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des ballons avec de l’hélium
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 (par poussée d’Archimède). Une autre des conséquences de cette densité beaucoup plus faible, c’est la vitesse de propagation du son dans ce gaz.

Dans l’air le son se propage à la vitesse de $340\text{ m/s}$. Dans l’hélium, à $978\text{ m/s}$ : le son se déplace trois fois plus vite dans l’hélium !

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, la fréquence du son dans le larynx est le même qu’avant, mais c’est quand le son sort de la bouche (et passe de l’hélium à l’air) qu’il change de hauteur : le son passe d’un milieu où il se propage vite à un milieu où il se propage beaucoup plus lentement. 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 : la longueur d’onde de l’onde sonore diminue, sa fréquence augmente : 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 (on aurait juste du mal pour respirer…).

Maintenant, il existe également des gaz beaucoup plus denses que l’air. L’un d’eux est l’hexafluorure de soufre, qui est près de six fois plus dense 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 et le résultat obtenu est plutôt spectaculaire.

Notez que respirer de l’hélium n’est pas dangereux : l’hélium est inerte et n’est pas un poison. Le soucis c’est juste que des poumons remplis d’hélium sont alors vides d’oxygène. Si l’on reste comme ça, on s’étouffe, non pas par présence d’hélium mais par manque d’oxygène. Il faut donc penser à respirer normalement durant plusieurs minutes entre chaque inhalation d’hélium.
La même remarque peut-être faite pour l’hexafluorure de soufre, à ceci près que ce gaz (très dense) peut s’accumuler au fond des poumons (étant plus lourd, il y reste). Il ne faut donc pas en abuser…

Photo d’en-tête de Jeffrey Beall

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