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On a tous plus ou moins déjà essayé de respirer de l’hélium pour avoir une voix aiguë, façon Donald Duck et s’en amuser. Mais savez-vous pourquoi l’hélium a cet effet là ?

L’hélium est un gaz sept fois moins dense que l’air : c’est pour cela qu’un ballon d’hélium flotte dans l’air. Une autre des conséquences de cette densité beaucoup plus faible, c’est la vitesse de propagation du son dans ce gaz.
Dans l’air — principalement un mélange de deux gaz diatomiques — le son se propage à la vitesse de $340\text{ m/s}$. Dans l’hélium, cette vitesse monte à $978\text{ m/s}$ : le son se déplace trois fois plus vite dans l’hélium que dans l’air.

En temps normal, quand les cordes vocales vibrent pour émettre un son, la vibration est transmise à l’air qui se trouve dans le larynx. La hauteur du son émis ne dépend que des cordes vocales, donc de la voix de la personne. Le son émis par les cordes vocales est celui que l’on entend :

son émis dans l’air
↑ le son sort de la bouche avec la même fréquence qu’il avait quand il est émis par les cordes vocales.

Si maintenant le larynx (où se trouvent les cordes vocales) et la bouche sont remplis d’hélium, le son passe d’un milieu où il se propage vite à un milieu où il se propage beaucoup plus lentement : l’air ambiant. À la sortie de la bouche, l’onde sonore est ralentie. Chaque « crête » de l’onde se rapproche de celle qui la précède et la distance entre elles diminue. En d’autres termes, la fréquence du son augmente et le son paraît plus aigu :

son émis dans l’hélium
↑ le passage du son de l’hélium à l’air provoque un ralentissement de l’onde sonore et une augmentation de la fréquence.

À l’émission, donc, le son émis est identique que l’on se trouve dans l’air ou dans l’hélium. C’est le passage de l’onde sonore d’un milieu (hélium) à un autre (air) qui provoque le changement de la hauteur du son.

Si on respirait de l’hélium dans une pièce remplie d’hélium, le son reçu et le son émis auraient la même hauteur et on entendrait un son tout à fait normal.

Maintenant, il existe également des gaz beaucoup plus denses que l’air. Le son s’y propage bien plus lentement et l’effet sur la voix est alors l’inverse et devient beaucoup plus grave. L’un de ces gaz est l’hexafluorure de soufre, et le résultat obtenu est plutôt spectaculaire.

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