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.

보통공기의 경우 약 29g/㎤의 밀도를 가지고 있으며, 이때 이 공기를 통과하는 소리의 속도는 0℃에서 약 3백31m/초입니다. 동일한 온도에서헬륨의밀도는 4g/㎤으로 밀도가 공기보다 낮기 때문에 헬륨을통과하는 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.