안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
질문자님 말씀처럼 축제나 행사 때 헬륨 가스를 마시면, 목소리가 높고 가늘게 변하는 것은 성대의 진동 속도가 달라져서가 아니라, 헬륨 내부에서 소리의 전달 속도가 공기보다 훨씬 빠르기 때문에 목구멍의 공명 주파수가 높게 이동하기 때문입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.
사람의 목소리는 성대의 진동으로 발생하는 기본 진동수와 성대를 지나 목구멍과 입안, 코를 통과하며 증폭되는 공명 주파의 조합으로 만들어지는데, 헬륨을 마시더라도 성대가 떨리는 현상 자체는 변하지 않습니다. 다만, 헬륨의 평균 분자량이 공기의 평균 분자량보자 매우 작기 때문에, 상온에서 소리의 이동 속도는 공기보다 2.8배 빠릅니다. 따라서 사람의 목구멍과 입안의 공명관의 길이는 고정되어 있으므로, 내부에서 형성되는 소리의 파장 역시 일정하지만, 소리의 속도가 2.8배 증가하면, 이에 대응하는 공명 주파수 또한 2.8배 높은 고주파 대역으로 이동하게 되어 목소리가 변하게 되는 것입니다. 즉, 성대는 평소와 똑같은 음높이로 떨리고 있지만, 가벼운 헬륨 기체 때문에 목구멍을 통과하는 소리 파동의 공명 대역이 고음역대로 치솟으면서 특유의 겡겡거리는 도널드 덕 목소리가 만들어집니다.