為什麼男生的聲音比女生低？
― 變聲期時，喉嚨裡的「琴弦」變長又變重了
決定聲音高低的，是喉嚨深處兩片小小的皺褶，也就是「聲帶」。聲帶和吉他琴弦的震動原理相同。弦越長、越重，聲音就越低。男孩的聲帶原本和女孩差不多長，經過幾年的變聲期，會伸長到約1.6倍，厚度也會增加。
小學的時候，男生和女生唱歌的聲音都一樣高。
可是上了國中，男生的聲音開始突然沙啞、破音。過了一兩年，就完全變成低沉的「大人聲音」。
光是在電話裡聽聲音，大多數情況下就能分辨對方是男是女。這種差異，到底是從身體的哪裡產生的呢？
聲音變低的原因只有兩個
弦越長，震動得越慢。成年男性聲帶的震動部分，據說比女性長了約六成。
用同樣的力量拉緊，重的弦也只能慢慢震動。這就像吉他低音弦比較粗一樣。
這兩件事，都是因為青春期增加的男性荷爾蒙，讓喉嚨的骨架（喉頭）大幅成長。喉結突出來，就是那副骨架向前凸出的標記。
聲音，是由每秒100次以上的「開與閉」形成的
聲帶是位於喉結後方、左右各一片的柔軟皺褶。屏住呼吸或發出聲音時，這兩片會緊緊閉合。
從肺部推出的氣流，會從下方把閉合的聲帶推開。氣流通過後，皺褶因為彈力又會閉回去。這樣的開閉，據說成年男性每秒約重複100～130次，女性則是190～230次。這個次數，就直接成為聲音的高低。
圖1表示聲帶長度和震動次數的關係。請用滑桿改變長度看看。拉得越長，波的間隔越寬，聲音就往低的一側移動。
光靠長度，就能說明男女差異的大部分
弦的震動次數和長度成反比。長度變成2倍，次數就減半，也就是低了一個八度。
在聲音研究中常用的估算裡，聲帶的震動部分在成年男性約為1.6公分，女性約為1.0公分。長度比是1.6倍。而實際的聲音高低，男性約120赫茲，女性約200赫茲上下，同樣相差約1.6倍。光是長度的不同，就能說明差異的大部分。
再加上厚度與重量的差異。男性的聲帶肌肉層較厚，震動部分比較重。重的弦即使用同樣的力量拉緊，動作也比較遲緩，發出的聲音就比較低。
變聲期的喉頭，會在一兩年的短時間內變大。調節聲帶緊繃程度的肌肉用法，是配合先前較小的聲帶學會的。所以沒辦法發出想要的音高，聲音就會翻過去。等身體習慣了這個新樂器，破音自然就會停止。
大家常以為變聲只發生在男孩身上。其實女孩的聲帶在青春期也會稍微變長，聲音會略微沉穩下來。只是變化的幅度很小，幾乎不會被察覺。
總結
聲音的高低，取決於聲帶每秒開閉幾次。聲帶和琴弦一樣，越長越重，震動得越慢。男孩在變聲期間，聲帶會伸長到女性的約1.6倍，也會變厚。所以聲音大約降低一個八度，變成成年男性的低沉嗓音。
聲音有多低，取決於喉嚨深處那條「弦」的長度。
變聲，就是樂器本身被重新打造的那幾年。
為什麼自己的聲音錄下來聽起來像別人，請看「錄下來的自己的聲音，為什麼聽起來像別人？」；空氣柱發出聲音的原理，請看「對著瓶口吹氣，為什麼會發出「嗚～」的聲音？」。
- 用手指輕輕按在喉結附近，發出「啊～」的聲音，從低音慢慢升到高音。你會用手指感覺到喉嚨的骨架稍微往上移動，震動也變得更細密。
- 把橡皮筋套在兩根手指上撥彈。比較手指分開、橡皮筋拉長時，和縮短時的音高。因為緊繃程度也會改變，你應該會發現，不只長度，連拉緊的方式也會改變聲音。
- 用手機的樂器調音器 App，測測家人說話聲音的高低。成年男性和女性之間，應該會有1.5～2倍左右的差距。
說話時的音高，連在同一句話裡都會上下起伏。訣竅是多測幾次，看最常出現的數值。
想知道更多的人 ― 術語、公式，以及和課本的連結明確標示從國中自然到大學專業課程，各屬於哪個程度
- 國中國中自然課學到的範圍
- 高中高中「物理」「生物」學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會教、大學專業課程（語音科學、聲學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教、目前研究者正在探究的內容
國中術語：這個現象有名字
- 聲帶：位於喉頭內、左右各一片，由肌肉與黏膜構成的皺褶。會震動，產生聲音的原始音。
- 基頻：聲帶每秒開閉的次數。聽起來就是聲音的高低。單位是赫茲。
- 變聲：青春期喉頭與聲帶成長，使聲音的高低與共鳴改變。
國中高中用公式確認：從聲帶長度算出聲音高低
把聲帶看成繃緊的弦，震動次數就能用弦的公式來估算。我們實際算算男性與女性的聲音高低。
| 用符號寫 | f ＝ ( 1 ÷ 2L ) × √( σ ÷ ρ ) ＝ c ÷ 2L |
| 用文字寫 | 震動次數 ＝ 弦上傳遞的波速 ÷（弦長的2倍） |
| 這個公式從哪裡來 | 兩端固定的弦，波從一端走到另一端再回來的時間，就是震動一次的時間（弦的自然振動、梅森定律）。波速由拉力的大小與弦的重量取得平衡來決定。 |
| 符號 | 意義與單位 |
| f | 聲帶每秒震動的次數（基頻），單位是赫茲 |
| L | 聲帶震動部分的長度，單位是公尺 |
| σ | 拉扯聲帶的力，每1平方公尺截面上的強度，單位是帕斯卡 |
| ρ | 聲帶組織的密度，單位是公斤每立方公尺 |
| c | 聲帶上傳遞的波速（σ÷ρ 的平方根），單位是公尺每秒 |
| 成年男性聲帶的震動部分 | 據說約1.6 cm ＝ 0.016 m |
| 成年女性聲帶的震動部分 | 據說約1.0 cm ＝ 0.010 m |
| 兒童聲帶的震動部分 | 據說約0.7 cm ＝ 0.007 m 左右 |
| 聲帶上傳遞的波速 c | 依說話時的緊繃程度，估算約為每秒4 m |
| 男性：長度的2倍 | 2 × 0.016 ＝ 0.032 |
| 男性的聲音高低 | 4 ÷ 0.032 ＝ 125 赫茲 |
| 女性：長度的2倍 | 2 × 0.010 ＝ 0.02 |
| 女性的聲音高低 | 4 ÷ 0.02 ＝ 200 赫茲 |
| 兒童：長度的2倍 | 2 × 0.007 ＝ 0.014 |
| 兒童的聲音高低 | 4 ÷ 0.014 ≒ 286 赫茲 |
| 男女的比值 | 200 ÷ 125 ＝ 1.6 |
即使假設男女的波速相同，算出的數值也和實際說話聲音（男性約120、女性約200赫茲）十分吻合。從兒童到成年男性，由約286降到125，降到一半以下，算起來差不多低了一個八度。男女1.6倍的差距，相當於鋼琴鍵盤上黑白鍵合計約8個音的差別。
高中高中＋聲音的高低，和聲音的「共鳴」是兩回事
高中弦的固有頻率，會在物理的「弦的振動」中學到。加強拉力，波會變快，聲音就變高。我們說話時之所以能改變音高，是因為用拉扯聲帶的肌肉，細微調節了緊繃程度。
高中＋聲帶產生的聲音，會在喉嚨與口中的空間裡產生共鳴後，才傳到外面。這個空間共鳴的峰值，稱為「共振峰」。男性的聲道也比較長，所以不只音高，共鳴也偏低。即使用假音說高音，仍然保留男性聲音的特色，就是這個緣故。
大學聲帶為什麼能持續震動
聲帶光靠氣流的力量就能持續震動的原理，用「肌彈性－空氣動力學理論」來說明。打開和閉合的時候，空氣推動皺褶的力的方向會錯開。這個錯開的量，每次都會為震動多添一點力量，使擺動得以持續。「體–被理論」把聲帶分成表面柔軟的「被覆層」和內側肌肉的「本體」兩層來思考，是日本的耳鼻喉科醫師平野實所提出的。把男女聲音的差異拆成長度、厚度與緊繃程度來估算的研究，則常引用蒂策（Titze）的分析。
📖 公式的推導，以及更進一步的內容：聲帶（維基百科） ／ 蒂策（1989）男女聲音在生理與聲學上的差異
研究目前還不清楚的事
- 開始變聲時間的個體差異。 據說光靠荷爾蒙的量，無法充分說明開始的年齡與變化的大小。
- 低沉聲音的演化意義。 有一種假說認為，低沉的聲音曾作為向對方傳達體型大小的訊號。不過，其中有多少是演化的結果，仍在爭論。
- 年紀增長後聲音改變的機制。 有報告指出，到了高齡，男性的聲音傾向變得稍高，女性則稍低。與組織變化之間的關係，目前仍在研究中。
也就是說，這篇文章的內容，也是「就目前所知範圍內的說明」。弦的公式，只是把活生生的聲帶大幅簡化後的估算而已。
和課本的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目、單元 | 文章中的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然「聲音的性質」 | 頻率與音高、弦的長度與聲音 |
| 高中 | 物理「弦的振動」、生物「荷爾蒙」 | 弦的公式、青春期喉頭的成長 |
| 高中＋ | 物理進階「共鳴」 | 共振峰與聲音的共鳴 |
| 大學 | 語音科學、聲學 | 肌彈性－空氣動力學理論、體–被理論 |
| 研究 | 語音生理學、演化生物學 | 變聲的個體差異、低沉聲音的意義 |
| ― | 與生活的連結 | 理解變聲期的孩子、嗓音的健康 |
- I. R. Titze (1989) Physiologic and acoustic differences between male and female voices, The Journal of the Acoustical Society of America
- I. R. Titze, Principles of Voice Production（發聲原理的教科書）
- 日文維基百科「声帯」（聲帶）
- 日文維基百科「変声」（變聲）
※本文是寫給一般大眾的科學解說。文中的數值，是為了理解原理的參考值與概算。如果聲音沙啞或疼痛持續很久，請諮詢耳鼻喉科。