搞笑诺奖：在充满氦气的房间里来上一段B-BOX会怎样？

科普中国-科普融合创作与传播 2020-09-24 作者：可可（中国留日同学会）

　　一年一度的搞笑诺贝尔奖又来啦！今年的获奖研究还是一如既往的充满脑洞，其中的声学奖颁发给了敢于让扬子鳄吸入氦气的研究人员，他们借此巧妙地揭示了扬子鳄的发声机理。

　　让扬子鳄吸入氦气，再观察其叫声变化，这种方法相比于解剖扬子鳄更加人道。研究结果发现，氦气室中扬子鳄的叫声真的发生了变化，而且它们沉闷的嘶吼听起来像唐老鸭的声音一样滑稽。

　　扬子鳄和唐老鸭图源：维基百科

　　扬子鳄吸入氦气后发出的声音音调变高，说明它们和人类拥有类似的发声机理——气道共鸣。虽然研究人员们在论文中强调称，这项研究的结论可能对恐龙的叫声研究有所启发，但研究团队的核心成员，京都大学灵长类研究所的西村刚副教授在接受记者采访时却坦率承认，该研究好像没啥社会价值……

　　不过搞笑诺贝尔奖的主旨就是要奖励令人发笑但又引发思考的研究，扬子鳄变声实验也确实能够引发各种奇思妙想，比如氦气能让音调变高，有没有什么气体能让音调变低？双簧管和三角铁，哪个会发生氦气变声现象？氦气室中的鸟类和昆虫叫声会有变化吗？存不存在不受氦气影响的发声方式？下面我们就来为大家解答这些疑问。

　　物理学告诉你变声的奥秘

　　氦气在空气中含量极为微小，是稀有气体之一。由于化学性质极不活泼，吸入氦气对身体并没有什么伤害。常见的变声整蛊道具是氦气和氧气的混合气体（氧气含量20%），之所以要在其中掺杂氧气，主要是为了避免出现窒息危险。

　　那么，人类吸入氦气后为什么会变声呢？这还要从人类发声的原理说起。人类的口腔和喉咙、包括下方的气管相互连接，形成内部充满空气的管状结构，其中包含发声器官——声带。在物理学上，这种内部含有气体的管可以抽象成气柱模型。

　　人类发声时，肺部气体通过气道，并在声带处发生共振，振动通过空气传出口腔，就形成了我们耳中听到的声音，其物理原理和气柱模型完全一样。由于声带和整个发声气道的共鸣效应，人类不费多大力气就能让自己发出足够清晰的声音。

　　声带俯视图，图源：维基百科

　　相信大家都有过向长塑料管中吹气的经验，当气流速度达到一定程度时，管就会进入共振状态，管壁迅速抖动，同时产生尖利的哨音。从声学角度来说，我们也把这种能够发声的共振称为共鸣。无论是贯通管还是盲管，都会发生类似现象。而气柱模型要解决的问题就是什么条件下会发生共鸣。

　　根据物理学原理，管中气体发生共振（只考虑基本振动）的条件由f=v/L这个非常简单的公式来表达，其中f为共振频率，v为该气体中的声速，L为气柱的长度。而对于给定的气柱而言，L是恒定值，也就是说共振频率往往只和管内气体声速有关。气体声速受温度和压力影响，通常的室温、一个标准大气压下，空气中的声速大约是每秒340米。

　　而氦气中的声速在室温、一个大气压下约为每秒1000米，氧气约为每秒330米。一般的变声气体中氧气约占20%。由此可以算出变声用的氦氧混合气中声速为1000×0.8＋330×0.2＝866 米/秒，这一数字大约是空气中音速的2.5倍。产生的结果就是，当气道内充满了氦氧混合气，声带振动频率会达到平时的2.5倍。由于音调与振源的振动频率成正比，吸入氦气后音调就会因此升高。

　　气柱模型相关的公式推导作者自制，仅供参考

　　氦气因为声速极大，因此可以让吸入者的声音频率变高，那么，有没有什么办法可以让声音变得低沉呢？答案当然是寻找声速更低的气体。二氧化碳声速比空气低，大约是每秒260米，但这和空气中的声速区别不够大，降低音高的效果也不明显。还有很多气体中的声速更低，例如氟利昂-113（53摄氏度时每秒124米）、四氯甲烷（22摄氏度时每秒133米）、氪（每秒220米）、氙（每秒178米）、六氟化硫（室温下每秒134米）。

　　但与氦气相比，以上气体要么成本极高（如氪），要么存在剧毒（如四氯甲烷），要么有麻醉效应（如氙），要么会破坏臭氧层（如氟利昂-113），唯一无毒的六氟化硫还有很强的温室效应（二氧化碳的23000倍）。因此，除非是在大学的物理课堂上演示气体变声效应（此时多用六氟化硫），一般生活中很少能见到与氦气有相反变声效果的娱乐气体。

　　氦气室中的变声实验

　　除了通过吸入氦气让人的声音发生变化外，我们还可以制作一个氦气室，在其中进行各种有趣的声学实验。不过因为这个工程需要大量使用氦气，具有一定的危险性，因此不建议在一般家庭中尝试。

　　扬子鳄变声实验中搭建氦气室的示意图图源：参考文献 6

　　首先我们来看，在氦气室中，乐器的声音会如何变化？

　　乐器发出声音的原理多种多样，以最为常见的管乐、弦乐和打击乐器为例。管乐器和声道类似，都是气柱结构，因此如果我们在充满氦气的房间内吹响长笛，它的音调将会升高。弦乐器是由弓和弦之间的摩擦令琴弦发生振动从而产生声音，并非气柱结构，因而不会产生音调变化。三角铁或者鼓一类的打击乐器凭借被击打部位的振动发声，在氦气中音调同样不会变化。

　　有读者可能会问，氦气室中满是氦气，氦气中的声速那么快，为什么其中三角铁的音高不会发生变化？这里要注意，音高只与音源频率有关，与传播介质中的声速无关。只要音源的频率不变，在任何传播介质中的音高都应该是一样的，介质声速快不过是让人耳听到声音的时间提前一丢丢而已。同样的道理，氦气室内的音箱、麦克风、电话等声学设备同样不会有音调变化。

　　图中哪些乐器会在氮气室内发生音调改变？图源：Freepik.com

　　其次来看看动物，蛙鸣和蝉鸣，哪个会在氦气室内变声？

　　从进化角度来看，气道共鸣是动物进化过程中的一种趋同效应。在自然界中，不光是人类在内的哺乳类动物会用气道共鸣的方式发声，大多数脊椎动物也会用这种方法，只不过不同种类的生物采用的发声器官有所不同，哺乳类大多采用声带作为发声器官，鸟类采用的是鸣管，而两栖类中的青蛙则使用鸣囊。这些发声器官的内部构造千差万别，但总体而言都符合物理学上的气柱模型，也都会受到氦气的影响。因此如果给狗或者鸭子吸入氦氧混合气，它们一样会发出更加尖利的声音。

　　蛙类用来增强气道共鸣的鸣囊作者：Benny Trapp 图源：维基百科

　　而爬行动物在各种脊椎动物中属于发声器官发育滞后的群体，除了部分种类的蜥蜴和鳄鱼，大多无法发出像样的声音。扬子鳄能够发出音频非常低沉的吼声，本次获得搞笑诺贝尔奖的团队给扬子鳄吸入了氦氧混合气后，威风凛凛的扬子鳄就变成了唐老鸭。

　　此外，虽然并非脊椎动物，但昆虫也是制造声音的高手，只不过它们并不采用气道共鸣的方式，而主要以摩擦形成振动发声。因此即便是处于氦气中，昆虫鸣叫的声音频率也不会发生变化。

　　想要不受氦气的影响，你要学会这种发声方式

　　虽然用氦气整蛊别人十分有趣，但我们自己可不想被整，那么有没有可能让自己不受氦气的影响呢？你别说，还真有。

　　我们已经知道声带振动频率的改变是氦气变声依据的原理，也就是说如果发声过程中声带不发生振动，氦气变声效应就会消失。而声带是否振动与发声时的具体音节有关，发清音音节时声带不振动，只有发元音和浊音音节声带才会振动。

　　绝大部分语言中的清音都是辅助成分，声带振动时发出的元音和浊音是人类能够清晰饱满表达自己意思的关键。但有些语言清音所占的比例极高，甚至出现个别词汇乃至短句完全不依赖元音的情况，这类语言的使用者将会比较少受氦气变声的影响。

　　例如，生活在加拿大不列颠哥伦比亚省贝拉库拉一带的努哈尔克人的母语努哈尔克语，就允许在很长的一串清音中不插入任何元音或浊音，使语言学中“音节”的概念受到了挑战。但目前世界上能够流利使用该语言的人数少于10人，因此想要学会这种语言恐怕有点难度。参考文献5中是努哈尔克语的示范朗读，强烈建议大家前往感受。