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搞笑|搞笑诺奖：在充满氦气的房间里来上一段B-BOX会怎样？

出品：科普中国
制作：可可 （中国留日同学会）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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 。
【搞笑|搞笑诺奖：在充满氦气的房间里来上一段B-BOX会怎样？】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 。
搞笑|搞笑诺奖：在充满氦气的房间里来上一段B-BOX会怎样？
△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采访人员采访时却坦率承认 ， 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 。
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△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 。
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△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 。


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