「ドナルドダック・ボイス」の原理とは？科学的視点から元塾講師がわかりやすく解説

ライター／Ayumi

理系出身の元塾講師。わかるから面白い、面白いからもっと知りたくなるのが化学！まずは身近な例を使って楽しみながら考えさせることで、多くの生徒を志望校合格に導いた。

1.「ドナルドダック・ボイス」って何？

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ドナルドといえばあの有名なキャラクターですよね。アニメや映画の中でもダック、つまりアヒルのグワッグワワッという鳴き声を聞くことができるでしょう。とても特徴的な声なので、マネをしようと練習したことのあるひともいるかもしれませんね。

今回のテーマである「ドナルドダック・ボイス」はそんな声を想像してください。科学の原理を応用すれば、ただの声マネではなく、あるガスを使うことでその声を再現できてしまうのですから驚きです。では詳しく見ていきましょう。

2.ガスを吸うと声が変わる！

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(本当は危険なことなのですが)風船に入っているヘリウムガスを吸って声が変わるのを楽しんだことがある人はいませんか。ヘリウムガスは吸うと声が高くなることで知られています。パーティーグッズとしても最近では様々な種類が売られていますよね。鼻をつまみながらガスを吸い込むとうまくいきますよ。ところで、なぜそれで声が変わるのか疑問に思ったことはありませんか？

ヘリウムガスは無味無臭、無色で無毒であり、希ガスに分類されます。ネオンやアルゴンと同じ分類ですね。風船に入れられているヘリウムガスというのは、中身が100%ヘリウムのガスボンベから供給されたものです。一方でジョークグッズであるヘリウムは酸素も20%ほど含みます。いくらヘリウムガスが無毒であるとはいえ、一度に大量に吸えば一時的に酸欠による呼吸困難になることもあるでしょう。だからこそ、ドナルドダック・ボイスで遊びたいと思ったときは、それ専用のガスを使うことが大切ですよ。

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3.ヘリウムガスが変声させる原理

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音というのは空気や物質を介し、波となって伝わります。この波が人の鼓膜までつながることで、音として感知することができるのです。音の高さ(振動数/周波数・波長)、大きさ(振幅)、音色(波形)の3つの要素で音は決まるといっていいでしょう。さらに、どんな物質を介して伝わるかによっても音の聞こえ方は異なります。

ドミノを並べたとき、1枚1枚の間隔を詰めたほうがより速く倒れ進んでいくでしょう。このようにより密度の高い物質を介して音が伝わるとき、音速は速くなるのです。物質の三態で比較した場合、音速は固体＞液体＞気体 の順になります。

3-1.空気とヘリウムにおける音速の差

空気の分子量は、空気を構成している気体分子の分子量や割合の関係から28.8となります。ヘリウムは原子量4ですから、水素に次いで2番目に原子量の小さな物質でしたね。そのために風船は浮くのです。このとき、ヘリウムは空気中の他の分子に比べて小さく動きやすい分、音を伝える速度が速くなることが知られています。空気中では約330m/sであるのに対し、ヘリウムガス中では約3倍の970m/sという速さです。

3-2.音と波長の関係

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音速と振動数というのは比例関係にあります。つまり、音速が早ければ早いほど振動数も大きくなり、音が高くなるということなのです。このように考えてみましょう。

指で輪ゴムを持ち、弾いてみましょう。音の高さや大きさを変えるためにはどうしたらいいのか、考えてみるのです。

音の高さを変える場合、弾く力は同じでも、ゴムを緩く張れば低く、ピンと張れば高い音が出ますね。このとき、ゴムの動きはどうなっていますか？低い音の時にはゴムがゆっくり、高い音の時には速く振動しているのがわかるでしょう。このように音の高さと音の波が速いこと(振動数が多いこと)を関連付けて考えてみるといいですね。

続いては音の大きさについてです。ゴムの張り方を同じにして、強く弾けば大きな音、弱く弾けば小さな音になるでしょう。このとき、大きな音ではゴムが大きく振動し、小さな音では振動も小さくなっていることがわかります。この幅(振幅)が音の大きさの決め手になっているのです。

3-3.人は声帯を震わせて声を出す

さあ、音についての基本を知ったところで結論といきましょう。

人は呼吸によって空気を吸い込み、肺から出ていきます。声を発する際は、その空気が喉にある声帯という膜の震えを音の波として伝えるのです。口を出るまでの声道という空間で音の波が響き合い、共鳴することによって音は増幅されます。ヘリウムガスを吸うと、空気よりも速く音を伝えるのは説明した通りですね。これにより声道で共鳴する音の振動数が大きくなるとともに、高い音として聞こえるようになるということなのです。

4.まだある！声とガスの不思議な関係

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ヘリウムは空気よりもはるかに軽い気体であるというのが、結果的にドナルドダック・ボイスがうまれる理由だということがわかりましたね。それでは、その反対についても考えてみましょう。

空気よりも重い気体、原子量84のクリプトンで考えてみます。これもヘリウム同様に無臭で無色な希ガスです。ヘリウムガスのように気軽に実験できるものではありませんが、ぜひ動画サイトを見てみてください。ヘリウムとは逆に声が低くなる様子が見れるでしょう。

今後大気中に存在する気体分子の割合が変わってしまえば、もしかしたら人の声は変わってしまうかもしれません。そう考えると、人の声を決めているのは窒素ガスであるといえるかもしれませんね。

ヘリウムガスで試してみよう！

ヘリウムガスは空気より比重が軽いため、空気中よりも音が早く伝わります。それに伴って周波数も高くなるため、結果としてドナルドダック・ボイスと呼ばれる高い声に変わるのです。この原理の逆を考えれば、空気よりも重い気体を吸い込むことで声が低くなるのが想定されるでしょう。実はその通りで、同じく希ガスであるクリプトンガスを吸い込むことで、声は低くなります。ただし入手が困難であり実験は容易ではありません。動画サイトなどで検索してみるといいでしょう。また、くれぐれも風船から直接ヘリウムガスを吸うことのないよう、気をつけてくださいね。

ところで、このドナルドダックですが、正式なプロフィールではドナルド・フォントルロイ・ダックというのを知っていましたか。水兵をモチーフにしたセーラー服がトレードマークですよね。50年以上も前に公開されたディズニー映画には、ドナルドが声変わりしてしまうエピソードのものもあるようです。「ドナルドのジレンマ」「ドナルドの夢の声」というタイトルなので、ぜひ探して見てみてくださいね。