Если коротко. От гелия голос звучит писклявым, но ноты он почти не меняет. Высоту голоса задают голосовые складки, а они в гелии колеблются практически с той же частотой. Меняется другое: в гелии звук бежит примерно в три раза быстрее, чем в воздухе, и резонансы глотки и рта — форманты — уезжают вверх по частоте. Форманты отвечают не за высоту, а за тембр и за то, какую гласную мы слышим. Поэтому голос становится «мультяшным», а не выше на октаву. Попробуйте спеть одну ноту в воздухе и «в гелии» — музыкант услышит, что нота та же.
Я Ozven, композитор. Голос для меня — самый сложный инструмент в сессии: его нельзя перестроить колком, зато можно бесконечно менять «цвет». Фокус с гелием — лучший наглядный урок о том, как этот цвет устроен, потому что он одним движением разделяет две вещи, которые мы привыкли слышать слитно: ноту и тембр.
Источник и фильтр: кто в голосе отвечает за ноту
Физики описывают голос моделью «источник — фильтр». Источник — голосовые складки в гортани: они размыкаются и смыкаются, нарезая поток воздуха из лёгких на импульсы. Получается периодический сигнал, а у периодического сигнала спектр всегда состоит из гармоник: основной тон плюс частоты, кратные ему. Если складки колеблются 220 раз в секунду, гармоники стоят на 220, 440, 660 Гц и так далее.
Фильтр — это всё, что выше гортани: глотка, полость рта, губы. Это трубка длиной около 17 сантиметров, и у неё, как у любой трубки с воздухом, есть свои резонансы. Одни гармоники источника она усиливает, другие приглушает. Пики, которые проступают в итоговом спектре, и называются формантами. Как объясняет физик Джо Вулф из лаборатории акустики UNSW, высоту голоса определяют натяжение, масса и геометрия голосовых складок, а тракт работает как переменный фильтр: двигаете языком и челюстью — меняете его частотную характеристику.
Важная деталь, которая отличает голос от духовых инструментов. У флейты или трубы резонанс трубы и задаёт ноту. У голоса — нет: длина волны основного тона обычно в разы больше самого тракта, и по данным той же лаборатории резонансы тракта почти никогда не управляют высотой. Нотой командуют давление из лёгких и натяжение складок. Тракт только окрашивает то, что ему дали.
Для простейшей «нейтральной» гласной, как безударный звук в слове «мама», тракт ведёт себя как трубка, закрытая с одного конца. У автора страницы UNSW первые пять резонансов на такой гласной лежат около 500, 1500, 2500, 3500 и 4500 Гц. Запомните эти числа — сейчас мы их сдвинем.
Что делает гелий: та же трубка, другая скорость звука
Резонанс трубки — это волна, которая «помещается» в неё целиком: для трубки, закрытой с одного конца, на длину приходится четверть волны. Длина волны задана геометрией, а частота равна скорости звука, делённой на длину волны. Значит, если заменить газ внутри и скорость звука вырастет, при той же форме рта все резонансы поднимутся во столько же раз.
Скорость звука в гелии огромная. По справочным данным NIST при 20 °C и нормальном давлении она около 1008 м/с — против примерно 343 м/с в воздухе. Это в 2,9 раза быстрее. Если бы тракт был заполнен чистым гелием, нейтральная гласная получила бы первую форманту не на 500, а около 1470 Гц, вторую — около 4,4 кГц.
А гармоники при этом остаются на месте. Складки — это живая ткань, и их частоту задают мышцы, а не газ вокруг. В UNSW оговариваются: лёгкий гелий чуть иначе нагружает складки, так что небольшое изменение возможно, но эффект на резонансы несравнимо больше. Ещё в 1962 году в Journal of the Acoustical Society of America описали частотный анализ гласных после вдоха газа с высоким содержанием гелия: компоненты спектра сдвигались вверх, соотношения формант между собой почти сохранялись, а небольшой рост основного тона автор объяснил физиологией, а не акустикой.
Почему тогда кажется, что голос стал выше
Если нота не меняется, откуда ощущение писка? Причин две, и обе — в том, как мы слушаем речь.
Первая: формант — это всё, что мы обычно отслеживаем в разговоре. О высоте речи мы почти не думаем, мы следим за гласными и интонацией. Когда спектральные пики разом уезжают вверх, мозг получает яркий сигнал «всё стало выше» — и приписывает его высоте. В UNSW предлагают простой контроль: спеть одну ноту с гелием и без. Человек с музыкальным слухом услышит, что высота та же.
Вторая: у такого звука меньше энергии на низких частотах. Нижние гармоники остаются без резонансной поддержки, а усиливается верх спектра. Голос становится тонким и звонким — в лаборатории его сравнивают с Дональдом Даком. Шутка там точная: у утки тракт короче нашего, поэтому её резонансы выше даже в обычном воздухе. Короткая трубка и быстрый газ дают для формант один и тот же результат.
Миф: «гелий поднимает голос на октаву»
Октава — это удвоение частоты основного тона. Гелий основной тон практически не трогает, так что «на октаву выше» он не поёт. Ирония в том, что форманты в чистом гелии сдвинулись бы даже больше чем на октаву — почти втрое. Но это сдвиг тембра, а не ноты. В реальности газ в тракте смешан с воздухом, и сдвиг меньше. К тому же он неравномерный: в исследовании речи водолазов в гелиево-кислородной смеси форманты сдвигались вверх нелинейно, а их полосы расширялись до 14 раз. Для глубоководных водолазов это настоящая рабочая проблема: их речь под давлением так трудно разобрать, что для связи разрабатывали электронные «переводчики» гелиевой речи.
Обратный трюк: гексафторид серы
Логика работает и в другую сторону. Гексафторид серы — тяжёлый газ, звук в нём медленный: по тем же данным NIST около 134 м/с при 20 °C, в 2,5 раза медленнее, чем в воздухе. Форманты в нём уходят вниз, и голос звучит гулким басом великана. Высота основного тона при этом так же остаётся почти прежней — снова меняется только тембр.
Если свести три газа в одну таблицу, видно, что всё решает одно число — скорость звука:
Газ → скорость звука при 20 °C → первые резонансы трубки 17 см
Гексафторид серы → ~134 м/с → ~200, 590, 980 Гц
Воздух → ~343 м/с → ~500, 1500, 2500 Гц
Гелий → ~1008 м/с → ~1,47, 4,41, 7,35 кГц
Это теоретический расчёт для трубки, целиком заполненной газом. Настоящий голос всегда даёт сдвиг меньше, но направление и логика те же.
Форманты: по ним мы узнаём гласные и людей
Фокус с гелием разрушает гласные. В UNSW отмечают: целые фразы в гелии ещё понятны по контексту, а отдельные гласные распознать очень трудно. Это прямое доказательство, что гласная — это не нота и не громкость, а расположение формант. «А» отличается от «и» тем, где у фильтра стоят пики, и мы двигаем их языком и челюстью. Если опустить челюсть, первая форманта растёт. Если сдвинуть язык вперёд или назад, сильнее всего меняется вторая.
Если любой гласной разом сдвинуть пики вверх, все гласные «съезжают» в чужие зоны, и мозгу не за что зацепиться. Подробно о том, как форманты окрашивают звук скрипки, флейты и голоса, я писал в разборе тембра — здесь не буду повторять цифры гласных.
По формантам мы различаем и людей. Резонансы зависят от длины тракта: короче трубка — выше форманты. Поэтому у детей форманты выше, чем у взрослых, и голос звучит «маленьким» не только из-за высоты. Ещё на форманты влияют форма глотки, нёба и привычная артикуляция — всё то, из чего складывается узнаваемый голос. Своё звучание мы при этом слышим искажённым, потому что к нам оно идёт ещё и через кости черепа.
Как певцы управляют формантами
Певец не может поменять газ в лёгких, зато может менять форму тракта — и профессионалы делают это постоянно.
Раскрыть рот на высоких нотах
У сопрано есть физическая проблема. Первая форманта гласных лежит примерно в диапазоне 300–800 Гц, и это почти совпадает с диапазоном её голоса. Если на высокой ноте основной тон окажется выше первой форманты, резонанс перестанет его поддерживать, и голос потеряет мощь. А в опере нужно перекрыть оркестр без микрофона. Измерения в лаборатории UNSW показали, что сопрано с ростом высоты всё шире открывают рот. Это поднимает первую форманту и подстраивает её к основному тону — примерно до 1 кГц. Так делали все сопрано в эксперименте, даже без вокального образования.
У этой подстройки есть цена: гласные на верхах становятся похожими друг на друга. Форманта больше не стоит там, где «положено» конкретной гласной, она идёт за нотой. К тому же у высокого голоса гармоники стоят редко, и форманту в спектре трудно даже различить. Поэтому слова в высокой арии разобрать сложнее, чем в речитативе, — и дело не в дикции певицы.
Певческая форманта около 3 кГц
У мужчин классической школы есть другой приём. В 1974 году шведский акустик Юхан Сундберг описал «певческую форманту» — сильный пик в спектре около 2,8 кГц, характерный для западной оперной манеры. По его модели этот пик возникает, когда гортань опущена, глотка над ней широкая, а вход в гортань узкий: гортанная трубка становится отдельным резонатором, и третья–пятая форманты сбиваются в одну мощную группу.
Место для пика выбрано удачно. Как поясняют в UNSW, в области 2–4 кГц наш слух очень чувствителен, а оркестр излучает там сравнительно мало энергии. Голос тенора или баритона пробивается сквозь целый оркестр не потому, что он громче, а потому, что занимает свободную полосу. Высокие частоты к тому же излучаются направленнее — вперёд, в зал. У сопрано певческая форманта выражена слабее: им хватает подстройки нижних резонансов и высокого основного тона, который и так попадает в чувствительную зону слуха.
Мне как аранжировщику это напоминает правило микса: не делай вокал громче, освободи ему полосу. Оперные певцы решили эту задачу за столетия до эквалайзеров — формой собственного горла.
Пара слов о безопасности
Опыт с гелием выглядит невинно, но вдыхать гелий опасно. Это удушающий газ: им дышат вместо воздуха, а значит, без кислорода. Вдобавок газ хранится в баллонах под высоким давлением — это отдельный источник травм. С гексафторидом серы всё то же самое, и экспериментировать с ним дома тем более не нужно. Если хочется услышать эффект, лучше послушать записи физиков: в UNSW выложены примеры речи и пения в воздухе и в гелии.
Коротко
— Ноту голоса задают голосовые складки, тембр и гласные — резонансы глотки и рта, то есть форманты.
— В гелии звук в 2,9 раза быстрее, поэтому форманты уезжают вверх, а гармоники почти не двигаются. Голос становится «утиным», но не выше на октаву.
— В гексафториде серы звук медленнее, и форманты уходят вниз. Получается «бас великана» на той же ноте.
— По формантам мы узнаём гласные и людей; в гелии гласные почти не распознаются.
— Сопрано на высоких нотах раскрывают рот, подстраивая форманту к ноте, и платят за это разборчивостью. Оперные мужские голоса пробиваются через оркестр за счёт певческой форманты около 3 кГц.
— Вдыхать гелий и другие газы для фокусов опасно.
Пока нет комментариев