배음과 포먼트 : 목소리, 음색에 대한 이해

December 8, 2016

참고 논문 및 서적

①Leon Thurman & Graham Welsh - Bodymind & Voice - foundations to voice education

②Johan Sundberg - Vocal tract resonance

③Johan Sundberg - The Science of the Singing Voice

④Ingo R. Titze - Principles of Voice Production

 

 

이번 글은 배음, 포먼트에 대해 알아 보겠습니다. 이번에 다룰 내용은 다소 어려운 내용이지만 최대한 나름 간단하게 작성하려고 했습니다 !

보컬을 배우다보면 "어디를 공명시켜라" 라는 표현을 들을 수 있습니다. 공명 시킨다는게 무슨 말이며 이게 우리가 "시킬수" 있는 것일까요?

 

공명하다(Resonate) : 울려서 증폭시키다

 

전 글에는 성대의 점막이 파형 운동을 하면서 공기의 압력을 변화 시킴에 따라 음성이 생성 된다고 썼습니다. 하지만 우리가 말할 때 들리는 이 "목소리", 또는 "음색"은 성대만에 의해 생성 되는 것이 절대 아닙니다. 성대는 공기의 압력을 변화시켜주는 것 까지 하지만 이 변화되는 공기 압력는 성도(Vocal Tract, 성대에서 부터 입까지의 공간을 일컫는 말)에 의해 변형이 됩니다. 성도는 다음과 같은 그림으로 표현이 됩니다.

 

 

 

 

 

 

[그림 1]

 

간단하게 생각하면 폐에서 공기가 나오며, 성대는 그 공기를 진동시키며, 성도는 그 공기를 공명시켜서 이로 인해 소리가 나오는 것이며 이로인해 우리가 들리는 목소리가 형성이 된다. 다음 그림을 보고 음성 스펙트럼의 변화를 보겠습니다.

 

 

[그림 2]

 

 

위 사진을 보면 아직 완벽히 이해는 안 되겠지만 소리는 아래에 있는 폐부터 시작이 되어서 성도로 인해 결국 성대에서 발생한 음성의 성질이 입에서 나올 때 변화 되어서 나온다는 것을 알 수 있습니다. 이제 하나하나 집어가면서 쉽게 설명을 하겠습니다. 전 글에 폐에서 나오는 공기 압력이 성대를 진동시키는 원리는 이미 설명을 했던 관계로 이번 글은 성대에서 형성되는 소리에 대해 깊게 알아보겠습니다. 성대에서 발생 하는 소리는 음높이(Pitch)로 따지면 절대 하나의 음높이가 형성이 되지 않습니다. 성대 뿐만이 아니라 피아노, 바이올린 음높이 조율 할 때 사용되는 튜닝포크를 제외하고 모든 악기에는 배음(Overtone)이라는 것이 존재합니다.

예를 들어 우리가 피아노로 A4(440Hz, 2옥타브 라)를 쳤을 때, 피아노 줄에 의해 형성 되는 소리는 440Hz만 나오는게 아니라 그 소리위에 880Hz, 1320Hz, 1760Hz 등등 수많은 음들이 작게 같이 들립니다. 이것은 플룻, 바이올린, 등 모든 악기에 존재하는 현상이며, 이 배음들의 크기가 나름의 고유의 조화를 이루어 그 악기의 소리를 형성 하게 됩니다(플룻으로 A4 소리를 냈을 때, 바이올린으로 A4 소리를 냈을 때 음높이는 똑같아도 소리의 질은 확연히 다릅니다 - 왜냐하면 악기마다 악기특성에 의해 증폭이 되는 배음들이 전부 각각 다르기 때문이며, 이 증폭되는 배음들의 성질이 그 악기의 소리를 만듭니다). 아래 사진을 보면 조금더 이해가 쉬울 것입니다.

 

 

[그림 3]

 

위부터 아래 순서로 튜닝 포크, 플룻, 바이올린, 가수 순서대로 음파랑 스펙트럼을 분석한 사진입니다. 모두 같은 음높이(Hz)로 소리를 냈는데 튜닝 포크는 그 내고자 한 주파수만 주로 들리게 되고 플룻, 바이올린, 그리고 가수 목소리는 내고자 한 음 외에도 그 위로 많은 주파수들이 크게 들리는것을 확인 할 수 있습니다. 

 

위 사진과 같이 우리 목소리 역시 배음이 존재하며 [사진 2]에 그 쌓인 배음들을 간단하게 나타냈습니다.. 많이 본 사람으로써는 딱 보면 X축, Y축의 개념이 바로 정립이 되겠지만, 필자도 처음 봤을 때 무지 햇갈려 했던 관계로 정확하게 설명을 하겠습니다.

X축은 Hz, 즉 음높이를 말하며, Y축은 Db(데시벨), 즉 소리 크기를 말합니다. 스펙트럼 그래프를 보면 산처럼 불룩 불룩 튀어나온 파형을 확인 할 수 있습니다. 이것들이 전부 배음입니다. 그럼 첫 번째로 불룩 튀어나온 파형을 뭐라 할까요? 이것을 기본주파수(Fundamental Frequency)라고 하며 이 음은 실질적으로 우리가 듣는 음입니다. 예를 들어 피아노에서 A3(220Hz) A4(440Hz), A5(880Hz) 를 치면 사운드 스펙트럼 상으로 보면 다음과 같은 그림이 나오게 됩니다.

 

 

[그림 4]

 

① 첫 번째로 볼록 솟은 주파수(기본주파수)는 우리 귀로 정확히 들리고 그 뒤로 파형상 솟아 오른 배음 들은 귀에 잘은 들리지 않을 것이지만 귀가 발달 한 사람들은 들릴 것 입니다. 

② A4의 배음 간격과 A5의 배음 간격을 비교해볼까요? A4는 440Hz에 시작해서 첫 배음이 880Hz, 1320Hz, 1760Hz.... 이런식으로 440Hz 씩 증가하는 것을 확인 할 수 있습니다. 반면에 A5에서 시작한 스펙트럼은 첫배음이 1760Hz, 그다음이 2640Hz로 880Hz 씩 증가하며 해당 배음 소리 크기 감소율이 440Hz 에 비해 큰것을 확인 할 수 있습니다.

쉽게 요약하자면, 배음의 간격은 항상 기본주파수에 대해 비례 합니다. 즉 기본주파수가 올라 갈 수록 배음의 간격도 역시 커진다. 배음의 크기 감소율도 역시 기본주파수에 비례합니다. 기본주파수가 높아질 수록 그 해당 음의 배음의 크기는 점점 작아 집니다.

 

 

이제 다시 [그림 2]에서 배음의 크기를 조율하는 성도 부분을 보겠습니다. 성도의 도수 곡선을 보면 볼록 튀어나온 구간에 "A, B, C"라고 적혀 있습니다. 이것을 포먼트(Formant)라고 하며 A를 제1포먼트, B를 제2포먼트, C를 제3포먼트라고 칭합니다. 포먼트 때문에 우리가 소리를 내면 그 소리의 배음의 크기가 변화고, 그로 인해 우리만의 "목소리" "음색" 이 형성아 됩니다. 즉 포먼트들이 낮은 배음들의 크기를 증폭 시키면 결론적으로 우리 목소리는 "두껍고 어두운" 성질의 목소리가 생성 되며, 포먼트들이 높은 배음들의 크기를 증폭 시키면 우리 목소리는 "얇고 밝은" 성질의 목소리가 생성이 되는 것 입니다.

 

 

어떤 보컬 선생님들은 "목소리에 배음이 너무 없다", "목소리가 너무 비어있는 느낌이다", "목소리가 울림이 없다" 라고 하는것이 포먼트가 배음들을 정상적으로 증폭을 못 시켰을 때 경우 이러한 현상이 일어 납니다. 저음에서는 비교적으로 목소리가 "가득 찬" 성질의 목소리 였다가 고음으로 올라 갈 수록 "가득 찬" 성질이 점점 없어지는 이유는 상승한 기본주파수에 의해 배음의 간격이 높아지면서 그거에 맞게 포먼트도 역시 배음이 존재한 곳에 위치해야 정상적으로 배음이 증폭이 되면서 "가득 찬" 성질의 소리가 나오지만 포먼트가 배음과 배음 사이에 위치 되면 정상적으로 배음을 증폭 못시키는 관계로 결론적으로는 소리는 약하거나 "좁아진" 소리가 들리거나 "텅 빈" 소리가 들릴 수 있습니다.

 

우리가 노래를 하거나 말을 할 때는 제1포먼트 부터 제5포먼트 까지 우리 목소리의 특성을 형성하는데 가장 중요한 역할을 합니다. 또한, 포먼트 주파수 위치를 변경 시키는 조음기관은 우리몸에 7개가 있습니다.

① 입술(Lips)                        

② 턱(Jaw)                    

③ 혀(Tongue)  

④ 연구개(Soft Palate)

⑤ 인두강(Pharynx)

⑥ 상후두관(Epilarynx)

⑦ 후두(Larynx)

 

또한 목소리 특징을 만드는데 가장 큰 영향을 끼치는 공간은 다음과 같습니다.

① 상후두관(Epilarynx)

② 인두강(Pharynx)

③ 구강(Oral cavity)

④ 아랫니와 혀끝 사이에 생기는 "작은 공간"

 

성대에서 생성 되는 소리를 음성학자들은 "Source"라고 칭하며, 이 소리는 위 공간들에 의해 변형또는 변질이 됩니다. 이 공간들은 "Filter"라고 칭해서 소리가 성대에 의해 생성 되어서 4개의 공간에 의해 "필터"가 되어서 소리 스펙트럼에 나타나는 효과를 Source-Filter Effect(소스-필터 효과) 라고 합니다.

여기서 필터(Filter) 공간이 변형 됨에 따라 스펙트럼에 나타나는 증폭된 주파수 구간도 변형이 되며, 이로 인해 목소리의 성질 역시 바뀌게 됩니다.

즉 위 목소리 특징을 만드는데 가장 큰 영향을 끼치는 상후두관, 인두강, 구강, 그리고 혀와 아랫니 사 공간들을 포먼트 주파수 형성 구간(Formant frequency producing areas)라고 하며 여기서 생성되는 포먼트에 의해 증폭된 주파수 구간을 포먼트 주파수 구간(Formant frequency region)이라고 합니다.

 

음성학자 Johan Sundberg는 성도의 각 조음 기관과 공명강을 분석해 어떤 구간이 어떤 포먼트를 조절하는데 큰 영향을 끼치는지 분석 해 보았습니다.

분석 결과 제1포먼트와 제2포먼트가 모음을 형성하고 제3포먼트, 제4포먼트, 제5포먼트가 음색을 결정을 한다는 결과가 나왔습니다.

정밀하게 보았을 때 제1포먼트는 "목소리 깊이"를 조절 해주는 포먼트며 인두강과 구강에 의해 크게 변형이 되고, 제2포먼트는 혀의 모양(위치)에 의한 구강 크기에 의해 변형이 된다는 결과가 나왔습니다. 제3포먼트는 혀끝과 아랫니의 공간에 의해 형성이 되며, 제4포먼트와 제5포먼트는 노래에선 거의 하나로 합쳐져서 흔히 이 것을 "Singer's Formant" 또는 성악가 음형대라고 하는데 이것은 성대위에서 부터 인두강으로 연결되는 Epilarynx의 크기와 모양에 따라 변형이 됩니다.

 

이 글을 맺으며 간단하게 서론에서 낸 질문에 대한 답변을 드리겠습니다.

"가슴을 공명시켜라, 머리를 공명시켜라" 등 우리가 어딜 공명시킬 수 있는것일까?

 

정답은 아닙니다. 공명의 방법은 두가지가 있습니다. Sympathetic Resonance(Free Resonance, 교감 공명), 그리고 Conductive Resonance(Forced Resonance, 전도 공명)가 있습니다. 교감 공명과 전도 공명의 가장 큰 차이는 공명관이 진동을 하게 되는 직접적인 원인에서 나뉩니다. 만약에 진동체와 공명관이 신체적으로 닿지 않으면 교감 공명이며, 간단한 예시로는 사람이 높은 음을 부르면서 유리를 깨거나, 전자레인지에서 음식물을 데우는 원리가 있습니다. 반면에 전도 공명은 진동체와 공명관이 신체적인 접촉상태를 이루고 있을 때 이러나는 현상이며, 우리가 소리를 냈을 때 몸은 전도 공명에 의해 특정 부위에 진동이 느껴진다. 우리가 소리를 내는 순간 성대가 진동을 하면서 진동하는 성대에 접촉되어있는 뼈 근육을 타고 그 진동이 되는 힘이 신체 특정 위치로 이동을 합니다. 즉, 목소리로 인해 나타나는 신체 내 공명현상은 교감 공명이 아닌 전도 공명이기 때문에 우리가 의도하는 것이 아닌 자연적으로 나타나는 현상일 뿐 입니다. 

 

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