出品：科普中國
製作：可可 （中國留日同學會）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
一年一度的搞笑諾貝爾獎又來啦！今年的獲獎研究還是一如既往的充滿腦洞，其中的聲學獎頒發給了敢於讓揚子鱷吸入氦氣的研究人員，他們藉此巧妙地揭示了揚子鱷的發聲機理。
讓揚子鱷吸入氦氣，再觀察其叫聲變化，這種方法相比於解剖揚子鱷更加人道。研究結果發現，氦氣室中揚子鱷的叫聲真的發生了變化，而且它們沉悶的嘶吼聽起來像唐老鴨的聲音一樣滑稽。
△揚子鱷和唐老鴨 圖源：維基百科
揚子鱷吸入氦氣後發出的聲音音調變高，說明它們和人類擁有類似的發聲機理——氣道共鳴。雖然研究人員們在論文中強調稱，這項研究的結論可能對恐龍的叫聲研究有所啟發，但研究團隊的核心成員，京都大學靈長類研究所的西村剛副教授在接受記者採訪時卻坦率承認，該研究好像沒啥社會價值……
不過搞笑諾貝爾獎的主旨就是要獎勵令人發笑但又引發思考的研究，揚子鱷變聲實驗也確實能夠引發各種奇思妙想，比如氦氣能讓音調變高，有沒有什麼氣體能讓音調變低？雙簧管和三角鐵，哪個會發生氦氣變聲現象？氦氣室中的鳥類和昆蟲叫聲會有變化嗎？存不存在不受氦氣影響的發聲方式？下面我們就來為大家解答這些疑問。
物理學告訴你變聲的奧秘
氦氣在空氣中含量極為微小，是稀有氣體之一。由於化學性質極不活潑，吸入氦氣對身體並沒有什麼傷害。常見的變聲整蠱道具是氦氣和氧氣的混合氣體（氧氣含量20%），之所以要在其中摻雜氧氣，主要是為了避免出現窒息危險。
那麼，人類吸入氦氣後為什麼會變聲呢？這還要從人類發聲的原理說起。人類的口腔和喉嚨、包括下方的氣管相互連接，形成內部充滿空氣的管狀結構，其中包含發聲器官——聲帶。在物理學上，這種內部含有氣體的管可以抽象成氣柱模型。
人類發聲時，肺部氣體通過氣道，並在聲帶處發生共振，振動通過空氣傳出口腔，就形成了我們耳中聽到的聲音，其物理原理和氣柱模型完全一樣。由於聲帶和整個發聲氣道的共鳴效應，人類不費多大力氣就能讓自己發出足夠清晰的聲音。
△聲帶俯視圖，圖源：維基百科
相信大家都有過向長塑料管中吹氣的經驗，當氣流速度達到一定程度時，管就會進入共振狀態，管壁迅速抖動，同時產生尖利的哨音。從聲學角度來說，我們也把這種能夠發聲的共振稱為共鳴。無論是貫通管還是盲管，都會發生類似現象。而氣柱模型要解決的問題就是什麼條件下會發生共鳴。
根據物理學原理，管中氣體發生共振（只考慮基本振動）的條件由f=v/L這個非常簡單的公式來表達，其中f為共振頻率，v為該氣體中的聲速，L為氣柱的長度。而對於給定的氣柱而言，L是恆定值，也就是說共振頻率往往只和管內氣體聲速有關。氣體聲速受溫度和壓力影響，通常的室溫、一個標準大氣壓下，空氣中的聲速大約是每秒340米。
而氦氣中的聲速在室溫、一個大氣壓下約為每秒1000米，氧氣約為每秒330米。一般的變聲氣體中氧氣約佔20%。由此可以算出變聲用的氦氧混合氣中聲速為1000×0.8＋330×0.2＝866 米/秒，這一數字大約是空氣中音速的2.5倍。產生的結果就是，當氣道內充滿了氦氧混合氣，聲帶振動頻率會達到平時的2.5倍。由於音調與振源的振動頻率成正比，吸入氦氣後音調就會因此升高。
△氣柱模型相關的公式推導 作者自製，僅供參考
氦氣因為聲速極大，因此可以讓吸入者的聲音頻率變高，那麼，有沒有什麼辦法可以讓聲音變得低沉呢？答案當然是尋找聲速更低的氣體。二氧化碳聲速比空氣低，大約是每秒260米，但這和空氣中的聲速區別不夠大，降低音高的效果也不明顯。還有很多氣體中的聲速更低，例如氟利昂-113（53攝氏度時每秒124米）、四氯甲烷（22攝氏度時每秒133米）、氪（每秒220米）、氙（每秒178米）、六氟化硫（室溫下每秒134米）。
但與氦氣相比，以上氣體要麼成本極高（如氪），要麼存在劇毒（如四氯甲烷），要麼有麻醉效應（如氙），要麼會破壞臭氧層（如氟利昂-113），唯一無毒的六氟化硫還有很強的溫室效應（二氧化碳的23000倍）。因此，除非是在大學的物理課堂上演示氣體變聲效應（此時多用六氟化硫），一般生活中很少能見到與氦氣有相反變聲效果的娛樂氣體。
氦氣室中的變聲實驗
除了通過吸入氦氣讓人的聲音發生變化外，我們還可以製作一個氦氣室，在其中進行各種有趣的聲學實驗。不過因為這個工程需要大量使用氦氣，具有一定的危險性，因此不建議在一般家庭中嘗試。
△揚子鱷變聲實驗中搭建氦氣室的示意圖 圖源：參考文獻 6
首先我們來看，在氦氣室中，樂器的聲音會如何變化？
樂器發出聲音的原理多種多樣，以最為常見的管樂、弦樂和打擊樂器為例。管樂器和聲道類似，都是氣柱結構，因此如果我們在充滿氦氣的房間內吹響長笛，它的音調將會升高。弦樂器是由弓和弦之間的摩擦令琴弦發生振動從而產生聲音，並非氣柱結構，因而不會產生音調變化。三角鐵或者鼓一類的打擊樂器憑藉被擊打部位的振動發聲，在氦氣中音調同樣不會變化。
有讀者可能會問，氦氣室中滿是氦氣，氦氣中的聲速那麼快，為什麼其中三角鐵的音高不會發生變化？這裡要注意，音高只與音源頻率有關，與傳播介質中的聲速無關。只要音源的頻率不變，在任何傳播介質中的音高都應該是一樣的，介質聲速快不過是讓人耳聽到聲音的時間提前一丟丟而已。同樣的道理，氦氣室內的音箱、麥克風、電話等聲學設備同樣不會有音調變化。
△圖中哪些樂器會在氮氣室內發生音調改變？圖源：Freepik.com
其次來看看動物，蛙鳴和蟬鳴，哪個會在氦氣室內變聲？
從進化角度來看，氣道共鳴是動物進化過程中的一種趨同效應。在自然界中，不光是人類在內的哺乳類動物會用氣道共鳴的方式發聲，大多數脊椎動物也會用這種方法，只不過不同種類的生物採用的發聲器官有所不同，哺乳類大多採用聲帶作為發聲器官，鳥類採用的是鳴管，而兩棲類中的青蛙則使用鳴囊。這些發聲器官的內部構造千差萬別，但總體而言都符合物理學上的氣柱模型，也都會受到氦氣的影響。因此如果給狗或者鴨子吸入氦氧混合氣，它們一樣會發出更加尖利的聲音。
△蛙類用來增強氣道共鳴的鳴囊 作者：Benny Trapp 圖源：維基百科
而爬行動物在各種脊椎動物中屬於發聲器官發育滯後的群體，除了部分種類的蜥蜴和鱷魚，大多無法發出像樣的聲音。揚子鱷能夠發出音頻非常低沉的吼聲，本次獲得搞笑諾貝爾獎的團隊給揚子鱷吸入了氦氧混合氣後，威風凜凜的揚子鱷就變成了唐老鴨。
此外，雖然並非脊椎動物，但昆蟲也是製造聲音的高手，只不過它們並不採用氣道共鳴的方式，而主要以摩擦形成振動發聲。因此即便是處於氦氣中，昆蟲鳴叫的聲音頻率也不會發生變化。
想要不受氦氣的影響，你要學會這種發聲方式
雖然用氦氣整蠱別人十分有趣，但我們自己可不想被整，那麼有沒有可能讓自己不受氦氣的影響呢？你別說，還真有。
我們已經知道聲帶振動頻率的改變是氦氣變聲依據的原理，也就是說如果發聲過程中聲帶不發生振動，氦氣變聲效應就會消失。而聲帶是否振動與發聲時的具體音節有關，發清音音節時聲帶不振動，只有發元音和濁音音節聲帶才會振動。
絕大部分語言中的清音都是輔助成分，聲帶振動時發出的元音和濁音是人類能夠清晰飽滿表達自己意思的關鍵。但有些語言清音所佔的比例極高，甚至出現個別詞彙乃至短句完全不依賴元音的情況，這類語言的使用者將會比較少受氦氣變聲的影響。
例如，生活在加拿大卑詩省貝拉庫拉一帶的努哈爾克人的母語努哈爾克語，就允許在很長的一串清音中不插入任何元音或濁音，使語言學中「音節」的概念受到了挑戰。但目前世界上能夠流利使用該語言的人數少於10人，因此想要學會這種語言恐怕有點難度。參考文獻5中是努哈爾克語的示範朗讀，強烈建議大家前往感受。
△清音佔據很大比重的語言 圖源：維基百科「音節」條目
努哈爾克語比較難學，但還有另一種避免被整蠱的方式，那就是B-BOX。B-BOX主要利用大量的摩擦音和破擦音（都是清音）來發聲，因此可以說，它打娘胎就自帶抵抗氦氣變聲的屬性。
這麼看來，學會B-BOX不僅能讓自己成為酷酷的Hiphop青年，還能不被氦氣整蠱。還等什麼，趕緊學起來吧。
△沒有什麼是一段B-BOX不能解決的 圖源：B站up主「我的大老師」
參考文獻：
1. ヘリウムガスの中で変わる音と変わらない音
http://natsci.kyokyo-u.ac.jp/~okihana/kaisetu/herium/herium-3.html
2. ヘリウムを吸うと聲が高くなる 犬の鳴き聲や楽器はどうなるか？
http://tsuyu.la.coocan.jp/column/helium.html
3. Speed of sound in gases
https://www.engineeringtoolbox.com/speed-sound-gases-d_1160.html
4. 物種不同，發聲不同：動物發聲的器官是怎麼進化來的？
https://new.qq.com/omn/20190124/20190124A04ZMW.html
5. 努哈爾克語示例
https://v.qq.com/x/page/r0316g9ug8i.html
6. A Chinese alligator in heliox: formant frequencies in a crocodilian
https://jeb.biologists.org/content/jexbio/218/15/2442.full.pdf