Pourquoi l’hélium affecte-t-il votre voix ?

La plupart des enfants seraient d’accord : Aspirer une bouffée d’hélium d’un ballon rend votre voix hilarante. Mais contrairement à la croyance populaire, le passage de l’air au gaz hélium n’augmente pas réellement la hauteur de votre voix (du moins pas beaucoup). Il affecte plutôt une propriété beaucoup plus mystérieuse du son, appelée « timbre ». Plutôt que de gazouiller des notes aiguës comme Titi, vous vous mettez à caqueter des mots comme Donald Duck.

Mais pourquoi l’hélium affecte-t-il votre voix avec ce ton rocailleux ?

Pour commencer, voici ce qui se passe à l’intérieur de votre gorge lorsque vous parlez : Selon l’expert en acoustique John Smith, biophysicien à l’Université de New South Wales (UNSW) à Sydney, en Australie, vous générez un son en faisant vibrer rapidement deux petits volets de muqueuse, appelés plis vocaux, dans votre boîte vocale. Les mouvements de va-et-vient de ces plis interrompent le flux d’air provenant de vos poumons pour créer des « bouffées » de son.

Si vos plis vocaux s’agitent d’avant en arrière 100 fois par seconde, ils produisent des bouffées d’une fréquence de 100 battements par seconde (Hz). Les mouvements supplémentaires des plis vocaux, comme les collisions entre eux, génèrent des fréquences supplémentaires qui sont des multiples de cette fréquence fondamentale : « harmoniques » à 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz et ainsi de suite.

Toutes ces fréquences voyagent ensemble dans le conduit vocal – la cavité en forme de tube qui mène du larynx au monde extérieur en passant par la gorge et la bouche. En fonction de sa forme, ce conduit résonne avec certaines harmoniques générées par vos plis vocaux, ce qui signifie qu’il vibre en même temps qu’eux. Ce faisant, le conduit vocal amplifie ces fréquences harmoniques résonantes, ce qui les rend plus fortes.

Donc, les harmoniques créées par vos plis vocaux particuliers associées à la forme de votre conduit vocal particulier produisent une collection unique de fréquences résonantes qui, prises ensemble, donnent à votre voix sa qualité sonore distinctive, ou timbre.

C’est là que l’hélium entre en jeu. Le son se déplace à 344 mètres par seconde (1 128 pieds par seconde) dans l’air ordinaire, mais il se déplace à 927 mètres par seconde (3 041 pieds par seconde) dans l’hélium. Cela s’explique par le fait que les molécules d’azote et d’oxygène, qui constituent la majeure partie de l’air, sont beaucoup plus lourdes que les atomes d’hélium, de sorte qu’elles n’oscillent pas aussi rapidement d’avant en arrière. (Cette oscillation est ce qui pousse l’onde sonore à travers le gaz.)

En physique, la vitesse d’une onde est égale à sa fréquence multipliée par sa longueur d’onde. Ainsi, si une onde sonore se propage plus rapidement dans un conduit vocal rempli d’hélium que dans un conduit vocal rempli d’air, soit sa fréquence, soit sa longueur d’onde doit être boostée dans une cavité remplie d’hélium également.

Les longueurs d’onde qui résonnent avec le conduit vocal dépendent uniquement de sa forme – c’est-à-dire, les harmoniques résonantes sont celles dont les pics consécutifs s’insèrent parfaitement dans le conduit vocal – donc leurs longueurs d’onde restent les mêmes, que le conduit soit rempli d’hélium gazeux ou d’air. (Dit autrement, les molécules de gaz à l’intérieur du tractus oscillent d’avant en arrière sur la même distance, quelles que soient les molécules dont il s’agit.)

Cela signifie que les fréquences des harmoniques de résonance doivent plutôt augmenter dans une cavité remplie d’hélium. Selon Smith et ses collègues dans « Physics in Speech », un article de référence sur le site de l’UNSW, les fréquences de résonance sont plusieurs fois plus élevées dans un conduit vocal rempli d’hélium par rapport à un conduit rempli d’air.

Et cela signifie que certaines composantes aiguës de votre voix deviennent amplifiées par rapport aux composantes graves, ce qui change radicalement le timbre global de votre voix. « Il y a moins de puissance aux basses fréquences, donc le son est fin et grinçant », écrivent les physiciens de l’UNSW.

On peut se demander pourquoi les canards ont toujours le même son, malgré une respiration normale. Selon les experts, « un canard articulé mais autrement standard aurait un tractus vocal plus court que le nôtre, donc, même en respirant de l’air, Donald aurait des résonances à des fréquences plutôt plus élevées que les nôtres. »

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