певица сдвинет нижнюю форманту в сторону более высоких частот и уже затем возбудит эту форманту. Для того чтобы сдвинуть форманту, она опускает нижнюю челюсть, открывает рот и раздвигает губы как будто в улыбке. Это эффективно уменьшает длину вокального тракта, то есть увеличивает частоту форманты, и тогда более высокие частоты из гортани могут возбудить первую форманту в вокальном тракте, что означает, что певица сможет петь громко на более высоких частотах. Однако за это придется заплатить: певица уже не сможет артикулировать определенные звуки, и поэтому слушателям будет непросто разобрать слова арии.

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 3.4и 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.