¿Por qué nuestra voz suena diferente al inhalar helio?

Para entender esto correctamente sin ninguna "controversia" innecesaria, dividamos todo el proceso de generación y percepción del sonido en 5 partes importantes, pero completamente separadas. Luego procederemos a explicar cada parte usando algunos ejemplos diferentes y piezas de lógica derivada:

1. Vibración de las cuerdas vocales
2. Transmisión de energía de las cuerdas vocales al aire en el tracto vocal
3. Resonancia y Atenuación en el tracto vocal
4. Transmisión de energía desde el final del tracto vocal (boca) al medio circundante
5. Recepción y percepción del sonido por parte de otro humano.
   
   

Ahora bien:

1. La frecuencia generada por las cuerdas vocales depende de la tensión que se ejerce sobre ellas y los músculos circundantes. Este es un proceso neuromuscular y NO se ve afectado por el helio ni por ningún otro gas (al menos a corto plazo).

Entonces, nuestras cuerdas vocales continúan vibrando a la misma frecuencia en el helio que en el aire normal.


2. El sonido se produce por la transmisión de las vibraciones producidas en la cuerda vocal, al aire en el tracto vocal. Esta "transmisión" no ocurre por arte de magia. Las cuerdas vocales, a medida que vibran, empujan y tiran de columnas de aire en su vecindad inmediata, no muy diferente de la forma en que puede empujar a un niño en un columpio a intervalos específicos, para producir oscilaciones sostenidas y breve disfrute. (Sin embargo, el "tirón" en esta analogía lo proporciona la gravedad).

El punto es que el niño oscila a la misma frecuencia a la que empujas el columpio. es decir, si está empujando el columpio una vez cada N segundos, el niño también completa un columpio una vez cada N segundos. Esto es cierto independientemente del peso del niño, ¿correcto?

De manera similar, el aire en el tracto vocal también vibra a la misma frecuencia que las cuerdas vocales . Este hecho también es cierto independientemente de la masa de las partículas de aire .

En otras palabras, la frecuencia del sonido no cambia, independientemente del medio en el que se transmita.

Se acabó el tiempo

La última fue una pasada. ¿La frecuencia del sonido no cambia? Entonces, ¿por qué demonios el helio suena diferente al aire normal?

Mientras que la frecuencia del sonido no cambia, la VELOCIDAD del sonido sí lo hace . ¿Por qué? Considere esta vieja ecuación de física clásica:

energía cinética = 0.5 * m * v ^ 2,

donde m = masa y v = velocidad (no digamos 'velocidad' por ahora)


Ahora las cuerdas vocales vibran con la misma Fuerza N a la misma frecuencia T . Por lo tanto, la energía que transmite debe ser la misma en TODOS los medios.

En otras palabras, para un valor constante dado de energía cinética, v^2 es inversamente proporcional a la masa de las partículas.

Naturalmente, esto significa que el sonido viaja más rápido en el helio que en el aire .

Ahora, conocemos la otra vieja ecuación:

Velocidad = Longitud de onda x Frecuencia

Ahora bien, como sabemos que la FRECUENCIA del sonido es la misma en el helio y en el aire, y la velocidad del sonido es mayor en el helio, se sigue que la longitud de onda del sonido es mayor en el helio que en el aire . Esta es una conclusión muy importante, que se relaciona directamente con nuestra siguiente deducción.

3. Ahora, tenemos una conclusión muy importante en nuestro gatito: "La longitud de onda del sonido es mayor en el helio que en el aire".

Recuerde que el tracto vocal a menudo se modela (simplistamente) como un tubo abierto o cerrado. Para refrescar por qué eso es importante, consulte Wikipedia .

El tracto vocal en realidad no es realmente un cilindro, sino una forma bastante compleja. Esto significa que tiene áreas de constricción y expansión que cambian según la posición de la lengua, la tensión en el tracto y varios otros factores.

Entonces, en cierto sentido, en estas configuraciones complejas, el tracto vocal se puede modelar como una serie de tubos de diferentes diámetros y diferentes niveles de "cierre" de cualquiera de las aberturas.

Ahora bien, esto significa que diferentes partes del tracto vocal , dependiendo de su configuración geométrica y sus características materiales, resuenan con diferentes LONGITUDES DE ONDA de sonido .

Note que dije LONGITUDES DE ONDA y no FRECUENCIAS. En el lenguaje común, "Frecuencias" se usa a menudo ya que W y F están directamente interrelacionados en un medio común. Sin embargo, aunque cambiemos el medio por el que se propaga el sonido, la interacción de las ondas sonoras con los tubos abiertos y cerrados depende estrictamente de su longitud de onda y no de su frecuencia .

Ahora sería un buen momento para volver a la conclusión principal que sacamos del punto 2: "La longitud de onda del sonido es mayor en el helio que en el aire" .

Esto nos lleva a las siguientes CONCLUSIONES CLAVE/FINALES:

En un tracto vocal lleno de helio:

1. Las frecuencias del sonido no cambian

2. Las longitudes de onda del sonido SÍ cambian

3. Debido a que las longitudes de onda han cambiado, las porciones del espectro de sonido producido por las cuerdas vocales que son atenuadas y resonadas por diferentes partes del tracto vocal, también cambian.

4. Esto da como resultado que la salida del espectro de sonido por la combinación de las cuerdas vocales y el tracto vocal en Helio, sea diferente de la salida del espectro de sonido en el Aire normal.

5. Esto significa, la distribución neta de energíasentre frecuencias altas y bajas (o el timbre ) cambia con un cambio en el medio de sonido. Mientras que la frecuencia fundamental del sonido (estrechamente relacionada con el tono ) no cambia .

Veamos el espectrograma de dos sonidos de muestra proporcionados de manera útil en el artículo de NSW.

Desafortunadamente, debido a las condiciones experimentales, los dos sonidos no tienen el mismo contenido (se pronuncian oraciones diferentes) y, por lo tanto, no se puede confiar exactamente en el espectrograma. Sin embargo, la frecuencia fundamental en ambos es aproximadamente la misma y, por lo tanto, respalda nuestra conclusión de que el tono es el mismo. Dado que se usan diferentes palabras en cada sonido, no se puede hacer una comparación de timbre (ya que la diferencia en las distribuciones de energía visible en el espectrograma se puede atribuir a las diferentes palabras pronunciadas).

Además, por simplicidad y facilidad de comprensión, se ha utilizado un "espectrograma melódico" en favor del espectrograma en bruto y más ruidoso. Fue generado usando Sonic Visualizer.

¡No hemos acabado!

Empezamos con la promesa de explicar la transmisión y recepción/percepción del sonido en CINCO partes. Terminamos con solo tres. Repasemos las partes restantes muy rápidamente.

4. Transmisión del sonido de la boca al aire: como se explica en el punto 2, con un cambio en el medio, la frecuencia del sonido no cambia, pero sí la longitud de onda. Esto significa que el único efecto de llenar una habitación con helio también (en lugar de solo el tracto vocal) es aumentar la longitud de onda del sonido.

5. Lo anterior no tiene impacto en la percepción del sonido .. El oído y el cerebro juntos son principalmente un receptor de FRECUENCIA. El oído traduce las pulsaciones de aire en oscilaciones de células ciliadas, que luego se traducen en pulsos sincrónicos en las neuronas adheridas. Dado que la sincronización de los pulsos se correlaciona SOLO con la frecuencia, y la sincronización de los pulsos es lo que produce nociones de tono, timbre, etc., podemos asumir con seguridad que el oído transcribe el sonido al cerebro fielmente en función de la frecuencia. La longitud de onda no tiene ningún impacto en este proceso.

Sin embargo, el oído, al igual que el tracto vocal, no es lineal. Lo que significa que también va a atenuar/resonar algunos sonidos (todavía se están estudiando las propiedades no lineales específicas de la cóclea). Sin embargo, A DIFERENCIA del tracto vocal, el oído/cóclea es una cámara sellada llena de líquido . Las propiedades de la cóclea no se ven afectadas por el aire circundante sino solo por el líquido, que por supuesto podría verse afectado por la composición de la sangre y otros factores biológicos. Pero NO el entorno inmediato.

Por lo tanto, la raíz de toda la confusión en torno a la producción y recepción de sonido en medios alternativos como Helium es que las características no lineales del tracto vocal se ven afectadas por el medio que lo rodea , mientras que las del oído no. Eso es todo.

Comencemos con los hechos experimentales. Aquí hay algunos espectros de potencia de Fourier que grabé de mí mismo cantando la vocal "ah" con aire (arriba) y helio (abajo) en mis pulmones:

Estaba conmigo tratando de hacer lo mismo con mi tracto vocal en ambos casos. Los dos sonidos claramente no difieren mucho en el espaciamiento de la "valla de estacas" de armónicos, que corresponde a la frecuencia fundamental. El primero (aire) tiene una fundamental de unos 126 Hz, el segundo (He) de unos 124 Hz. Dada la calidad no tan buena de los espectros, diría que estos son básicamente iguales dentro del error experimental.

La distribución de potencia entre los diferentes armónicos es claramente diferente, lo que explica por qué los timbres suenan tan diferentes.

Esto es diferente de la física de un instrumento de viento. Por ejemplo, puedes poner un globo lleno de helio sobre la boquilla de una grabadora de juguete, y el tono salta claramente alto: lo fundamental realmente cambia. Lo fundamental de un saxofón realmente se relaciona de la manera que esperarías con la longitud de la columna de aire.

Así que algunas de las explicaciones físicas que he oído sobre esto no suenan del todo bien.

Existe la teoría de que la vibración de las cuerdas vocales obviamente debe depender solo de sus propiedades mecánicas, no del medio. No creo que esto sea del todo evidente. Están fuertemente acoplados al medio. Si observa sistemas similares, como los instrumentos de lengüeta, no es cierto que la lengüeta vibre a una frecuencia establecida por sus propias propiedades mecánicas (inercia y rigidez). Por ejemplo, en un saxofón, la frecuencia de la lengüeta se establece completamente por la longitud efectiva de la columna de aire.

También existe la afirmación de que el tracto vocal actúa como una columna de aire, por lo que se requiere que la longitud de onda del sonido sea$\lambda_0/n$. No creo que esto sea realmente cierto tampoco. El tracto vocal es un sistema complicado de cavidades resonantes acopladas, pero en una primera aproximación creo que es básicamente un resonador de Helmholtz. Véase, por ejemplo, Rivero. La frecuencia de una resonancia de Helmholtz se establece por su volumen y las dimensiones de la abertura, no por su longitud cuando se considera como una columna de aire.

Creo que lo que está pasando aquí es probablemente algo más complicado que cualquiera de las explicaciones simples. Una caña es algo altamente no lineal, y sospecho que las cuerdas vocales también lo son. Tienes resonancias con cierto ancho, y el ancho probablemente importa. Este ancho se establecerá por cosas como el tamaño de las aberturas y la eficiencia con la que el sonido se irradia desde la boca. (La radiación eficiente debe dar un bajo$Q$y por lo tanto una amplia resonancia.) Sin considerar estas complicaciones cuidadosamente, no veo cómo uno puede esperar explicar ab initio por qué el tracto vocal se comporta de manera diferente a un instrumento de lengüeta.

Rivero et al., "Modelo de enfoque de la producción del habla mediante el resonador de Helmholtz y la ecuación de onda", DOI 10.1109/EMS.2010.102, https://ieeexplore.ieee.org/document/5703676