헬륨을 마시면, 목소리가 변하는 이유는?

안녕하세요. 아장아장 원주맘입니다:)

 

오늘의 과학호기심 주제는 '헬륨을 마시면, 목소리가 변하는 이유' 에 대해 포스팅하겠습니다!

 

본 내용은 영상으로도 제작하였으니, 영상으로 확인하고 싶으신 분은~~~ 알래 링크로 들어와주세요^-^

https://youtu.be/XiYJ89H7_CY

 

그렇다면, 글로도 남겨보겠습니다!!

 

왜 헬륨 풍선을 마시면, 목소리가 변하게되는 걸까요?

그 이유를 알기위해, 알아야할 것이 세가지 있습니다.

 

1. 헬륨  2. 목소리 발생 3. 소리의 속도

이 세가지를 빠르게 훑고 가겠습니다!

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1. 헬륨

 

헬륨은, 원자번호 2번인 원소로, 주기율표상에 18족 가장 위쪽에 위치하고 있습니다.

우주에서 수소를 제외하면, 가장 가벼운 원소입니다. 매우 가벼워서 지구 중력으로 잡을 수 없어 서서히 우주 공간으로 빠져나가기 때문에, 지구에서는 매우 희소한 원소입니다.

대기의 구성 성분에서 헬륨은 기타에 해당하며, 더 정확하게는 0.0007%로 대기에서는 농도가 매우 낮습니다.

그럼 우리가 사용하는 헬륨은 어디서 얻는걸까요?

헬륨은 땅속에 매장되어 주로 천연가스와 함께 추출합니다.

 

우라늄이나 토륨의 핵분열로 인해 헬륨이 발생하기 때문에

과거 천연가스가 생성될 때, 우라늄과 토륨이 농축된 광석 주위에서 생성된 천연가스가

헬륨을 포함할 확률이 높습니다.

 

헬륨의 추정되는 매장량은 대략 170만톤이고,

헬륨사용량이 증가하고 있어 30년 후면 고갈 위기에 처한다고 합니다.

 

마지막으로 헬륨은 독성을 띠지 않고 매우 안정적이여서

적당량을 흡입하면, 사람에게 무해한 기체입니다.

 

 

2. 목소리 발생

 

목소리는 폐에서 나오는 공기가, 목 아랫부분에 있는 성대를 통과한 다음 발성 통로를 지나 밖으로 나오면서 만들어 집니다.  여기서 핵심은, 성대의 떨림. 즉진동 운동에 의해, 그 사이의 공기도 진동을 하게 되고, 소리가 공기를 매질로 해서, 밖으로 전달 되는 것입니다.

이때 목소리의 높낮이는 진동수가 결정하게 되는데요. 

보통 남성의 성대는 여성의 성대보다 굵고 길기 때문에 주름이 떨리는 횟수가 적습니다.

즉. 보통 남자의 경우 130HZ. 여자의 경우, 남자보다 진동, 떨리는 횟수가 많아 205HZ입니다.

 

즉 진동수가 클수록, 높은 소리가 납니다!

 

 

3. 소리의 속도

 

소리의 속도는, 매질의 온도 및, 밀도에 크게 영향을 받습니다,

 

여기서 매질이란, 소리를 전달해 주는 매개체입니다.

평소에는 공기가 매질이 되어 목소리를 전달하게 되는 것이지요,

 

이때 매질(공기)의 온도가 높아지면, 공기분자가 활발히 움직이기 때문에 소리의 속도는 빨라집니다.

더불어 매질의 밀도가 낮아지면, 소리의 속도는 증가하게 됩니다.

 

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그럼 본격적으로 오늘 주제로 돌아오겠습니다!! 

 

풍선에 가득찬 헬륨을 들이 마시게 되면, 입안, 폐의 일부가 공기가 아닌 헬륨으로 차게 됩니다.

 

즉, 소리의 전달매개체인, 매질이 공기에서> 헬륨으로 바뀌게 되는 것이죠

보통 공기의 경우 약 1.3Kg/m3의 밀도를 가지고 있으며,

가벼운 헬륨의 경우, 약 약 0.81kg/m3밀도로, 매질이 바뀌면서, 밀도가 변했습니다, 즉 밀도가 낮아졌습니다.

 

 

그렇다면? 소리의 속도도 변하겠지요?

 

이 공기를 통과하는 소리의 속도는 0℃에서 약 331m/s입니다

같은 온도에서, 헬륨을 통과하는 소리의 속도는 일반 공기에서의 소리 속도의 2.7배 정도인 891m/s가 됩니다.

그러므로 입안에 헬륨이 있는 상태에서 말을 하게 되는 경우, 

소리의 속도가 2.7배 빨라, 같은 시간 안에 더 많은 진동을 만들어 내게 되어

진동수도 약 2.7배 높아집니다.

그 결과 목소리는 평상시보다 2.7 높은 소리로 나오게 되는 것입니다.

 

 

이론상으로는 최대 2.7 옥타브 높은 소리가 나올 수 있지만, 실제로는 폐와 입안에 내뱉지 못한 공기도 함께 존재하기 떄문에 이보다는 덜한 효과가 나옵니다.

 

헬륨 이외에도 공기와 밀도의 차이가 나는 기체를 사용하면, 음성변조의 효과를 낼 수 있습니다.

 

만약, 공기보다 밀도가 높은 기체를 마시면 어떻게 될까요?

밀도가 높은 기체 중, 인체에 무해한 크립톤이란 가스를 마시면 목소리가 낮아진다고 합니다.

그러나 크립톤은 워낙 희귀한 기체여서 일반인이 마셔보기란 쉽지 않을 것입니다.

 

마지막으로 주의점!!

헬륨을 과도하게 마시면 안됩니다!

숨을 쉬지 않고 계속해서 헬륨만을 흡입할 경우 혈중 산소농도가 지속적으로 내려가 어지럼증, 심하면 기절까지 이를 수 있습니다. 실제로 2002년에 우리나라에서 헬륨이 놀이를 하던 학생들이 산소결핍증으로 사망한 사례가 있었던 만큼, 헬륨놀이를 할 때 중간중간 숨을 쉬어 폐속에 산소를 보충해 주어야 합니다.

 

 

오늘은 여기까지 입니다!

누군가에게는 도움이 되었으면 좋겠습니다~^^

다음에 또 과학공부해요~~

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