overtoner – schwa.dk

Jeg havde for noget tid siden et indlæg om hvorfor man får lysere stemme af at inhalere helium. Årsagen er, som jeg skriver, at lyd bevæger sig hurtigere i helium, men det er ikke meget af en forklaring. Her er derfor en lidt mere teknisk forklaring.

Hvis vi regner med at talekanalen er et 17 cm langt jævnt rør, og tager udgangspunkt i en neutral talekanalkonfiguration, svarende til vokalen [ə], vil lydbølger med en amplitude ved 17 cm blive forstærket, dvs. bølger med bølgelængde (λ) på 68 cm, 22,7 cm, 13,6 cm osv. (17/((2*n-1)*0,25) cm). Det skyldes at luftmolekylerne i den luftsøjle der er i talekanalen, har mere bevægelsesfrihed ved rørets udmunding end i bunden af røret.

I almindelig atmosfærisk luft rejser lyden med ca. 340 meter i sekundet. Ved en tone på 340 Hz er λ = 1 meter. Hvis talekanalen er fyldt med atmosfærisk luft, vil en lydbølge med λ = 68 cm have en frekvens på 500 Hz (34.000/68 Hz). Overtoner omkring 500 Hz vil derfor blive forstærket (ligeledes frekvenser på 1500, 2500, 3500 Hz osv.)

I helium rejser lyden hurtigere, nemlig med ca. 1000 m/s. Hvis talekanalen er fyldt med helium, vil en lydbølge med λ = 68 cm således have en frekvens på 1500 Hz i stedet for 500 Hz. I helium er resonansfrekvenserne i en resonator således højere end i atmosfærisk luft. Det giver indtrykket af en lysere stemme.

Reelt fylder man dog ikke munden 100 % med helium, så effekten er noget mindre end dette. Et studie viser at resonanserne kun hæves i omegnen af 20-30 %. Det afhænger selvfølgelig af mængden af helium i talekanalen.

At lyden bevæger sig hurtigere har samme effekt på resonansfrekvenserne som hvis man forkortede talekanalen (om man løber dobbelt så hurtigt eller halvt så langt, har samme effekt på hvor hurtigt man gennemfører et løb). Børn har en kortere talekanal end voksne, så derfor lyder stemmen mere barnlig når man indånder helium.

I sulfurhexaflourid rejser lyden med 150 m/s. En lydbølge med en λ = 68 cm har i her således en frekvens på 220 Hz. I sulfurhexaflourid sænkes resonansfrekvenserne altså, hvilket giver indtryk af en stemme tilhørende et væsen med usædvanlig lang talekanal.

Grundtonen bestemmes af stemmelæbesvingningerne, som bestemmes af luftgennemstrømningen i glottis og muskelspændingen i stemmelæberne. Begge faktorer er upåvirkede af gasarten i lungerne (jeg antager at det subglottale tryk er det samme uanset om man indånder helium eller almindelig luft). Man kan naturligvis forstærke effekten af heliumstemme ved at hæve grundtonen.

At inhalering af helium giver en lysere stemme skyldes altså at lyd rejser hurtigere i helium, hvilket resulterer i højere resonansfrekvenser, uden at det i sig selv har en effekt på grundtonen.

Bemærkninger

Lydens hastighed og talekanalens længde varierer. Værdierne er valgt for at give nogle bekvemme runde tal. Talekanalen er også kun tilnærmelsesvis er et jævnt rør.

Lydens hastighed i tør luft er 331 m/s ved 0 °C. En hastighed på 340 m/s svarer til omkring 15 °C.
Lydens hastighed i helium er 972 m/s ved 0 °C.
Lydens hastighed i sulfurhexaflourid er 146 m/s ved 0 °C.
I fugtig luft og højere temperatur stiger hastigheden.

(Kilder: http://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_hexafluoride, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/souspe.html)

En vokal kan siges at bestå af en grundtone og en række overtoner. Grundtonen er den frekvens vores stemmelæber svinger med, og det er normalt grundtonen der bærer melodien når vi synger.

Overtonerne er ikke noget vi almindeligvis hører som selvstændige toner. Lidt vagt formuleret er de med til at give lyden karakter. Det er overtonerne der gør at en C-node lyder forskelligt når man spiller den på fx en trompet ift. en fløjte, selvom det i en vis forstand er samme tone. Afhængigt af musikinstrumentets fysiske udformning vil nogle overtoner blive fremhævet, mens andre bliver dæmpet; det er blandt andet det der gør at musikinstrumenter lyder forskelligt.

På samme måde ændrer overtoneforholdene sig når vi artikulerer forskellige vokaler. Vi flytter rundt på tungen og læberne, hvilket ændrer på mundhulens udformning, hvilket gør at nogle overtoner fremhæves frem for andre.

Med teknikker med især tungen, læberne og struben kan man forme mundhulen således at bestemte overtoner fremhæves samtidig med at grundtonen dæmpes. Og hvis man mestrer disse teknikker, kan man frembringe hørbare melodier i overtonerne.

Overtonesang er særlig udbredt i folkemusik i området omkring Tuva og Mongoliet. Her er et klip med den tuvinske folkemusikgruppe Huun Huur Tu som demonstrerer en art overtonesang kaldet sygyt.

I folkemusikalske sammenhænge virker grundtonen som drone, mens overtonen bærer melodien, men nogle kunstnere er øvede i at bevæge både grundtonen og overtonen så de danner tostemmige melodier. Det gælder fx den tyske overtonesanger og komponist Jan Heinke.

Her er et filmklip hvor Jan Heinke synger en af sine egne kompositioner, og samtidig vises en spektrografisk analyse af overtonerne.

Her er endelig en laryngoskopisk optagelse af overtonesangeren Steve Sklars svælg mens han synger sygyt. Læg især mærke til den ekstreme indsnævring af svælget i forhold til normal sang. Dette tjener formodentlig til at dæmpe grundtonen.