헬륨(He)을 마시면 왜 목소리가 변할까?

소리의 속도와 기체의 비밀

헬륨 풍선을 마신 뒤 목소리가 높아지는 장면, 직접 해본 적은 없어도 TV나 영상에서 본 적은 있을 것이다. 그건 분명 웃음을 자아내기 위해 연출된 장난이지만, 거기에는 소리의 속도와 공기의 성질이라는 놀라운 물리 현상이 숨어 있다.

소리는 ‘공기의 떨림’이다

목소리는 성대가 진동하면서 만들어지는 공기의 파동이다. 이 파동이 공기를 통해 전달될 때, 공기의 밀도와 구성이 달라지면 소리의 이동 속도도 달라진다.

공기 중에서 소리는 초당 약 343 m 속도로 움직인다. 하지만 헬륨(He)은 공기보다 훨씬 가볍고 밀도가 낮은 기체이기 때문에 소리의 속도가 약 965m/s로 거의 세 배나 빠르다.

즉, 같은 성대의 진동이라도 헬륨 속에서는 소리가 훨씬 더 빨리 전달되며, 결과적으로 고음역대의 주파수가 강조되어 목소리가 날카롭고 얇게 들린다.

높아지는 건 ‘음정’이 아니라 ‘공명의 방식’

사람들이 흔히 “헬륨을 마시면 성대가 더 빨리 떤다”고 생각하지만, 사실 그렇지 않다. 성대의 진동수는 그대로이고, 변하는 것은 성대에서 만들어진 소리가 공기 중에서 공명하는 방식이다.

우리의 목과 입, 코는 공명기(resonator)로 작용한다. 이 내부의 기체가 공기에서 헬륨으로 바뀌면, 소리의 공명 조건이 달라져서 공명 주파수가 높아지고, 결과적으로 더 높은 음처럼 들리게 되는 것이다.

그 반대, 육중한 소리의 육불화황(SF₆)

흥미롭게도, 헬륨과 반대의 현상을 보이는 기체도 있다. 육불화황(SF₆)은 공기보다 훨씬 무겁고 밀도가 높기 때문에, 이 기체를 들이마시면 소리가 느리게 전달되어 목소리가 굵고 낮게 변한다. 즉, 헬륨과 육불화황은 소리의 속도에 따라 목소리를 상반되게 바꾸는 기체들이다.

잠깐, 하지만 위험할 수 있다

헬륨은 화학적으로 안정한 기체이지만, 산소가 없는 기체라는 점에서 호흡을 방해할 위험이 있다. 짧은 순간의 흡입은 괜찮지만, 반복적으로 들이마시거나 폐 깊숙이 흡입하면 산소 부족으로 의식을 잃을 수 있다. 따라서 실험은 반드시 짧게, 통풍이 잘되는 곳에서만 해야 한다.

과학이 들려주는 웃음의 물리학

헬륨 목소리는 대개 단순한 장난이지만 그 속에는 소리의 본질과 파동의 물리학이 숨어 있다. 기체의 밀도가 변하면 소리의 속도도 변하고, 그 속도가 변하면 우리가 듣는 목소리의 성질도 달라진다. 즉, 헬륨을 마셨을 때 목소리가 달라지는 이유는 공기를 대신한 기체가 소리의 전달 속도를 바꾸기 때문이다.