[비센의 재미있는 과학 이야기] 

 

파동(wave) 일종인 '소리', 다양한 음색 어떻게 가능할까 ? 

 

 

가끔 한국의 예능 프로그램을 보면 풍선 가득히 들어있는 가스를 들이 마신뒤 말을 하면 목소리가 이상하게 변조되어 나와 사람들을 웃기게 하는 장면들을 나옵니다. 풍선의 가스를 마시기만 했을 뿐인데, 갑자기 목소리가 음성변조를 낸 효과처럼 변하는 것을 들으면서 신기하고 재미있다고 생각하신 적이 있으실 것입니다. 이 때 들이 마시는 가스는 흔히 헬륨(He)가스를 사용하기 때문에, 보통 목소리 변조의 원인이 단순히 헬륨가스에 있다고만 생각하기 쉽지만 사실 그 근본적인 이유는 ‘소리’ 자체에 있습니다.

 

‘소리’는 매질을 통해서 에너지를 전달하는 파동(wave)의 일종입니다. 바꿔서 이야기하면 매질이 존재하지 않는다면 빛을 제외한 모든 파동은 전달되지 않습니다. 그렇기 때문에 소리를 포함한 모든 파동은 필연적으로 매질의 상태와 밀접한 관계를 갖습니다. 에너지가 매질을 통해 전달되는 것을 이해하기 위해 하나의 예를 들어보도록 하겠습니다.

 

옛날 시골의 한 마을에 있는 헛간에 불이 났다고 상상해보겠습니다. 소방시설이라는 것이 전무한 시절이라 불을 끄기 위한 물을 강으로부터 가져오기 위해서, 동네 사람들이 모두 강가로부터 일렬로 서서 물이 담긴 양동이를 옆사람에게 전달하고 있습니다. 이때, 동네 사람들의 수가 충분히 많아서 촘촘한 간격으로 대열을 만들 수 있다면, 바로바로 양동이를 전달할 수 있겠지만, 사람 수가 적어서 한사람이 일정 구간을 반복해서 뛰어다녀야 한다면 양동이 전달 속도가 떨어질 수 밖에 없을 것입니다.

 

하지만, 비록 사람 수는 적지만, 마을 사람들이 모두 달리기 선수들처럼 빠르게 뛰어다닐 수 있다면 적은 수의 인원이라도 빠르게 양동이를 전달할 수도 있을 것입니다. 매질이란, 눈에 보이는 줄과 같은 물질이건, 눈에 보이지 않는 공기와 같은 물질이건 모두 분자단위의 입자들이 연속적으로 공간을 채우고 있고, 그 입자들의 떨림의 전달을 통해서 에너지를 전달할 수 있게 해주는 매개체라 할 수 있습니다. 소리가 매질을 타고 전달될 때도, 위에 양동이를 나르는 사람들과 같이 입자들간의 간격이 좁으면 좁을 수록 매질을 통해 전달되는 속도가 빠르게 됩니다. 그렇기 때문에 소리는 밀도가 높은 매질을 통과할 수록 전달 속도가 빠르게 되며, 그 결과 공기중보다 물속에서, 그리고 물속보다 금속성 고체를 통과할 때 더 빠르게 전달될 수 있게 되는 것입니다.

 

또한 빠르게 달리는 사람들이 양동이를 더 빠르게 전달할 수 있는 것과 같은 이유로 빠르게 움직이는 입자들을 갖고 있는 매질에서 소리는 더 빠른 전달이 가능해집니다. 공기의 경우 높은 온도에서 입자들의 움직임이 빨라져 소리의 전달속도가 더 빠르게 될 수도 있고, 또 공기의 구성입자 자체가 운동성이 더 좋은 입자들로 바뀌어도 소리의 전달 속도가 증가될 수 있습니다. 헬륨가스를 마셨을 때 목소리가 바뀌는 현상도 바로 이 전달구성물질이 바뀌어 소리의 전달속도가 더 빨라지는 경우에 해당하는 것입니다.

 

우리가 목소리를 내고 또 그 소리를 듣는 것은 폐로부터 나오는 공기를 이용하고 있는 것입니다. 호흡을 통해 폐로부터 내뱉어지는 공기를 성대를 이용해 흔들어 줌으로써 고유의 진동을 만들어 내고, 그 진동이 공기분자들을 통해 전달되어 상대방의 고막에 전달되면, 뇌에서 그 진동을 해석하여 전달된 목소리를 해석할 수 있게 되는 것입니다. 이때 소리의 높고 낮음은 전달되는 음파의 진동수에 의해서 결정되는데, 인간은 태어난 직후부터 많은 훈련과 경험을 통해서 정확한 진동수의 소리를 만들어 낼 수 있게 됩니다. 하지만, 이는 일반적인 환경하에서 습득된 것이기 때문에, 공기의 밀도가 급격히 다른 환경에서 소리를 낸다면 완전히 다른 진동수의 소리, 즉 우리가 예상하는 소리와 완전히 다른 높낮이의 소리를 내게 될 수 있게 되는 것입니다.

 

헬륨가스의 기체 입자들은 일반적인 공기의 대부분인 질소, 산소 등과 비교해서 그 입자의 크기가 매우 작은 입자들로서 그 운동성이 상대적으로 매우 활발하여 음파의 전달 속도가 같은 온도의 일반공기보다 약 세배 정도 빠릅니다. 그 결과 공기대신 헬륨가스가 매질이 되면 동일한 입모양과 성대떨림으로 소리를 만드는 경우 진동수가 높아져 목소리가 고음이 되게 됩니다.

 

말하기 전 헬륨가스를 흡입하면 폐에 공기대신 헬륨가스가 채워지고, 이를 내보내면서 말을 하게 되면 위에 설명 드린 이유로 목소리가 변조되는 결과를 갖게 되는 것입니다. 그렇기 때문에 이러한 현상은 꼭 헬륨가스가 아니더라도 공기보다 음파의 전송속도를 빠르게 할 수 있는 기체를 흡입하고 나서 이야기한다면 동일한 결과를 만들 수 있는 것입니다.

 

헬륨가스는 지나치게 많은 양을 흡입해서 질식을 일으키지 않는 한 인체에 무해하기 때문에 예능 프로그램 등에서 웃기기 위한 수단으로 자주 사용되는 것입니다.

 

이와 반대로 기체 분자의 입자 크기가 공기보다 상대적으로 커서 움직임이 느린 기체를 흡입하고서 말을 한다면 공기를 통한 음파의 속도가 느려져 진동수가 낮아지게 되고, 목소리가 헬륨가스와는 반대로 저음으로 바뀌게 만들 수도 있습니다.

 

이러한 때에 자주 사용되는 가스는 육플르오린화황 가스(SF6)인데, 일명 '온실 가스'라고 하여 오존층을 파괴하기 때문에 상업적 용도로 사용이 금지되긴 하였지만, 인체에는 직접적인 해를 주지는 않으며 공기보다 약 5배 가량 무겁기 때문에 목소리 저음 변조에 사용될 수 있는 것입니다.

 

이렇게 우리의 목소리가 정해진 소리가 아닌 매질에 따라 여러 소리로 달리 들릴 수 있다는 사실, 신기하지 않으신가요?  우리에게 익숙한 목소리들은 살면서 늘 당연시 했지만 어떻게 보면 우리에게 주어진 아주 특정한 상황에서만 만날 수 있는 특별한 소리였던 것입니다.

 

석준영(비센 학원장)