헬륨 가스를 마시면 왜 목소리가 변할까?

생일이나 이벤트를 할 때 가끔 헬륨가스가 필요할 때가 있다. 풍선에 헬륨가스를 넣어 풍선을 띄울 때나 목소리를 우습게 만들어 즐겁고 재밌는 상황을 연출할 때 말이다. 헬륨을 흡입하면 내 목소리가 아닌 이상하고 우스꽝스러운 목소리가 뛰어나온다. 가끔 TV에서 코미디언이나 연예인들이 재미를 위해 헬륨을 마시고 우스운 상황을 연출하면 우리도 어느새 동심으로 돌아가는 기분이 들기도 하다. 웃다가 웃다가 문득 헬륨은 왜 목소리를 변화시킬까? 헬륨을 마셔도 건강에 문제는 없는지에 대한 궁금증이 생겼다. 

 

헬륨 가스가 목소리를 변화시키는 이유 

 

헬륨가스를 마시고 말할때 이상하게 자신의 목소리가 아닌 높은음의 꼭 오리가 꽥꽥거리는 듯 비슷한 소리가 난다고 해서 이런 현상을 '도널드 덕(Donald Duck) 효과'라고 부른다. 

 

조지 B. 카우프만이란 과학자는 말한다. 

소리는 공기나 다른 매체를 통해 전달되는 진동을 통해 청각 기관이 자극될 때 생겨나는 일종의 느낌이다. 낮은 주파수의 소리는 낮은 높이에서도 들리며 높이가 높아짐에 따라 주파수 또한 높아진다. 소리의 주파수(높낮이)는 진동이 전달되는 매체의 밀도에 반비례해 매체의 밀도가 적어짐에 따라 진동 비율(주파수)은 더 커지며 소리의 높낮이가 더 높아진다. 

 

보통 성인남자의 목소리는 130Hz, 여자는 205Hz 정도의 진동수를 가지고 있으며 이런 사람마다 다른 진동수에 의해  제각각의 목소리를 낼 수 있는 것이다. 

 

 

반면 가스의 밀도는 분자의 비중에 비례한다. 헬륨의 밀도(약 0.18kg/㎥/비중 4)는 약 78%의 질소(비중 28)와 20%의 산소(비중 32)의 혼합물로 공기의 밀도(약 1.2kg/㎥의 밀도)보다 훨씬 적기 때문에 음성신호는 공기에서보다 헬륨에서 훨씬 더 빠르게 (보다 높은 주파수에서) 진동한다. 그러므로 목소리가 훨 더 높은 높낮이를 가진 것처럼 들린다. 보통 평상시 목소리의 2.7배 정도 높은 목소리를 가진다. 

 

이러한 효과는 여자 목소리보다 더 낮은 높낮이를 가진 남자 목소리에서 명확히 드러난다. 목소리의 고저는 크제논(Xenon)과 같은 공기보다 무거운 불활성 가스 군(헬륨이 속해 있는)을 흡입함으로써 낮아질 수 있다. 

 

헬륨 가스의 효용성

시스테크 인바이런멘탈 Co. 의 화학자인 브라이언 비글리에 따르면 천식이나 기타 호흡기 질환을 치료하는 데 헬륨 혼합물이 사용되고 있다고 한다. 호흡기 질환에 시달리는 환자들은 공기보다 쉽게 헬륨 혼합물을 처리할 수 있으며 폐 근육은 같은 분량의 산소를 흡입할 때만큼 힘들게 활동할 필요가 없다.