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Perchè l'elio modifica la tua voce ?

Sicuramente ognuno di voi avrà provato ad inalare elio ...almeno noi l'abbiamo fatto... ed avrà sentito quale divertentissimo effetto ha sulla propria voce. Vediamo perchè:

La voce umana e prodotta dal flusso d'aria che risalendo la trachea subisce delle variazioni di pressione mentre passa fra le corde vocali, che vibrano, e la laringe. Il suono prodotto consiste di una frequenza fondamentale, che determina la tonalità della voce e delle armoniche (multipli interi) di questa frequenza. Per i maschi adulti la frequenza fondamentale è di circa 130 hertz, mentre nelle femmine adulte siamo intorno ai 205 hertz. Le ampiezze delle armoniche della voce variano approssimativamente 1,5 volte l'inverso dell'ordine dell'armonica.

Il suono che esce dalla bocca è il risultato della trasmissione selettiva effettuata dalla configurazione del tratto vocale (gola, bocca e cavità nasali) e dal movimento della lingua e delle labbra.
In ogni cavità le onde sonore rimbalzano avanti ed indietro interferendo costruttivamente per alcune frequenze (frequenze di risonanza) generando un suono intenso, ed in "contro-fase" per altre che risulteranno attenuate o addirittura annullate.
Le cavità del tratto vocale hanno varie frequenze di risonanza, e la più ampia nella curva di trasmissione sonora rappresenta la frequenza di risonanza fondamentale.
Le armoniche vicine saranno trasmesse con una ampiezza notevole, mentre le altre saranno annullate. La frequenza di risonanza più bassa viene detta "fondamentale" mentre le altre saranno dette "formanti".

Dopo questa introduzione tecnica veniamo al dunque: la frequenza di risonanza di una cavità è direttamente proporzionale alla velocità del suono nel gas che la occupa. Ma dalla teoria cinetica dei gas, in accordo con le esperienze fatte, sappiamo che la velocità del suono in un gas ideale (come l'aria secca) è proporzionale alla radice quadrata del rapporto Temperatura/Peso molecolare (M) del gas stesso.
Ad una data temperatura e un dato volume della cavità, risulta chiaro che la velocità del suono sarà più elevata nei gas con il minor peso molecolare. Per esempio nell'aria secca (M=28.964) a 0°C è di 331.3 m/s. Alla stessa temperatura nell'elio (M=4.003) la velocità è di 891.2 m/s.
La frequenza di risonanza del tratto vocale, e quindi anche le frequenze formanti, sono circa 2.7 volte più elevate nell'elio che nell'aria.
Alla pressione di una atmosfera, inalando elio puro, la voce avrà una tonalità più alta di circa due ottave e mezza (tipo Paperino !!).
Con una miscela che contiene il 68% di elio (in volume) ed ossigeno, l'incremento di tonalità sarà solo di una ottava e mezza... sempre divertente !!!

Zii.it docet !!

Testi di riferimento:

E. G. Richardson, "Technical Aspects of Sound" (Elsevier, New York, 1953), Chapter 10.
F. Reif, "Fundamentals of statistical and thermal physics" (McGraw-Hill, New York), Chapter 5.