Perché l’elio influisce sulla voce?

Molti bambini sarebbero d’accordo: Succhiare una boccata di elio da un palloncino fa sembrare la tua voce esilarante. Ma contrariamente alla credenza popolare, il passaggio dall’aria al gas elio non aumenta effettivamente il tono della voce (almeno non molto). Invece, colpisce una proprietà molto più misteriosa del suono, chiamata “timbro”. Invece di cinguettare note alte come Titti, cominci a starnazzare come Paperino.

Ma perché l’elio influenza la tua voce con quel tono acuto?

Prima di tutto, ecco cosa succede nella tua gola quando parli: Secondo l’esperto di acustica John Smith, un biofisico dell’Università del Nuovo Galles del Sud (UNSW) a Sydney, Australia, generiamo il suono facendo vibrare rapidamente due piccoli lembi di membrana mucosa, chiamati pliche vocali, nella nostra laringe. I movimenti avanti e indietro di queste pieghe interrompono il flusso d’aria dai polmoni per creare “sbuffi” di suono.

Se le pieghe vocali si muovono avanti e indietro 100 volte al secondo, producono sbuffi con una frequenza di 100 battiti al secondo (Hz). Movimenti addizionali delle pliche vocali, come le collisioni tra loro, generano frequenze aggiuntive che sono multipli di quella frequenza fondamentale: Le “armoniche” a 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz e così via.

Tutte queste frequenze viaggiano insieme attraverso il tratto vocale – la cavità tubolare che dalla laringe sale attraverso la gola e la bocca verso il mondo esterno. A seconda della sua forma, questo tratto risuona con certe armoniche generate dalle tue pieghe vocali, cioè vibra a tempo con esse. Così facendo, il tratto vocale amplifica quelle frequenze armoniche risonanti, rendendole più forti.

Così, le armoniche create dalle tue particolari pliche vocali abbinate alla forma del tuo particolare tratto vocale producono una collezione unica di frequenze risonanti che, prese insieme, danno alla tua voce la sua qualità sonora distintiva, o timbro.

Ecco dove entra in gioco l’elio. Il suono viaggia a 1.128 piedi al secondo (344 metri al secondo) attraverso l’aria normale, ma viaggia a 3.041 piedi al secondo (927 metri al secondo) attraverso il gas elio. Questo perché le molecole di azoto e ossigeno che compongono la maggior parte dell’aria sono molto più pesanti degli atomi di elio, quindi non oscillano avanti e indietro così velocemente. (Questa oscillazione è ciò che spinge l’onda sonora attraverso il gas.)

In fisica, la velocità di un’onda è uguale alla sua frequenza moltiplicata per la sua lunghezza d’onda. Quindi, se un’onda sonora viaggia più velocemente attraverso un tratto vocale pieno di elio che attraverso un tratto vocale pieno d’aria, la sua frequenza o la sua lunghezza d’onda devono essere aumentate anche in una cavità piena di elio.

Le lunghezze d’onda che entrano in risonanza con il tratto vocale dipendono solo dalla sua forma – vale a dire, le armoniche risonanti sono quelle i cui picchi consecutivi si adattano perfettamente al tratto vocale – quindi le loro lunghezze d’onda rimangono le stesse indipendentemente dal fatto che il tratto sia pieno di elio o di aria. (In altre parole, le molecole di gas all’interno del tratto oscillano avanti e indietro alla stessa distanza, indipendentemente dalle molecole che sono.)

Questo significa che le frequenze delle armoniche risonanti devono invece aumentare in una cavità riempita di elio. Secondo Smith e colleghi in “Physics in Speech”, un articolo di riferimento sul sito web della UNSW, le frequenze di risonanza sono diverse volte più alte in un tratto vocale riempito di elio rispetto a uno riempito d’aria.

E questo significa che alcune componenti acute della voce vengono amplificate rispetto alle componenti basse, cambiando drasticamente il timbro generale della voce. “C’è meno potenza alle basse frequenze, quindi il suono è sottile e stridulo”, scrivono i fisici della UNSW.

Ci si potrebbe chiedere perché le anatre suonano sempre così, nonostante respirino aria normale. Secondo gli esperti, “un’anatra articolata ma altrimenti standard avrebbe un tratto vocale più corto del nostro quindi, anche respirando aria, Donald avrebbe risonanze a frequenze piuttosto più alte delle nostre.”

Seguite Natalie Wolchover su Twitter @nattyover o Life’s Little Mysteries @llmysteries. Siamo anche su Facebook & Google+.