Näin vähän aikaa sitten lyhyen videon. Katso se äänet päällä.

Video 1: Heliumia hengittävä Morgan Freeman.

Miksi äänestä tulee korkeampi, kun hengittää heliumia?

Okei, pohditaanpa asiaa. Mitä tiedätkään jo äänestä, mitä ääni oikeastaan onkaan?

Muistan, että ääni on pitkittäistä aaltoliikettä. Ilmanpaineeseen ja sen vaihteluun se liittyy. 

Näinpä juuri. Tarkastellaan hieman tarkemmin vielä, mitä se tarkoittaa fysikaalisesti. Aloitetaan sellaisella tilanteella, jossa pysäytämme ajan (Kuva 1).

Kuva 1: Ääni on pitkittäistä aaltoliikettä, jossa toistuvat ilmamolekyylien tihentymät (isompi paine) ja harvemmat alueet (pienempi paine). Ylipaine on paine-ero suhteessa vallitsevaan ilmanpaineeseen.

Ääni etenee ilmassa ilmanpaineen vaihteluna. Kun tarkastelemme äänen etenemistä jollain tietyllä ajan hetkellä, niin voimme havaita, että ilmamolekyylit ovat tiheästi yhdellä alueella ja harvasti toisella alueella. Täten ilmanpaine on säännöllisesti suurempi ja pienempi. Näiden tihentymien etäisyys on ääniaallon aallonpituus. Merkitään sitä merkillä $\lambda$.

Ilmanpaineen vaihtelut tihentymien ja harventumien välillä voivat olla erisuuruisia. Suurempi vaihtelu havaitaan suurempana äänen intensiteettinä ja äänenvoimakkuutena.

Ajan edetessä ilmamolekyylien tihentymät ja harventumat etenevät oikealle äänen nopeudella, joka on noin $330-345$ m/s, lämpötilasta ja ilmanpaineesta riippuen.

Tilannetta voidaan tarkastella myös vain yhdessä paikassa pienellä alueella, esimerkiksi tärykalvon ulkopinnan lähellä. Jos olet täysin hiljaisessa paikassa, tärykalvon ulkopinnan lähellä olevien ilmamolekyylien tiheys ei muutu ja ilmanpaine alueella on muuttumaton. Tällöin molekyylejä osuu tärykalvoon keskimäärin samassa ajassa saman verran. Jos taas ääniaallot liikkuvat alueen läpi, yhdellä ajanhetkellä hiukkasia on tähän normaalitilaan verrattuna enemmän, ja toisella ajanhetkellä vähemmän. Lisäksi tämä vaihtelu toistuu säännöllisesti. Kun hiukkasia on tiheämmässä, alueella on suurempi ilmanpaine, mikä painaa tärykalvoa enemmän. Vastaavasti kun hiukkasia on harvemmassa, alueella on pienempi ilmanpaine, mikä painaa tärykalvoa vähemmän. Aikaa, joka kuluu kahden tihentymän saapumisen välillä, kutsutaan ääniaaltojen jaksonajaksi. Merkitään sitä symbolilla $T$. Kuitenkin usein ääniaaltojen kohdalla puhutaan siitä, kuinka monta kertaa näitä tihentymiä havaitaan jossain tietyssä ajassa, esimerkiksi sekunnissa. Tätä kutsutaan ääniaaltojen taajuudeksi. Merkitään sitä symbolilla $f = 1/T$. Taajuuden yksikkö on saksalaisen fyysikon Heinrich Hertzin mukaan nimetty hertsiksi ($Hz$), joka tarkoittaa yhtä värähtelyä sekunnissa. (

Ja äänen taajuus kuvaa sitä, kuinka korkeana kuulemme äänen.

Juuri niin. Tutkitaan seuraavaksi taajuuksia vähän lisää. Tarkastellaan tilannetta, jossa ääni on taajuudeltaan $2 \: Hz$, eli se värähtelee kaksi kertaa sekunnissa. Tämä on hyvin matala ääni eikä ihmiskorva pysty sitä kuulemaan (Kuva 2).

Kuva 2: 2 Hz:n ääniaalto, esitetty suhteellisena ilmanpaineena ajan funktiona.

Ihmisen puheääni koostuu useasta taajuuskomponentista. Matalinta ja yleensä suurinta komponenttia kutsutaan perussäveleksi. Yläsäveliksi kutsutaan korkeampia ääniä, joiden taajuudet ovat matalimman komponentin moninkertoja. Ihmisen äänen synnyttämät ilmanpaineen vaihtelut ovat siis useamman komponentin eli eri taajuisen äänen summia. Edellisessä esimerkissä, jossa perussävelen taajuus oli $2 \: Hz$, yläsävelten taajuudet olisivat siis $4 \: Hz$, $6 \: Hz$, $8 \: Hz$ jne. Näiden komponenttien amplitudit ovat pienempiä kuin perusäänen. Jotkut näistä komponenteista aiheuttavat suuremman ilmanpaineen vaihtelun ja toiset pienimmän.

Jos haluat kuunnella erilaisia yläsäveliä, niin ääninäytteessä 1 on $110 \: Hz$ sävel ja sen 15 yläsäveltä ($220 \: Hz$, $330 \: Hz$ jne.).

Ääninäyte 1: $110 \: Hz$ sävel ja sen 15 yläsäveltä. Tekijä: Raoul NK.

Jos haluat tutkia lisää erilaisten aaltojen summaamista niin tutustu tähän Geogebra-applettiin. Voit muuttaa sinisen ja vihreän aallon amplitudia, vaihetta ja taajuuttaa liukusäätimistä ja tutkia punaisen summa-aallon muutoksia. 

Mikä merkitys näillä yläsävelillä on?

Edellä mainitsin, että äänen taajuus vaikuttaa siihen, kuinka korkeana koemme äänen. Tarkennan hieman: äänen korkeuden aistimukseen vaikuttaa nimenomaan äänen perussävelen taajuus. Yläsävelten amplitudien suhteet selittävät instrumenttien sointivärit: jos kitaralla, pianolla ja huilulla soitetaan A-taajuutta $f=220\:Hz$ yhtä suurella intensiteetillä, instrumentit toistavat yläsäveliä suhteessa eri voimakkuuksilla. Puheessa erotamme eri vokaalit toisistaan ääniaallon yläsävelten suhteiden perusteella. Tämän vuoksi meluisassa tilanteessa on vaikeaa ymmärtää toista, kun emme kuule kunnolla vokaalien yläsävelten suhteita. 

Eli onko heliumin tapauksessa niin, että se muuttaa äänen yläsävelten voimakkuuksien suhteita?

Kyllä. Kun hengittää heliumia, perusääni ja matalammat yläsävelet heikkenevät, samalla kun korkeammat yläsävelet voimistuvat. Näin ääni kuulostaa normaalia kimeämmältä. 

Miksi näin käy, eli miksi helium muuttaa äänen yläsävelien suhteita?

Kun ihminen ääntelee, hengitämme ilmaa ulos ja äänihuulemme värähtelevät. Nämä värähtelyt resonoivat niin kutsutussa ääntöväylässä. Ääntöväylä on alue äänihuulten ja huulten (sekä nenän) välillä (kuva 3).

Kuva 3: Ääntöväylä sijaitsee äänihuulten ja huulten sekä nenän välillä.

Voimme vaikuttaa itse äänen resonanssiin muokkaamalla ääntöväylän muotoa. Sano jatkuvasti "Aaaaaaaaa" ensin suu tavallisesti auki. Jatka saman äänen tekemistä ja nosta suupielesi hymyyn tai avaa suusi aivan ammolleen. Yläsävelten suhteet muuttuvat samalla kuin ääntöväylän muoto muuttuu.

Helium on ilmaa kevyempää, joten ääniaallot kulkevat heliumissa nopeammin kuin ilmassa. Ääniaaltojen perussävelen taajuus ei muutu, sillä sen määrää äänihuulten värähtelytaajuus. Aaltoliikkeen perusyhtälön mukaan

joten äänennopeuden kasvaessa äänen aallonpituudet kasvavat. Äänen nopeus ilmassa on $\approx 340 \:m/s$ ja heliumissa noin kolme kertaa suurempi, $\approx 1100 \:m/s$. Siten myös ääniaaltojen aallonpituus heliumissa on noin kolmikertainen ilmaan verrattuna. Tällöin perussävelen ja matalimpien yläsävelten aallonpituus kasvaa niin suureksi, että ne resonoivat ääntöväylässä huonommin; tila käy isoille aallonpituuksille liian ahtaaksi. Korkeampien yläsävelten aallonpituus taas kasvaa sellaisiksi, että ne resonoivat ääntöväylässä paremmin.  Vastaavasti esimerkiksi rikkiheksafluoridi on ilmaa painavampaa haasua, jossa ääniaallot kulkevat hitaammin kuin ilmassa. Tällöin matalampien äänien aallonpituudet vähenevät sellaisiksi, että ne resonoivat paremmin, ja korkeampien äänien aallonpituudet menevät niin pieniksi, että ne resonoivat huonommin.

Miksi sitten puheessa perussävelen aallonpituus muuttuu mutta taajuus ei?

Ääniaallothan syntyvät äänihuulten värähtelyistä. Äänihuulilla on oma ominaisvärähtelytaajuus, johon ympäröivä kaasu ei (paljoa) vaikuta. Jotta äänen aallonpituus ei muuttuisi heliumia hengitettäessä, äänihuulten tulisi jostakin syystä värähdellä kolme kertaa nopeammin tuosta noin vain. Näin ei käy.

Samanlaista resonanssitaajuuksien nousemista voi havainnollistaa yksinkertaisimmillaan puhaltamalla pulloon, joka täytetään heliumkaasulla (Video 2).

 Video 2: Puhalletaan pulloon, joka täytetään heliumilla.