헬륨가스를 마시면 목소리가 변하는 이유

 생일 파티나 예능 프로그램에서 풍선 속에 든 가스를 한 모금 들이마신 뒤 말을 하면 갑자기 오리처럼 꽥꽥 거리는 특별한 목소리가 나와서 웃음을 주곤 합니다. 우리는 이같은 현상을 디즈니 케릭터의 이름을 따서 도널드 덕 효과라고 부르고 있습니다.

많은 사람들이 헬륨가스를 마시면 목구멍과 성대가 일시적으로 쪼그라들어서 목소리가 얇아진다고 생각합니다. 하지만 헬륨가스는 우리의 신체 기관에 어떠한 물리적인 변화를 일으키지 않는데요. 목소리가 변하는 이유는 우리 눈에 보이지 않는 공기 속 기체 분자들의 밀도와 그 사이를 뚫고 나아가는 소리의 이동 속도가 만들어내는 물리학적 착각 때문입니다. 그래서 헬륨가스를 마시면 어떻게 우리의 목소리를 변조시키는지 과학적 원리를 설명해드리겠습니다.

목소리가 만들어지는 기본 원리

헬륨가스의 목소리 변화를 알기 위해서 우리의 목소리가 어떻게 만들어지는지 알아야 하는데요. 목소리는 크게 두 단계를 거쳐 완성됩니다.

1. 성대의 진동: 우리가 숨을 내쉴 때 목에 있는 성대가 파르르 떨리면서 최초의 소리를 만들어냅니다. 기타의 줄을 튕기는 것과 같습니다.
2. 성도의 공명: 성대에서 만들어진 작은 소리는 목구멍, 입안, 코안이라는 통로를 거치며 웅장하게 증폭됩니다. 이를 공명이라고 하는데요. 기타의 줄 밑에 있는 커다란 나무통 역할을 합니다.

우리의 귀에 들리는 목소리는 결국 성대에서 출발한 소리 파동이 입안에 가득 찬 기체를 뚫고 밖으로 나온 결과물입니다.

헬륨가스의 특별함

일상생활에서 우리의 입과 목구멍 안은 질소와 산소로 이루어져 있는 공기로 가득차 있습니다. 하지만 파티용 풍선에 들어 있는 헬륨은 수소 다음으로 가벼운 원소로 밀도가 공지의 약 7분의 1 수준으로 상당히 가볍습니다.

밀도 차이는 소리가 전달되는 속도에 엄청난 영향을 미칩니다. 소리는 기체 분자들을 징검다리 삼아 부딪히며 앞으로 나아가는데 헬륨 분자들은 공기 분자보다 훨씬 가벼워서 소리에너지를 훨씬 더 빠르게 옆으로 전달할 수 있습니다.

물속 달리기와 텅 빈 육상트랙

일상생활에서 할 수 있는 달리기 상황으로 비유해볼게요. 무거운 공기 속에서 소리가 이동하는 것은 사람이 허리깊이의 물속을 헤치고 달리는 상황과 같습니다. 저항이 심해서 속도가 느린데요. 실제로 일반 공기 중에서 소리의 속도는 1초에 340m를 이동합니다.

하지만 가벼운 헬륨가스 속에서 소리가 이동하는 것은 방해물이 전혀 없는 텅 빈 우레탄 육상 트랙을 전력 질주하는 것과 같습니다. 저항이 없어 속도가 엄청나게 빠릅니다. 헬륨 속에서 소리의 속도는 1초에 약 900m로 공기보다 약 3배 가까이 빨라집니다.

소리의 속도가 빨라지면 진동수가 바뀐다

우리가 헬륨가스를 들이마시면 입안과 목구멍이 무거운 공기 대신 가벼운 헬륨으로 가득차게 됩니다. 이때 말을 하게 되면 소리가 헬륨이라는 육상 트랙을 만나서 평소보다 빠르게 입밖으로 튀어나오게 됩니다.

여기서 물리학 공식이 등장합니다. 파동의 속도가 빨라지면 진동수가 높아집니다. (울림통의 크기가 일정할 때) 주파수가 높아지는 것은 소리가 고음으로 변하는 것인데요. 헬륨가스를 뚫고 빠른 속도로 튀어나온 소리 파동들이 1초에 우리 고막을 때리는 횟수가 평소보다 훨씬 많아지기 때문에 우리는 평소보다 얇고 높은 소리가 나는 것으로 인식하는 것입니다.

성대의 떨림 속도는 변하지 않는다

여기서 많은 사람들이 착각하는 것이 있습니다. 헬륨가스를 마신다고 해서 목에 있는 성대가 더 빨리 떨리는 것이 아닙니다. 성대는 평소와 똑같은 속도로 떨리며 원래의 목소리를 내지만 입안에 가득 찬 기체의 특성 때문에 소리가 입밖으로 나오는 속도가 빨라지면서 우리 귀에 도달하는 결과물만 변조되는 것입니다.

반대로 동굴 목소리를 내는 가스는?

헬륨가스가 소리의 속도를 빠르게 해서 고음을 만든다면 반대로 소리의 속도를 느리게 해서 아주 굵고 낮은 저음을 만들어내는 가스도 있을까요?

정답은? 당연히 있습니다. 육불화황이라는 가스입니다. 육불화황은 일반 공기보다 밀도가 5배나 무거운 가스입니다. 그래서 이 가스를 마시고 말을 하면 소리가 무거운 늪지대를 통과하는 것처럼 이동속도가 급격히 느려집니다. 주파수가 낮아지면서 영화에서나 보던 동굴 괴물처럼 깊고 굵은 바리톤 목소리가 나오게 됩니다.

헬륨 가스 흡입시 꼭 지켜야 할 안전 수칙

도널드 덕 효과는 재미있지만 헬륨가스를 마실 때는 반드시 주의해야 할 안전수칙이 있습니다.

우리가 숨을 쉬는 것은 산소를 얻기 위한 행동입니다. 그러나 헬륨가스를 너무 깊게 여러번 들이마시면 폐 속에 산소는 사라지고 헬륨만 가득차게 되어서 순간적인 질식이나 어지러움증을 유발할 수 있습니다.

그래서 이러한 실험이나 파티모임을 하더라도 시중에 파는 파티용 풍선을 사용해야 하며, 공업용으로 쓰이는 고순도의 헬륨가스를 직접 흡입하는 행동을 삼가해야 합니다.

우스꽝스러운 목소리를 내며 즐거워하는 순간에도 우리 입안에서는 공기의 밀도와 소리의 파동이라는 물리학 법칙이 작동하고 있습니다. 앞으로 헬륨 풍선을 가지고 놀 기회가 생기면 오늘 알려드린 기체의 밀도와 소리의 속도 관계를 생각해보시면서 과학의 재미를 누려보시기 바랍니다.