Warum wirkt sich Helium auf die Stimme aus?

Die meisten Kinder würden zustimmen: Wenn man einen Lungenzug Helium aus einem Ballon saugt, klingt die Stimme urkomisch. Aber entgegen der landläufigen Meinung erhöht der Wechsel von Luft zu Heliumgas nicht wirklich die Tonhöhe Ihrer Stimme (zumindest nicht sehr stark). Stattdessen beeinflusst es eine viel mysteriösere Eigenschaft des Klangs, die „Timbre“ genannt wird. Anstatt hohe Töne wie Tweety Bird zu zwitschern, fangen Sie an, Wörter wie Donald Duck zu quaken.

Aber warum beeinflusst Helium Ihre Stimme mit diesem näselnden Ton?

Zunächst geht es darum, was in Ihrer Kehle passiert, wenn Sie sprechen: Laut Akustik-Experte John Smith, Biophysiker an der University of New South Wales (UNSW) in Sydney, Australien, erzeugen Sie Töne, indem Sie zwei kleine Schleimhautlappen, die sogenannten Stimmlippen, in Ihrem Kehlkopf schnell in Schwingung versetzen. Die Hin- und Herbewegungen dieser Falten unterbrechen den Luftstrom aus der Lunge und erzeugen so einen „Hauch“ von Schall.

Wackeln die Stimmlippen 100 Mal pro Sekunde hin und her, erzeugen sie einen Hauch mit einer Frequenz von 100 Schlägen pro Sekunde (Hz). Zusätzliche Bewegungen der Stimmlippen, wie z. B. Kollisionen miteinander, erzeugen weitere Frequenzen, die Vielfache dieser Grundfrequenz sind: „Obertöne“ bei 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz und so weiter.

Alle diese Frequenzen wandern gemeinsam durch den Vokaltrakt – den röhrenförmigen Hohlraum, der vom Stimmbehälter durch den Rachen und den Mund nach oben zur Außenwelt führt. Je nach Form schwingt dieser Trakt mit bestimmten, von den Stimmlippen erzeugten Obertönen mit, d.h. er vibriert im Takt mit. Dadurch verstärkt der Vokaltrakt diese harmonischen Resonanzfrequenzen und macht sie lauter.

Die von Ihren Stimmlippen erzeugten Obertöne, gepaart mit der Form Ihres speziellen Vokaltrakts, ergeben also eine einzigartige Sammlung von Resonanzfrequenzen, die zusammengenommen Ihrer Stimme ihre unverwechselbare Klangqualität oder ihr Timbre verleihen.

An dieser Stelle kommt Helium ins Spiel. Schall bewegt sich mit 344 Metern pro Sekunde durch normale Luft, aber mit 927 Metern pro Sekunde durch Heliumgas. Das liegt daran, dass Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle, die den Großteil der Luft ausmachen, viel schwerer sind als Heliumatome, so dass sie nicht so schnell hin und her schwingen. (Dieses Hin- und Herschwingen ist es, was die Schallwelle durch das Gas treibt.)

In der Physik ist die Geschwindigkeit einer Welle gleich ihrer Frequenz multipliziert mit ihrer Wellenlänge. Wenn sich also eine Schallwelle durch einen mit Helium gefüllten Vokaltrakt schneller ausbreitet als durch einen mit Luft gefüllten Vokaltrakt, muss entweder ihre Frequenz oder ihre Wellenlänge in einem mit Helium gefüllten Hohlraum ebenfalls verstärkt werden.

Die Wellenlängen, die mit dem Vokaltrakt in Resonanz gehen, hängen nur von dessen Form ab – d.h., die resonanten Obertöne sind diejenigen, deren aufeinanderfolgende Spitzen gut in den Vokaltrakt passen – ihre Wellenlängen bleiben also gleich, egal ob der Trakt mit Heliumgas oder Luft gefüllt ist. (Anders ausgedrückt: Die Gasmoleküle im Inneren des Trakts schwingen die gleiche Strecke hin und her, unabhängig davon, um welche Moleküle es sich handelt.)

Das bedeutet, dass die Frequenzen der resonanten Obertöne in einem mit Helium gefüllten Hohlraum stattdessen zunehmen müssen. Laut Smith und Kollegen in „Physics in Speech“, einem Referenzartikel auf der UNSW-Website, sind die Resonanzfrequenzen in einem mit Helium gefüllten Vokaltrakt um ein Vielfaches höher als in einem mit Luft gefüllten.

Und das bedeutet, dass bestimmte hochfrequente Komponenten Ihrer Stimme relativ zu den tieffrequenten Komponenten verstärkt werden, was die Gesamtklangfarbe Ihrer Stimme drastisch verändert. „Es gibt weniger Leistung bei niedrigen Frequenzen, so dass der Klang dünn und quietschend ist“, schreiben die UNSW-Physiker.

Man könnte sich fragen, warum Enten immer so klingen, wie sie es tun, obwohl sie normale Luft atmen. Die Experten meinen: „Eine artikulierte, aber ansonsten normale Ente hätte einen kürzeren Vokaltrakt als wir, so dass sie selbst beim Atmen von Luft Resonanzen bei etwas höheren Frequenzen als wir haben würde.“

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