Heliumhemmelighetene bak Donald Duck-stemme

ballonger

Creative commons (Spixey)

Rampen smugrøyka i skyggene. Vi var hjemme og inhalerte heliumgass. Ett sup inn fra en døende tivoliballong, og rommet ble fylt med de herligste Donald Duck-stemmer.

Det nærmer seg 17. mai – heliumballongenes høytidsdag. Og, ikke minst, 18. mai, dagen de struttende, heliumfylte aluminiumsfoliefiskene skrumper sammen som druer i sola og mister sin bæreevne. 18. mai er heliumsupernes festdag, dagen da man kan kaste seg over de døende heliumballongene som hyener over en råtnende antilope og meske seg med innmaten.

Og så, 19. mai. Dagen for ettertanke. For hva var det egentlig som skjedde med stemmen når man hadde pustet inn helium?

Blir stemmen lysere?
 «Stemmen blir lysere av helium» hører man ofte i heliumsuperkretser. Men det er feil. I hvert fall ganske feil. For hva er det som bestemmer lys en tone er? Jo, tonens frekvens.

Lyd er trykkbølger i luft. Når det svingende lufttrykket når trommehinnene i ørene våre, settes trommehinnene i svingninger i takt med trykkbølgene i lufta. Jo raskere svingninger, eller høyere frekvens, dess lysere oppfatter vi tonen.

Og når vi synger en «Aaaaa», hva er det som bestemmer frekvensen på lyden? Jo, det er hvor raskt stemmebåndene svinger. Stemmebåndene styrer vi med muskler i strupehodet. Jo mer vi strammer musklene, dess raskere svinger stemmebåndene – omtrent som en gitarstreng som strammes opp ved hjelp av en stemmeskrue.

Påvirker heliumgassen musklene i stemmebåndet? Får helium oss til å stramme musklene i strupehodet mer? Nei.

Og vi roper ut med Caps lock: HVORFOR HØRES STEMMEN LYSERE UT DA?

Fysikeren svarer med en slik ro som bare dyp faglig innsikt kan gi: Fordi lydhastigheten i helium er nesten tre ganger høyere enn lydhastigheten i luft.

Om gitarer og strupehoder

La oss se på gitaren igjen. Har du noen gang spilt på en elgitar uten forsterker – altså en sånn gitar som har en planke istedenfor en kasse under strengene? Lyden blir spinklere en spinklest. Akustiske gitarer har en resonanskasse. Her kan lydbølgene slenges fram og tilbake og forsterkes.

Hvilke lydbølger forsterkes? En lydbølge har, i tillegg til frekvens, en bølgelengde. Bølgelengdene som passer inn mellom to vegger i resonanskassa vil bli sterkere. Siden kassa til en gitar typisk har en buet fasong, vil det være mange ulike avstander mellom veggene, og mange forskjellige toner vil fremheves.

gray954

Strupehode (Wikimedia commons)

Strupehodet vårt er også en resonanskasse. Stemmebåndene produserer en hovedfrekvens pluss en del tilleggsfrekvenser. Bølgelengdene som passer fint mellom veggene i strupehodet forsterkes. Formen på strupehodet vil derfor være med på å gi stemmen dens karakteristisk klang – akkurat som en kassa på en gitar påvirker gitarlydbildet.

Hvor kommer helium inn i bildet? Jo, i sammenhengen mellom frekvens og bølgelengde. Frekvensen produseres av stemmebåndene. Bølgelengden avhenger både av frekvens og av hvor fort lydbølgene kan forplante seg – for eksempel luft eller helium. Hvis bølgene kan bevege seg raskt, vil bølgen ha strukket seg langt ut for hver ny bølge som lages. For samme frekvens vil altså bølgelengden øke når lydhastigheten øker.

Bølger i helium

Helium består av lette atomer. Luft består av tyngre molekyler (stort sett oksygen og nitrogen). De lette heliumatomene vil kunne vibrere raskere enn de tyngre luftmolekylene, noe som fører til at lydhastigheten i helium blir større enn i luft. Mye større. Nesten tre ganger så stor. For en gitt lydfrekvens vil derfor bølgelengden i helium være nesten tre ganger større enn i luft. Og hvilke frekvenser som forsterkes i strupehodet avhenger som vi har sett av bølgelengden.

De forsterkede frekvensene i luft vil være lavere enn frekvensene som forsterkes i et heliumfylt strupehode. Grunntonen vil være uendret, men den totale stemmeklangen vil inneholde flere høyfrekvente lyder når du har inhalert helium. De dype tonene vil dempes.  Helium har den samme effekten på lyden som vi hadde fått ved å beholde fasongen på strupehodet, men krympet det i størrelse. Vi høres ut som Donald Duck. Vi kan derfor anta at Donald Duck har en menneskeaktig form på strupehodet, bare i en mindre størrelse.

Tviler du? Er det virkelig sant at hovedtonen i stemmen ikke forandrer seg ved inhalering av helium? Sjekk lydeksemplene på denne siden!

Ond, russisk skiløpergass

Kan man også finne en gass som drar stemmen i motsatt retning? Jadda! Et eksempel er xenon. Gassen er kanskje mest kjent som noe russiske skiløpere pustet for å kunne prestere bedre under Sochi-OL. De russiske skiløperne må ha hatt det gøy. Lydhastigheten i xenon er bare halvparten av den i luft. Det vil føre til en forsterkning av lavere frekvenser – altså dypere toner. Du får en stemme som om du har et enormt strupehode, som et ondt kreatur med utspekulerte planer om verdensherredømme. Eller som en russisk skiløper. Bare hør her (Youtube).

Kan man dø av det?

Er det farlig å inhalere helium? Nja. Et sup eller to fra en gassballong er OK. Helium er en edelgass – en type gass som ikke reagerer kjemisk med andre stoffer. Det er bra. Men kroppen trenger oksygen. Og hvis du blir for ivrig kan hjernen få for lite oksygen slik at du svimer av.

Det som virkelig er farlig er å forsøke å inhalere helium direkte fra en gassflaske. Gassen kan da ha et svært stort trykk, noe som vil blåse lungene dine i filler og fylle blodbanene dine med gass. Det er ikke lurt. Folk har dødd av slikt.

Hva med xenon? Xenon er også en edelgass som er trygg rent kjemisk. Problemet med xenongass er at den er tyngre enn luft. Den vil derfor i større grad kunne bli liggende igjen i lungene. Helium er lett og vil derfor forsvinne ut gjennom pusterøret som svulstige kjærlighetserklæringer i vårsol.

Så sup du fra din heliumballong 18. mai! Men bare litt av gangen.

6 comments

  1. Carbomontanus · april 21, 2016

    Her synes Kollokvium å være i sving igjen, gitt.

    På akustikk har jeg litt av hvert å bidra med.

    Jeg er som kjent verdensberømt og særlig blokkfløytemaker. Hva som skiller meg der fra røkkla er den ekte norskheten. Mens røkkla inklusive Storbekkens tussefløyter er klassisk mekanistiske samlebåndsvarer pinlig på tiendedelen og i maurskritt langs alle irrelevante overflater fra fabrikken Moeck (Utt. møkk!) i Tyskland,…….

    ………. så er jeg norsk og har bjerknesskolen og artium i fysikk og pnevmatikk og akustikk og har heller tatt utgangspunkt i selje og rognefløytene og hermefløytene ( Ko- Ko…Ko- Koo) som barna lærer å ta ut av skogen og få til å pipe. Og vi må lære å plystre på alle mulige måter.

    Så må vi kunne blåse på løvetann og blad og strå og sånt, foruten panfløyter av sløke.

    Så skal det også låte i ei brusflaske og ølflaske, og man skal få det til å gi resonans om man synger over ei krukke for eksempel.

    Da er man orientert.

    Millimetern og overflatenes maskinfreste og pussede retthet i det klassisk industriale og perverse rom er da åpenbart en feilvalgt teori kun for ufaglært arbeidskraft pliktig uten artium.

    Den hemmelige lakken er likeså bare tull. Stradivarius har aldri devet med sånt.

    Vi har en formel C= lambda. ny. Den gjelder kun som grenseverdi ute i friluft når man nærmer seg den absolutte stillhet. Både lambda og ny er så reelle som de kan få blitt, men multipliser aldri lambda med ny og regn med det i rommet, for da regner man feil.

    Lambda begynner å vakle og blir helt råtten i rommet når man nærmer seg de heller sterke lydkilder. Det er som med radiosendere, Lyshastigheten gjelder grovt fra antennene og utover men ikke inni radioen. Allikevel er lambda og ny og klangfigurene med knuter og buker og amplityder så realfaglige og reelle som de kan få blitt også inni en radio.

    Det er med vindinstrumenter som med radioer. Man må vite om, og empirisk trace lambda og ny og knuter og buker og gripe kyndig inn og regulere og stemme i forhold til det, da først kan man designe og arbeide med og finregulere ingeniørmessig saklig og robust og vel- artikulert signal og output. Bruk scop og øremål og dessuten fløytefisk som er et elliptisk legeme på en ståltråd som føres inni rørene for å høre efter hvordan de reelle bølger ligger i rommet, og grip inn og reguler i forhold til det. Just som i klassisk seilskips og radioteknikk og i møllerfaget.

    Så regulerer man som Helmholz resonator, The bigger the belly the deeper the note, The longer the neck…. og åpner man tuten så stiger heller frekvensen. Da kan det hele finjusteres artistisk til høy kvalitet.

    Mens bokstaver og størrelser som «C» og særlig «Psi» er tegnet på at man kan sette vedkommende avhandling tilbake where it belongs in the library dusts. Man taper intet.

    Bjerknes og Fossegrimmen, C.A.Bjerknes` vannbad, er heller innvielses-andakten til førstegraden i akustikk og bølgemekanikk og musikkakustikk foruten klassisk radioteknikk..

    Jeg har for å være orientert også bygget endel apparatur av papprør og høyttalere. Blant annet et rør med høyttaler i enden som er slik at tonegeneratoren og høyttaleren følger og innstiller seg på resonansen i røret. Den sier » …..AAAAAAAAAAAAA…» og reagerer helt som en vanlig orgel- labial- pipe på stemmeinngrep.

    (Hva Kristiansen her beskriver er en Vox Humana, heller en tungepipe.
    Vox humana har en Gak-gak av metall nede i halsen som reguleres og stemmes mekanisk ved å knerte på en bestemt spak opp eller ned på øremål. Resonatoren over er en kort og åpen trakt som er temmelig irrelevant for tonehøyden, men betyr desto mer for klangfarven.

    Vox humana ville likeså endre seg meget på klangfarven om man blåste med alternative gasser, mens labialpipene endrer pitch. Resonatoren virker der i langt større grad tilbake på og styrer i oscillatoren, frekvensen til flip-floppen ut og inn av vinduet.)

    Så fyller man den med butangass

    «AAAAAAAfzzzzzoooOOOOOOOOO..»

    Og setter fyr på:

    «OOOOOOOOPtFluMM..huiiii…aaaAAAAAAAAA»

    QVOD ERAT DEMONSTRANDVM!

    Da må vi ha en formel.

    C= 1/2pi roten av Cp/Cv * P/ M * RT

    Cp/Cv er den molare varme, luftens elastisitetsmodul, en kvantemekanisk størrelse.
    P er Barometertrykk, M er molvekt, R er gasskonstanten og T er kelvintemperatur.

    Vi ser at Kristiansens argument følger av roten av 1/M når han går fra luft til helium. Og mitt Butanforsøk har samme forklaring. Apparatet er for å ha en experimental orgelpipe som ikke utveksler gass med omgivelsene slik at vi kan prøve alternative evt. også giftige gasser.

    Så for virkelig å ta det kritisk så har jeg kjøpt en flaske Argon, som jeg vil anbefale som den ideelle nullprøve-referansegass om man vil undersøke i detalj luftens særlige betydning for lyden.

    Argon har molekylvekt 40, mens luftens er 29 omtrent. Helium er helt nede på 4 og svært ulik. Edelgassenes høyere molare varme gjør at forskjellen på luft og argon blir enda mindre enn 29/40 ^ 0.5

    Cp/Cv er forskjellig for bi- atomige gasser og edelgassene.

    Apropos gasser tror jeg man skal tenke seg om og ikke misbruke helium, som er en fossil ressurs. Vannstoff er billigere og bedre men ilds og eksplosjonsfarlig.

    Jeg tror vi heller skal vise respekt og holde avstand, og heller bruke vannstoff til ballonger.

    Om jeg trenger det så får jeg til ballonger med lut og kastikk og alufolie på ei flaske og en ballong over tuten. De stiger til værs.

    • KEE · april 26, 2016

      Recorderen får et ufortjent dårlig rykte av å være det første ikkeslagverksinstrument man møter i klasseromsundervisning. Det kan komme mye god lyd av en sånn, gjerne akkompagnert av en kassegitar med nylonstrenger og fremført i et rom bygd med tanke på gjenklang.
      En ting jeg finner litt rart med det hele er hvorledes mer trente musikere kan bryte tonen og det blir fantastisk, mens når 3C av uhell gjør det samme så skjærer det langt ned i rotfyllingene.

  2. Odd Busmundrud · april 21, 2016

    Da jeg hadde min gange i lavtemperaturlaboratoriet på Blindern for rundt 50 år siden var det masse helium i kraner på veggene, ofte med en tilkoblet gummislange. Dette var for å ta vare på helium som dampet av fra dewarene (termosflaskene) hvor forsøkene foregikk ved 4,2 K (eller litt kaldere noen ganger), slik at den kunne forvæskes og brukes på nytt.
    Siden gassen hadde atmosfæretrykk, kunne man uten fare for sprengte lunger fylle lungene helt med helium, og få en skikkelig Donald Duck-stemme. Dette kunne f. eks. brukes når vi hadde skoleklasser på besøk, for å demonstrere hva lydhastigheten hadde å si for lydkvaliteten.

    • Carbomontanus · april 21, 2016

      Busmundrud

      Jeg fikk en gang en gummiballong fylt med Helium på stedet du nevner og tok med hjem. Og hadde den i en snor, og spikket en strikkmotor med propell som kunne settes fast med tape på undersiden. Og balanserte det hele av med småspiker og trakk opp og slapp.

      Den gjorde noen snurringer i luften.

      Så jeg fant ut at man må ha en heller lang brødpose og strikkmotor med kontraroterende dobbeltvirkende propell en på hver side, og siden vi ikke kan søle så mye med helium eller dra til Blindern hver gang må vi heller bruke vannstoff.

      Det var et firma som skulle re- lansere luftskipene og kalte seg «Airships» de skulle koste 20 millioner og ha 2 porschemotorer en på hver side og fylles med Helium.

      Ved en tilfeldighet traff jeg den frelste norske advokaten eller agenten for dette og sa at dette kan gjøres dramatisk mye billigere billigere og bedre. Jeg tilbød å lage en slik brødpose med 2 propeller, kun ved bruk av strikk, granflis pianotråd og balsa,…… og sende den ut fra galleriet i Colloseum kino på lanserings og reklamemøtet.

      Atter blev han helfrelst og fyr og flamme.

      Men var antagelig blakk, så «firmaet» kunne ikke så mye som sponse meg med en hundrelapp for dette eminente forsknings- og reklame-formål.

      Jeg tenkte også på å bruke en minste modellflymotor med gear og radiostyring og en svær draktpose med vannstoff, og fly innpå regjeringsbygget statsministerens kontor og titte inn der med fjernstyrt camera.

      Men noe av det mest seriøse jeg har tenkt efter å ha laget såpebobler med vannstoff, som stiger så fort og brutalt at de sprekker, er å blande og dimensjonere en gass som flyter akkurat nøytralt i luften og la den inneholde O2, H2, C2H2 og Butan støchiometrisk.

      Da vil man kunne få til ganske betraktelige, ja stundom eorme bobler på festivalene, som hverken stiger eller daler, men som sier BANG! om man holder en fyrstikk under.

      Mindre dramatisk, men som faktisk vil kunne være både nyttig og salgbart og ikke minst lovlig,… er å dimensjonere en gass som sammen med såpehinnen vil flyte akkurat i luften og kanskje bare stige ganske ørlite, og som er billig og helt ufarlig.

      Zeppelinerne gikk faktisk med diesel for å ha rekkevidde.

  3. Carbomontanus · mai 2, 2016

    Kristiansen & al

    Det er en ting til vi kan nevne.

    Dykker- stemmer.. når de er nede i klassisk dykkerdrakt med hjelm eller i dykkerklokker under trykk. Da er de kjent for å ha froskeaktig, kvekkende stemmer.

    Men se opp for en ting, strupemikrofon. Det har jeg selv bruktben gang, og man får en barsk, dypt kvekkende, krigersk stemme. Og just det kan ha vært brukt av hjelmdykkere. Det ble ellers brukt i fly under WW2 der man måtte ha surstoffmaske.

    Klassiske dykkerklokker er neppe nede på mer enn 40 meter for under det får man kvelstoffnarkose som ligner lystgass og grør at man begynner å tulle.

    Men se på formelen 1/2pi roten av Cp/Cv * P/M * RT. Trykket P nedover øker med 1 bar pr ti meter vann. Og tilsetter man også Helium i den blandingen for å unngå kvelstoffnarkose, så blir lydhastigheten spretten.

  4. Tilbaketråkk: Det mest avanserte signalet vi har | Kollokvium

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s