Varför ändras rösten av helium?

Mina elever ska få testa att ”prata roligt” med helium. Men hur uppstår den effekten egentligen? I ett svar som ni publicerade 2013 förklaras det med att ljud färdas fortare i helium på grund av gasens lägre täthet. Men jag har nyligen gått igenom med eleverna att ljud färdas fortare i vatten än i luft, på grund av vattnets högre täthet. I så fall borde ju ljud transporteras långsammare i helium, inte fortare. Hur hänger detta ihop?

/Ninni Petersson, NO-lärare och fritidspedagog för världens bästa klass 2A i Göteborg

Publicerad 2021-08-15

Formeln för ljudets hastighet (c) i ett medium där p är mediets densitet och K dess kompressionsmodul, även kallat bulkmodul, vilket är en kvot mellan tryck och volymförändring.
Bild: Getty images

Svar av Örjan Johansson, professor i teknisk akustik, Luleå tekniska universitet

Ljudets hastighet beror på två egenskaper i det medium som det rör sig i: mediets täthet (densitet) och hur lätt mediet är att komprimera. Ju lägre täthet desto snabbare ljud, och ju svårare att komprimera desto snabbare ljud. Att helium har lägre densitet än luft – vilket vi ser vi på att en heliumballong stiger uppåt – innebär därmed att ljud rör sig snabbare i helium.

Att ljudet rör sig snabbare i vatten än i luft, trots vattnets högre täthet, beror på att den andra egenskapen i det fallet blir utslagsgivande. Vatten låter sig nästan inte alls komprimeras av tryck, medan luft är lätt att komprimera. Detta är en genomgående skillnad mellan vätskor och gaser och gör att ljud i de flesta fall färdas fortare i vätskor.

Så till den andra delen av frågan: varför vi låter roligt när vi andats in helium. Ljudets väg från stämband via svalg och munhåla till läppöppning kan liknas vid ett rör. I detta rör förstärks grundton och vissa övertoner som i ett musikinstrument, vilket ger rösten dess klang. När röret i stället fylls med helium blir ljudets restid kortare, vilket gör att andra övertoner med högre frekvens förstärks. Effekten motsvarar att röret skulle ha förkortats – därför blir röstklangen mer som ett barns. Själva tonhöjden, röstens grundton, bestäms dock av stämbandens grundfrekvens och påverkas därför inte.