Waarom beïnvloedt helium je stem?

De meeste kinderen zullen het met je eens zijn: Als je een slok helium uit een ballon zuigt, klinkt je stem hilarisch. Maar in tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, verhoogt de overgang van lucht naar heliumgas niet de toonhoogte van je stem (althans niet erg veel). In plaats daarvan beïnvloedt het een veel mysterieuzere eigenschap van het geluid, genaamd “timbre.” In plaats van hoge noten te tjilpen als Tweety Bird, begin je woorden te kwaken als Donald Duck.

Maar waarom beïnvloedt helium je stem met die rietachtige toon?

Op de eerste plaats: wat gebeurt er in je keel als je praat: Volgens akoestisch expert John Smith, een biofysicus aan de Universiteit van New South Wales (UNSW) in Sydney, Australië, genereer je geluid door twee kleine flappen slijmvlies, vocale plooien genoemd, in je stemkastje snel te laten trillen. De heen-en-weerbewegingen van deze plooien onderbreken de luchtstroom uit je longen, waardoor “pufjes” geluid ontstaan.

Als je stemplooien 100 keer per seconde heen en weer wiebelen, produceren ze pufjes met een frequentie van 100 slagen per seconde (Hz). Extra bewegingen van de stemplooien, zoals botsingen met elkaar, genereren extra frequenties die veelvouden zijn van die fundamentele frequentie: “

Al deze frequenties reizen samen door het spraakkanaal – de buisvormige holte die van de stemkast omhoog door de keel en de mond naar de buitenwereld leidt. Afhankelijk van zijn vorm resoneert dit kanaal met bepaalde harmonischen die door de stemplooien worden voortgebracht, wat betekent dat het in de maat mee trilt. Daardoor versterkt het spraakkanaal die harmonische resonantiefrequenties, waardoor ze luider worden.

Dus de harmonischen die door jouw specifieke stemplooien worden voortgebracht, in combinatie met de vorm van jouw specifieke spraakkanaal, produceren een unieke verzameling resonantiefrequenties die, samen, je stem zijn kenmerkende geluidskwaliteit, of timbre, geven.

Dat is waar helium om de hoek komt kijken. Geluid verplaatst zich 344 meter per seconde door gewone lucht, maar 927 meter per seconde door heliumgas. Dit komt doordat stikstof- en zuurstofmoleculen, waaruit lucht grotendeels bestaat, veel zwaarder zijn dan heliumatomen, zodat ze lang niet zo snel heen en weer schommelen. (Dat heen en weer slingeren duwt de geluidsgolf door het gas.)

In de natuurkunde is de snelheid van een golf gelijk aan zijn frequentie vermenigvuldigd met zijn golflengte. Dus als een geluidsgolf sneller door een stemband vol helium gaat dan door een stemband vol lucht, dan moet de frequentie of de golflengte in een met helium gevulde holte ook toenemen.

De golflengten die resoneren met de stemband hangen alleen af van de vorm van de stemband – d.w.z., de resonerende harmonischen zijn die waarvan de opeenvolgende pieken precies in het spraakkanaal passen – dus hun golflengten blijven hetzelfde, ongeacht of het spraakkanaal met heliumgas of met lucht is gevuld. (Anders gezegd, de gasmoleculen in het spraakkanaal trillen over dezelfde afstand heen en weer, ongeacht welke moleculen het zijn.)

Dat betekent dat de frequenties van de resonante harmonischen in plaats daarvan moeten toenemen in een met helium gevulde holte. Volgens Smith en collega’s in “Physics in Speech,” een artikel op de website van UNSW, zijn de resonantiefrequenties in een met helium gevuld spraakkanaal vele malen hoger dan in een met lucht gevuld spraakkanaal.

En dat betekent dat bepaalde hoge tonen van je stem versterkt worden ten opzichte van de lage tonen, waardoor het totale timbre van je stem drastisch verandert. “

Eenden vragen zich misschien af waarom eenden altijd zo klinken, ondanks het feit dat ze gewone lucht inademen. Volgens de experts zou “een gearticuleerde maar verder standaard eend een korter spraakkanaal hebben dan de onze, zodat Donald, zelfs als hij lucht ademt, resonanties zou hebben bij veel hogere frequenties dan de onze.”

Volg Natalie Wolchover op Twitter @nattyover of Life’s Little Mysteries @llmysteries. We zijn ook te vinden op Facebook & Google+.