헬륨가스로 목소리가 변하는 이유와 신체에 미치는 영향

SBS 월화드라마 커피하우스에서 잉여인간 강승연(함은정 분)이 4차원 까칠작가 이진수(강지환 분)의 프로 비서가 되기 위해 고군분투하는 모습에서 헬륨가스를 먹이는 장면을 보고 궁금해서 찾아봄....

흔히 헬륨 ‘도날드 덕’(DonAld Duck) 효과라 불리는 이 현상의 원인을 알기 위해선 우선 목소리의 발생과정에 대해 알 필요가 있습니다. 목소리는 폐(肺)에서 나오는 공기가 목 아랫부분에 있는 성대 중앙을 통과한 다음 발성 통로를 지나 밖으로 나오면서 만들어집니다. 성대의 긴장으로 인해 공기압력이 변화되고 성대와 그 사이의 공기가 진동해서 소리가 다양하게 만들어지게 됩니다. 이때 소리 진동수가 목소리의 높낮이를 결정하는 것으로 이러한 과정을 통해 사람마다 각기 다른 목소리를 갖게 되는 것입니다. 평균 성인의 목소리는 남자의 경우 1백30Hz, 여자의 경우 2백5Hz의 진동수를 가지고 있습니다.

 목소리를변화시킬수 있는 또 하나의 요인은 입안에 있는 공기의 종류입니다. 사람이 말을 하게 되면 폐에서 나온 공기가 발성통로를 지나면서 발생되는 소리는 입안에서 공명을 하게 됩니다. 이 때 입안에서 울리는 소리의 속도는 입안에 있는 공기의 밀도에 따라 변하게 되고, 이에 따라 소리가 다른 진동수를 갖게 돼 목소리가 변하는 것입니다.

 보통 공기의 경우 약 29g/㎤의 밀도를 가지고 있으며, 이 때 이 공기를 통과하는 소리의 속도는 0℃에서 약 3백31m/초입니다. 동일한 온도에서 헬륨의 밀도는 4g/㎤으로 밀도가 공기보다 낮기 때문에 헬륨을 통과하는 소리의 속도는 음속의 3배 정도인 8백91m/초가 됩니다.그러므로 입안에 헬륨이 있는 상태에서 말을 하게 되는 경우 이 소리의 주파수는 보통 공기의 경우보다 2.7배 정도 높게 돼 이 때의 목소리는 평상시보다 2.7 옥타브 높게 됩니다. 마치 도날드 덕의 목소리처럼 말이죠.

출처 - 다음 지식

헬륨을 마시면 우리 목소리가 바뀌는 것은 헬륨 풍선이 공기에 뜨는 것과 마찬가지로 헬륨의 ‘가벼운’ 특성 때문이다. 소리의 진동수는 공기의 밀도에 반비례하며 공기 속 밀도가 높으면 천천히, 밀도가 낮으면 더 빠르게 움직이는 것이다. 보통 공기는 약 29g/cm³ 의 밀도를 가지고 있으며, 이런 환경(온도가 0℃라고 가정할 때)에서 소리의 속도는 331m/sec다. 동일한 온도에서 헬륨의 밀도는 4g/cm³ 으로, 헬륨만 모아둔 폐쇄된 공간에서 소리의 속도는 일반 음속의 3배에 달하는 8백91m/sec가 된다.

또 한 소리의 속도가 빨라지는 것에 비례해서 진동수도 커지는데, 진동수가 커지면 소리의 크기는 그대로지만 높은 음이 난다. 평소처럼 ‘도’ 음을 내도 ‘파’나 ‘솔’ 음으로 나오는 것이다. 이론적으로는 2,7배~3배까지 높은 음이 나와야 하지만 헬륨을 마신 상태라도 입안의 공기 100%가 헬륨은 아니기 때문에 3배까지 높아지지는 않는다. 보통 일반 상태보다 1.5배~2배까지 높은 음이 나게 된다.

목소리는 폐에 있던 공기가 나오다가 성대를 지나면서 압력을 받아 변화하고 진동하는 과정에서 생긴다. 소리의 진동수가 소리의 높낮이를 결정하기 때문에 사람마다 서로 다른 목소리를 가지게 되는 것이다. 이때 인위적으로 헬륨을 입 속에 머금으면 공기의 밀도와 소리의 진동수가 바뀌기 때문에 이상한 목소리가 나게 된다.
응용해서 보자면, 성대를 통해서 소리가 울려 나오는 동물들도 같은 식으로 음성 변조가 될 수 있다. 다만, 동물들에게 헬륨 가스를 머금게 하는 일이 쉽지 않기 때문에 성공적으로 실험하기는 쉽지 않다. 반대로 소리를 내는 물체지만 TV나 라디오의 경우는 헬륨 가스의 영향을 받지 않는다. 주변 공기와의 작용으로 소리를 내는 것이 아니라 기계가 직접 소리를 내기 때문이다.

헬륨은 불활성 기체로 풍선에 든 것을 몇 번 들이마시는 정도로는 인체에 영향을 끼치지 않는다. 헬륨은 혈액에 대한 용해도가 낮아서 잠수용 통기가스나, 해독을 위해 산소를 인공 흡입해야 할 때 사용되기도 한다. 하지만 지나치게 들이키는 것이 건강에 좋을 리 없다. 재미를 위해 헬륨을 마실 때는 1~2회로 그치는 것이 좋다. (글 : 과학향기 편집부)

출처 - http://ask.nate.com/qna/view.html?n=6214916