발성이란 들숨, 날숨의 시작된 기류의 흐림이 성대를 거치면서 조절과정을 거치게 되는 것을 의미합니다. 그 첫번째 과정은 성대에서 소리가 만들어지는 성문파의 형성입니다.
성문파의 형성 조건
성문파가 형성되기 위해서는 다음의 세가지 조건이 필요합니다.
- 성대 사이가 가까워져야 함: 성대 내전근이 충분히 작용하여 양측 성대의 틈이 좁아져야 하는데 휘파람을 불 때 입구가 충분히 좁아야만 소리가 나는 원리라고 쉽게 이해할 수 있습니다. 실험에 의하면 양측 피열련골의 성대돌기 사이의 거리가 3mm이내로 가까워져야 적절한 성문하압이 형성된다고 알려져 있습니다.
- 성대의 상태가 유연하고 탄력적이어야 함: 이는 Body-cover theory에 의해서 성대가 잘 진동해주어야 함을 의미합니다. 성대의 앞 2/3에 해당하는 막양성대가 조직학적으로 다층구조를 잘 유지하고 있어야 빠른진동을 통해서 소리를 만들어 낼 수 있습니다. 풀피리를 불 때를 가정해보면 충분히 풀잎이 떨려줘야만 일정한 주파수를 갖는 소리가 형성될 수 있습니다.
- 성문상압과 성문하압의 압력차이가 충분해야 함: 휘파람을 불때 오므린 입술 전후로 충분한 압력차이가 형성되어 있어야 합니다.
성대의 기능
성문음으로 전환
성대는 폐에서 성대사이로 흐르는 직류성향의 공기 흐름을 주기적인 성문파인 성문음으로 바꾼다.
베르누이 효과에 의해서 이러한 과정이 발생하게 되는데 성대 표면에 더 가까운 공이 입자의 속도보다 성문 중앙을 통과하는 공기의 입자 속도가 더 빠르므로 운동에너지는 크고 상대적으로 위치에너지는 작아져서 성대표면의 압력이 조금 감소되어 진성대 점막이 내측으로 빨려 들어가는 현상이 나타나게 된다.
양측 성대가 중앙에서 만나서 막히게 되면 성문을 통한 공기의 흐름은 차단되고 성문하압이 다시 상승하고 성문하압이 성문을 막고 있는 양측 성대의 압력보다 커지면 다시 성대가 벌어지게 되고 공기가 지나가게 된다. 이 현상이 반복되어 공기의 흐름을 주기적으로 차단함으로써 직류 성향의 공기의 흐름을 성문파로 바꾸어 주는 현상이 반복적으로 형성되어 지속적인 성문음을 만들게 된다.
주파수의 조절
성대는 길이와 높이를 조절하여 성문음의 주파수를 조절할 수 있습니다. 보통 편안한 높이와 보통 크기의 모음을 지속적으로 발성할 때의 성대 진동수를 기본주파수(fundamental frequency, F0)라고 합니다. 젊은 남성의 경우 100-150Hz 정도이며 여성의 경우 200-250Hz정도입니다.
성대의 질량이 적을수록, 길이가 짧을수록, 세로장축 긴장도가 높을수록 고음이 나게 됩니다. 성문하압이 높은 경우에도 성대 중앙부위가 측방으로 더 많이 밀려나서 성대표면의 긴장도가 증가되어 고음을 낼 때 도움을 주게 됩니다. 성대의 조건이 비슷하나 훈련받은 사람이 더 고음을 낼 수 있는 이유는 성대를 좀더 팽팽하게 긴장도를 높일 수 있고 성문하압을 더 크게 만들어 낼 수 있기 때문입니다.
성대의 세로장축긴장도의 조절은 윤상갑상근의 작용이 중요한데 윤상갑상근이 수축하게 되면 진성대를 당겨주어 길이는 길어지게 되지만 진성대의 긴장도가 증가하고 두께는 얇아지게 되어서 고음이 만들어집니다. 고음발성을 위해서는 윤상갑상근의 단련이 매우 중요합니다. 성대근의 수축은 성대를 두껍게 만들고 성문의 앞부분을 강하게 접촉하게 합니다. 또 성대 내부의 긴장도를 올려 큰소리와 고음을 만들어 냅니다. 따라서 소리가 큰 고음을 발성하고자 할 때에는 윤상갑상근과 성대근을 함께 강하게 수축시킴으로써 큰 성문하압을 만들어 강한 고음 산출을 이룰 수 있습니다.
음의 강도 조절
큰소리를 내려면, 숨을 충분히 들이마시고 성대를 강하게 닫은 후, 복부에 충분한 압박을 가하여 높은 폐얍 및 성문하압을 만들어서, 성대틈이 압력에 밀려 벌어지게 될 때, 많은 양의 공기 흐름이 빠르게 성문틈으로 지나가야 합니다. 이러한 상황에서는 성대 유리연의 측면이동이 크게 만들어지고 베르누이 효과에 의한 음압으로 인해 다시 성대의 유리연이 빨려들어오면서 성대 점막이 아래에서부터 넓게 접촉되는 현상이 발생하게 됩니다.
즉, 성문하압을 최대한 높이고 성문상부 인두강은 크게 열어 성문상압은 낮춰 차이를 최대한 만들어 낸 후 성문틈의 공기 흐름을 빠르게 만들어 내는 것이 큰소리를 내는 요령입니다. 보통 대화시에는 5-10cmH2O 정도의 성대음을 만들어내지만 강한 발성이나 노래를 할 경우에는 20-50cmH2O 내외의 압력이 필요합니다.
공명
진동이 가능한 어떤 system이 자신의 자연 진동수와 거의 같은 진동수를 갖는 주기적인 힘을 받으면 이 system은 큰 진폭으로 진동하게 되는데 이런 현상을 공명이라고 합니다. 헬름홀츠는 공명기를 통해 공기가 진동하면서 소리를 크게 만들 수 있음을 발견했고, 이는 성도(목, 입 등)와 같은 구조가 목소리를 증폭하는 원리를 설명하는 데 사용되었습니다. 공명관 내부가 단단할수록 공명되는 주파수대가 좁은데 이를 높은 Q값을 가지고 있다고 하고 음역(bandwidth)이 좁다라고 표현하기도 합니다.
사람의 공명관과 같이 한쪽은 막혀 있고 한쪽은 열려있는 공명관의 경우는 가장 낮은 공명주파수는 C/4L에 형성되고 다음의 공명주파수들은 주파수의 홀수배 즉 Fn=(2n-1)C/4L에 생기게 됩니다. 여기서 C는 공기 중에서 소리의 속도(340m/sec)이고 L은 공명관의 길이입니다. 성인 남자에서의 공명관의 길이(성대 직상방에서 입술까지의 거리)는 17cm이므로 공명관의 단면적이 일정하다고 하면 F1=(2×1-1)x34000cm/sec/4x17cm=500Hz 입니다. 즉 제1음형대(first formant)는 500Hz이고 같은방식으로 계산하면 F2 즉 제2음형대는 1500Hz가 되는 것입니다. 이처럼 공명강인 성도를 통과하면서 소리의 크기가 증폭된 공명주파수대를 음형대 또는 포만트라고 합니다. 실제로 /어/와 같은 중성모음을 발성하면 성도의 단면적이 비교적 일정하게 유지되면서 음형대가 500, 1500, 2500Hz에서 형성되는 것을 관찰할 수가 있습니다.
혼동이되는 개념을 짚고넘어가 보겠습니다. 기본주파수(fundamental frequency, F0)과 가장 낮은 공명주파수인 제1 음형대(first formant, F1)입니다. 기본주파수 F0은 편안한 높이에서 보통크기로 발성할 때 관찰되는 성대 자체의 개폐 진동수를 의미합니다. 보통 남성의 경우 100-150Hz가 측정됩니다. 제 1음형대 F1은 중성모음 발성시 외부에서 측정되는 소리 중 가장 낮은 공명주파수를 의미하며 남성의 경우 보통 500Hz정도에서 측정됩니다. 즉, 음성분석에서 사용되는 대상은 음형대입니다.
음성분석에서 음형대의 특징은 음형대주파수(formant frequency)와 음형대의 음역(bandwidth of formant)로 기술됩니다.
또 혀의 위치와 모양에 따라서 성도의 일부분이 좁아지거나 넓어져서 성도 단면적은 다양한 모습을 갖게되는데 특정한 모음을 내기위한 성도의 모양에 따라서 그 모음의 음형대 위치가 변하게 됩니다.
