澳大利亚悉尼新南威尔士大学的物理学家约翰·史密斯对这个问题给出了答案。
在说话和唱歌时，我们通过声带的振动产生持续的元音。声带是声匣（或喉结）中小的黏膜瓣，它们会周期性地中断肺部的气流。声带以基频 fo 振动，这决定了声音的音高。在正常说话时，fo 通常在每秒 100 到 220 赫兹（Hz）之间振动。相比之下，女高音的基频范围在 250 到 1500 赫兹之间。声带的复杂运动意味着说话和唱歌还包含一系列谐波——基本上是所讨论频率的倍数——频率分别为 2fo、3fo、4fo 等。
通常，基频具有最大的声功率，但非常高的谐波虽然功率较小，但其优势在于位于约 3000 赫兹以上的范围内，管弦乐队的伴奏在该范围内提供的竞争较少。与男低音和男高音等较低的声音相比，女高音具有优势：由于她们的音域较高，她们唱歌时所代表的听觉频率，即 fo，位于耳朵最敏感的频率附近。相比之下，男性声音较低的基频无法轻易与管弦乐队的力量竞争；因此，男歌手通常必须依靠其较高的谐波才能被听到。
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经过古典训练的女高音还会使用一种称为“共鸣调谐”的技术来增强声带的振动并增加声音的力量。声道——声匣和嘴之间的“管道”——有一系列共振频率（R1、R2、R3 等），它们有效地将声功率从振动的声带传递到周围的空气中。位于或接近这些共振频率的谐波最有效地辐射为声音。
两个最低频率共振 R1（大约 300 到 900 赫兹）和 R2（大约 800 到 3000 赫兹）在语音中起着重要作用，为接近它们的基频谐波提供高功率。此外，我们可以通过移动我们的舌头、嘴唇、下巴等来改变共振频率。因此，调整嘴巴的配置会改变 R1 和 R2，这反过来又会改变哪些谐波被强调。
在唱歌时，基频决定了音高，音高由作曲家或表演者指定。歌手可以通过调整声道的共振频率以使其与音高的基频或谐波紧密匹配来显著提高音量。女高音可以以大大超过正常语音中 R1 值的基频唱歌，但如果她们保持 R1 不变，她们将无法从这种共鸣中获得多少好处。因此，她们将 R1 调谐到高于其在正常语音中的值以匹配 fo，从而保持音量和音调的均匀性。通常通过张大嘴巴，就像为高音微笑或打呵欠一样来实现这一点，这有助于使声道的作用有点像扩音器。（这种将 R1 调离其在正常语音中的值的调谐，以及谐波之间的大间隔，对清晰度有影响，这也是歌手在非常高的音高时难以理解的原因之一。）音高较低的歌手有时会调整 R1 以匹配谐波（例如，2fo）而不是基频，但通常不像女高音那样经常练习共振调谐。
尽管歌手可以产生非常响亮的声音，但他们如何与庞大而热情的交响乐团竞争呢？
一种策略是在高于 2000 赫兹的频率下最大化他们的声音输出。这是因为管弦乐队通常在 500 赫兹左右最响亮，声音强度在较高频率下迅速下降。此外，耳朵在 3000 到 4000 赫兹左右最敏感。为此，歌手通常会修改其声道的共振，以产生一个特征性的“声音环”，从而大大提高此频率范围内的声音输出。这对音高较低的声音比对女高音更有价值。
另一个有帮助的因素是歌剧演员产生的声音的性质。与管弦乐音乐家相比，歌剧演员传统上使用更多的颤音——音高中缓慢的周期性变化或“摆动”。这有助于我们听觉系统中的信号处理，将歌手的声音与周围管弦乐队的乐器区分开来。此外，很可能存在相当大的选择压力来关注人们在任何环境中产生的非常响亮的声音，因为这种声音可能是即将发生危险的警告。