ヘリウムを吸うと声が高くなる　　犬の鳴き声や楽器はどうなるか？

　ヘリウムを吸って声を出すと声が高くなる。これはヘリウム中での音速が速いからである（分子が小さくて動きやすい分、音を伝える速度が速い）。音速の速いヘリウムを吸うことによって、声帯がそれだけ速く振動するようになる。（音の高い、低いを決めるのは音の振動数（周波数）であって、音の波長ではないことに注意）

　ヘリウム中の音速は室温、１気圧の下で1007m／秒（およそ1000m／秒）。
　酸素中での音速は同じく326m／秒（およそ330m／秒）。
　窒息しないよう酸素が20%混ぜてあるヘリウムガス中での音速は866m／秒となる
　1000×0.8＋330×0.2＝866m／秒
　（音速には加成性があるので、分圧をかけて合計する）。

　空気中の音速は344m／秒なので、ヘリウムを吸ったときの声帯中では空気の場合の2.5倍の速さで音が伝わっていることになる。この結果、声帯の振動数（周波数）も2.5倍となる。これはドの音と１オクターブ上のミの音の違いと同程度（ピアノの鍵盤の数で言うと16音違う）。

　音速が速いとなぜ振動数が大きくなるのかについてだが、高校物理で習う気柱の振動と同じ話である。気柱（両端が開いているタイプ）に空気を通すなどして、共鳴させるとする。このとき共鳴振動数（基本振動）は、気柱の長さをＬ（エル）、音速をＶ、振動数をｆとすると

　　　ｆ＝Ｖ／２Ｌ

　式は、「音の波長の半分＝気柱の長さ　となるところで共鳴する」を意味している。

　人の声帯など、管の中を気体が通って共鳴させるタイプの音源なら、ヘリウム中で音が高くなる。

　2005年6月25日放送の朝日放送「探偵ナイトスクープ」でこれに関して興味深い特集をやっていた。ヘリウムで人の声が高くなるけれども、犬の鳴き声は高くなりますか？という疑問について、ヘリウム＋酸素の部屋を作って、実際に実験していた。担当のディレクターが聡明な人らしく、犬だけじゃなく、他の音についても実験していたのだが、それが科学的に意味の深い事柄であった。


番組での実験結果

　犬の鳴き声・・・高くなる
　ガチョウの鳴き声・・・少し高くなる（よくわからない程度）
　ブタの鳴き声・・・よくわからない
　九官鳥の声・・・高くなる（人の声と同じ）
　坊さんの読むお経・・・高くなる

　トロンボーン（管楽器）・・・高くなる
　大だいこ・・・変化なし
　木魚・・・変化なし（少し響きにくくなるとコメント）
　スピーカーを通した声（人は空気中、スピーカーのみヘリウム中）・・・変化なし


　大だいこや木魚の音が変化しないのが重要で、これらの打楽器の振動数は、膜の張力やサイズなど楽器の方の物性値で振動数が決まるからである。これはギターなど弦楽器でも同じで、弦の張力、長さ、線密度で振動数が決まるので、ヘリウム中でも音の高低は変化しない（番組では弦楽器はやっていなかったが、このはず）。

　スピーカーを通した声は、スピーカー中の電気信号で強制的に決められた振動数で振動させられるので、ヘリウム中でも変わらない。

　打楽器、弦楽器、スピーカーを通した声は、極端な話、真空中でも同じ振動数で震えることになる（ただし、音は伝わらない）。

　トロンボーンなどの管楽器は、人の声帯と同じく管の中で気体を共鳴させるので、音が高くなる。九官鳥の出す人の声まねは、人の声帯と同じ。

　考察に困ったのが、ブタの鳴き声とガチョウの鳴き声。空気中とほとんど変わらない音の高さであった（少なくとも2.5倍の周波数にはなってなかったと思う）。これらの鳴き声は、声帯を振るわせるタイプでなく、ひょっとすると破裂音、摩擦音などで、気柱を振るわせるタイプとは違うのかもしれない。

　人の声でも母音だと単純に2.5倍に高くなるが、子音だと高くなり方が違ってくるかもしれない。唇を破裂させるＢ音、Ｐ音、いびきの音などはどのくらい高くなるのか、不明である（実験してみないとわからない）。




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