Voix de canard

Un article du site scienceamusante.net.

Qui ne connaît pas le truc de l'hélium pour avoir une voix de canard ! L'hélium est un gaz inerte, monoatomique, de masse molaire 4 g/mol, de densité très faible (d=0,138), n'est pas inflammable, très abondant dans l'univers. En plongée sous-marine, on l'utilise en mélange avec l'oxygène dans les bouteilles pour les grandes profondeurs.

Il est donc parfaitement inoffensif, à condition de respirer de l'air pur entre deux prises d'hélium afin d'éviter une asphyxie...

1 Précautions

  • Respirer de l'air pur entre chaque prise d'hélium sinon on risque de manquer de dioxygène et s'évanouir.
  • Ne pas respirer des gaz dont on ne sait pas s'ils sont dangereux ou non ! En particulier, ne jamais respirer du gaz de ville, ni du propane, ni du butane, ni des gaz contenus dans des aérosols.
  • Ne jamais respirer directement un gaz provenant d'une bouteille sous haute pression, car cela pourrait faire exploser les poumons ou bien dissoudre une grande quantité de gaz dans le sang (danger de mort) !

2 Matériel

Vous pouvez vous procurer de l'hélium dans les boutiques de farces et attrapes, articles de fêtes, où on l'utilise pour gonfler les ballons (environ 0,50 € le ballon). Dites au vendeur de ne pas faire un noeud pour le fermer, mais d'utiliser une fermeture en plastique (plus pratique). Dans certains magasins, vous pouvez louer une petite bouteille d'hélium pour environ 40 € (hors caution de la bouteille).

3 Protocole expérimental

  • Défaire la fermeture plastique délicatement, vider ses poumons, mettre la bouche autour de l'ouverture et inspirer l'hélium au maximum.
  • Prononcer une phrase à voix haute. Exemple de voix de canard (MP3, 380 ko).
  • Une fois les poumons vidés, respirer de l'air normal plusieurs fois.

4 Explications

On trouve de nombreuses explications (sur Internet) à propos de ce phénomène de changement de hauteur de voix :

  • Certains racontent que les cordes vocales sont "gelées" par l'hélium, ce qui est bien sûr totalement faux puisque la température ne change pas...
  • D'autres l'expliquent par le fait que les cordes vocales vibrent à une fréquence plus haute car l'hélium est moins visqueux ou moins dense que l'air. Mais ce n'est pas cela puisque les cordes vocales vibrent toujours à la même fréquence.
  • On pourrait aussi expliquer ce phénomène par la réfraction des ondes sonores lorsqu'elle passent de l'hélium contenu dans les poumons à l'air ambiant tout comme la réfraction des ondes lumineuses lorsqu'elles passent de l'air dans le verre. Cependant, si cet effet peut modifier la longueur d'onde, il ne modifie pas la fréquence.
  • On peut même trouver l'explication que les "ondes d'hélium" traverseraient l'air à une plus grande vitesse que les "ondes d'air" lorsque le son arrive à nos oreilles... Mais cette explication est totalement erronée, puisque la propagation du son dans un gaz ne provoque pas de déplacement global du support matériel (le gaz), mais juste un mouvement très local lorsque l'onde de compression (longitudinale), qui compose le son, passe à cet endroit.
  • Un autre site explique que les plongeurs sous-marins boivent beaucoup de whisky pour compenser l'effet de l'hélium et retrouver une voix grave... je n'imagine même pas que cette histoire soit vraie...

Alors comment est-ce possible ? L'explication la plus plausible est celle rencontrée couramment dans des livres de physique :

Le changement de fréquence (f) de la voix vient du fait que les ondes sonores ne se propagent pas à la même vitesse dans l'hélium et dans l'air. En effet, la vitesse du son dans un gaz dépend de sa masse molaire (M), de la température (T), du coefficient adiabatique (γ) propre à chaque gaz et de la constante des gaz parfaits (R = 8,31) :

[math]V=\sqrt{\frac{\gamma R T}{M}}[/math]

Pour une température normale (20°C) et à pression atmosphérique, les vitesses sont :

  • Vair = 343 m/s
  • VHe = 1007 m/s

De plus, on a la relation entre la vitesse V de l'onde sonore, la fréquence f et la longueur d'onde λ :

V = λ.f

Or la longueur d'onde est constante car fixée par la longueur du système de résonance qui crée la voix dans le corps humain (colonne d'air, composée des poumons, jusqu'aux cordes vocales). Ainsi, si la vitesse du son est plus grande dans l'hélium, la fréquence du son émis sera aussi plus grande. Et plus la fréquence est grande, plus le son correspondant est aigu.

Il est possible d'obtenir le même phénomène avec d'autres gaz. Il est aussi possible, avec un gaz plus dense que l'air, d'obtenir une voix plus grave, au contraire d'une voix de canard. Attention cependant à ne pas respirer n'importe quel gaz, car certains sont nocifs voir très toxiques... De plus il y a toujours un risque d'asphyxie lorsqu'on respire autre chose que de l'air qui contient l'oxygène nécessaire à notre bonne respiration.

Par exemple, certains aérosols contiennent du protoxyde d'azote (N2O) SGH03SGH04, qui vous donnerait une voix plus grave. Ce gaz est plus connu sous le nom de "gaz hilarant" et sert lors de certaines anesthésies, pour endormir. Mais après une inhalation de ce gaz, des effets biologiques dangereux apparaissent : à faible dose, des bouffées de chaleur, des pertes de la conscience (troubles auditifs et visuels, évanouissement) ; à forte dose, asphyxie et mort. Il est donc fortement recommandé de ne pas tenter l'expérience !

5 Références

  • HyperPhysics (site Internet en anglais), plus particulièrement à la page de l'hélium.
  • Merci à Olivier Reynet d'avoir contribué à cette explication.