本文由公众号 “把科学带回家” 提供

给孩子最好的科学教育

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相信每个非专业音乐爱好者在KTV扯嗓子的时候都有这样一个痛——一飙高音就破音,实在是太失败了。

那些能唱海豚音的人是怎么做到的,难道他们的喉咙是奇行种吗?

今天就来解答你的千年疑问。

关键概念

共振频率

材料和操作

一根长长的管子,如PVC管子

一个破喉咙

好的,这个实验非常简单,只要你对着管子,从你能吹的最低音吹到你能吹到的最高音就可以了。

吹的过程中你会发现,有一个音你是怎么也吹不出来的。

可以听一听下面这些网友尝试吹管子时的爆笑结果——

https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_801530876545892355

@Dianna Cowern

原理

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管子的这个音发不出来,和你唱破音是一个道理,都和一个物理概念——共振频率有关。

澳大利亚新南威尔士大学的声学研究者Joe Wolfe一直以来研究的是各种歌唱家的发声技巧的物理原理。

他对这个奇妙现象的看法是,当你在吹管子的时候,你的声带没有办法应对管子发生共振时的气流。

是这样的,一个系统有自己的固有频率。

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比如敲击玻璃杯发出的音高,就代表着它的固有频率。如果你的音高,也就是频率接近玻璃杯的固有频率,就会发生共振,玻璃杯的振幅就会变得很大,它就会碎。这就是共振频率。

当然了,共振频率和固有频率并不总是相同,比如人的声腔就有好几个共振频率。

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Wolfe 解释道,当你吹出的频率(音高)小于共振频率的时候,在你的喉管和管子之间的空气的振动和你的声带振动是同相位的。这就好比你慢慢拉弹簧的时候,弹簧的运动方向和你手的运动方向一致。

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而当你吹出的频率大于共振频率的时候,空气的震动和声带的震动是反相位的。你可以理解为,当你拉弹簧的频率很快的时候,你的手的运动方向和弹簧的运动方向相反。

Wolfe 说,当你的音高正好处于共振频率时,你的声腔没有办法应对这突如其来的相位变化,这就好比你很难把握弹簧的运动和你手的运动从同步到相反的那一瞬间的转变一样。

此外,在共振时,你的声带需要更大的力量才能把空气逼出去。而没有受过专业训练的你的声腔无法完美地使出足够的力量,并应对相位的变化,因此才会跳过那个共振频率。换句话说,管子被你吹破音了。

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可是,人的声道也是一根管子,也有自己的共振频率,那么歌唱家们是不是无法唱出这个调子呢?他们为什么可以不破音呢?

Wolfe和同事对此做过研究,并把研究成果发表在了2016年的Proceedings of Meetings on Acoustics上。

他说,人的声腔一般有2个比较强的共振频率,都在0-2000赫兹之间。但是女高音歌唱家有时要唱到3000赫兹的极限音高,显然这个频率在声腔的共振频率之外。

为了让自己的高音能被听见(不破音),女高音歌唱家能够调整自己的声腔,比如嘴巴还有喉咙的形态,把它的共振频率变成自己要唱的音高,这样就能随心所欲地让声腔发生共振。一旦发生发生共振,歌唱家就可以不用费劲地发声,也能让声音变响了。

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所以许多歌唱家在唱高音的时候,你可以看到他们把嘴巴长得很大,这就是他们在主动调整声腔共振频率的操作。知道怎么分辨假唱了吧?

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而这也是你会唱破音的一大原因。当你在转换音高的时候,你的声腔的共振频率并没有调整为相应的音高,共振无法发生,因此你的声音会突然变弱,这就是破音了。

总之看完唱破音的原理呢,我们明白,如果你是樱桃小口,你可能天生不适合唱歌了。不吹不黑,好的歌手一般都有张弹簧般灵活的大嘴,懂吗?

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来源: 把科学带回家