소리 생성 원리 : 성대 진동에 대한 이해

November 10, 2016

참고 논문 및 서적

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

②Johan Sundberg - The Science of the Singing Voice

③Ingo R. Titze - Principles of Voice Production

④J.W Van Den Berg - Myoelastic-aerodynamic theory of voice production

 

 

음성과학에 관심이 있는 사람이라면 알아두기 좋은 주제입니다. 또한, 추후에 필자가 쓰는 글 중 SOVT(Semi-Occluded Vocal Tract)훈련법에 관한 글에 여기서 나오는 용어가 많이 나올 것이기 때문에 미리 알아두면 좋을 수 있습니다.

 

 

소리란 공기나 물같은 매체에 있는 압력이 변화하면서 나타나는 현상입니다(매체가 존재 하지 않는 곳, 우주 같은 곳에서는 소리가 생성이 안 되겠죠?).  

 

음성의 생성 원리를 알려면 소리가 어떻게 생성 되는지 알아야 합니다.

소리가 생성이 되려면 세 가지의 기본 요소가 필요로 합니다.

1. Power Source - 파워 소스

2. Vibrating Source - 진동 매게체

3. Resonating Source - 공명 매게체

 

 

 

우리가 사용하는 모든 악기는 이 3가지 요소가 전부 있습니다. 트럼펫 같은 경우 파워 소스는 우리 폐에서 나오는 공기 압력, 진동 매게체는 우리 입술, 그리고 공명 매게체는 트럼펫의 관이 됩니다. 바이올린 같은경우도 파워 소스는 우리 팔의 힘으로 Bow를 진동매게체인 String을 진동시키면 이것이 바이올린의 Bridge를 타고 나무 사운드 보드에서 공명이 되어 아름다운 소리를 생성하게 됩니다. 그랜드 피아노 역시 마찬가지입니다. 파워 소스는 우리 팔이 해머를 때리는 힘이 되겠고, 그 현상으로 인해 강선이 진동을 하며 피아노의 사운드 보드를 통해서 소리가 만들어집니다.

 

인간 음성 생성 원리도 비교적으로 간단 합니다. 전 글에 내후두근에 대해 설명을 했었는데, 다시 복습 차원에서 음성 생성 원리를 알려 드리면서 각각 근육이 어느 역할을 하는지 설명을 드리겠습니다.

 


 

우리가 숨을 쉬면, 폐에 있는 압력이 증가 합니다. 우리 폐의 압력이 여기서 파워 소스가 됩니다. 그리고 폐에 쌓인 압력이 입 밖으로 이동을 하면서 소리가 납니다. 그러면 여기서 진동 매게체는 이 공기가 이동하는 길에 있는 성대가 됩니다. 성대가 이 공기흐름에 의해 진동을 하며, 우리 공명 매게체인 인두강 구강을 거쳐서 소리가 나게 되는 것 입니다.

 

평소에 숨쉬는 상태에서는 성대를 벌려주는 근육 PCA가 활성화 되면서 성대를 벌려서 편하게 숨을 쉬도록 합니다.(물론, 빠른 템포의 노래를 하거나, 의식적으로 빨리 숨을 쉬어야 하는 경우에는 PCA의 수축 속도와 정도는 변합니다). 하지만 우리가 음성을 내기 50~500밀리세컨드 전에 성대는 붙기 시작합니다. 여기서 성대를 접촉 시켜주는 근육은 세개가 있다. 바로 TA, LCA, IA다. TA는 성대 하단을 접촉시켜주는데 기여를 하고, LCA는 성대 주변 피열연골을 회전 시켜 성대가 붙는 상태로 만들며 상단을 접촉시키는데 기여를 하며, IA는 성대 뒤에 있는 피열연골을 붙여줌으로써 성대 뒤를 접촉시키며, 이렇게 성대는 완벽하게 접촉하게 됩니다.

 

여기서 이제 성대가 그냥 접촉된 상태라고 음성은 생성 되지 않습니다. 왜냐하면 접촉상태랑 진동상태는 엄연히 다르기 때문 입니다. 음성이 생성 되기 위해서는 성대가 진동하면서 파형을 일으켜야, 공기의 압력 변화로 인해 음성이 나올 것 입니다. 그러기 위해 성대에게 파형을 발생 시킬 충분한 성문 하압(성대 아래에 압력)이 필요로 합니다. 논리적으로 들이마신 공기(흡기)량이 크면 성문 하압이 증가 할 것이고, 흡기량이 작으면 성문 하압이 감소 될 것 입니다. 만약 성문 하압이 특정 기준 보다 작아지면 성대는 정상적인 파형 운동을 못하며, 음성은 생성이 불가능 하게 됩니다. 음성이 생성되는 성문하압의 역치를 Phonation Threshold Pressure(발성역치압력, PTP)라고 표현을 합니다. 즉 PTP보다 작은 압력은 성대가 진동을 못해 음성 생성이 안 되며, PTP 보다 높은 압력은 성대가 진동해 음성 생성이 가능합니다. 

 

아래 동영상은 음성이 생성되는 원리를 알려주는 동영상 입니다.

 

 

 

 

40초 쯤에 보시면 성대 바로 아래에 생성되는 공기 뭉치가 보일 것 입니다. 저 공기 주머니의 압력을 바로 성문 하압이라고 하는 것 입니다. 이 공기가 과도하게 적게 뭉치면 성대가 스스로 진동을 못하게 됩니다. 

 

 

즉 우리는 편하고 건강한 소리를 내기 위해서는 PTP가 높으면 안되며 낮은 상태를 유지를 해야합니다. 이것은 우리가 어떻게 생활 하냐에 따라도 많이 변하게 됩니다.

 

 

 

 

<PTP는 이럴 때 높아진다>

① 성대 표피의 점성이 높아졌을 때(예 : 성대의 탈수나 붓는 현상)

② 성대가 접촉하는 힘이 강할 때

③ 성대의 길이가 길어졌을 때, 얇아졌을 때, 팽팽해 졌을 때(즉, 고음을 냈을 때)

PTP가 높아지면 소리를 내기위해 더 강한 성문 하압이 요구 되며, PTP가 낮을 때 만큼의 호흡의 압력으로는 소리가 안 나옵니다.

 

<PTP는 이럴 때 낮아진다>

 

① 성대 표피의 점성이 적당해 졌을 때(성대의 충분한 수분 공급으로 인한 현상)

② 성대가 접촉하는 힘이 약할 때

③ 성대의 길이가 짧아졌을 때, 두꺼워졌을 때, 느슨해 졌을 때 (저음을 냈을 때)

PTP가 낮아지면 소리르 내기 위해 적은 호흡의 압력이면 충분하게 됩니다.

 

우리 일상 생활에의해 PTP가 높아질수 있는 요인은 1번에 해당이 됩니다. 우리가 알코올이 들어간 음료를 마시거나, 카페인이 들어간 음료를 마시게 되면 탈수 현상이 생김으로 인해 성대 표피의 점성이 과도하게 높아집니다. 이 상태에서 발성을 한다면 성대가 붓기가 매우 쉽게 됩니다. 항상 우리는 이런 일을 대비해 충분한 물을 마시고 필요 시 음성 휴식을 취하는것이 중요합니다.

 

 

이제 성대가 PTP보다 강한 호흡압력으로 인해 파형 운동을 할 수 있다고 가정 하겠습니다. 이제는 여기서 이 파형운동을 계속 지속 시켜주는 것은 근탄력성-공기역학이론에 의한 근육 운동입니다. 성대가 접촉하고 있을 때 폐에서 입으로 가는 길은 막히게 되는데, 그 때 성대 바로 아래 성문 하압은 폐에서 계속 올라오는 공기로 인해 증가 할 것입니다. 그 지속적으로 증가하는 압력이 특정 수치를 도달 했을 때 성대는 그것을 가두고 유지할 힘을 못견뎌내고 성대가 열리게 됩니다. 그리고 성대의 탄성 속성으로 인해 확 열린 성대는 다시 닫혀있는 상태로 돌아가게 됩면서 이런 현상으로 반복운동을 하게 되는 것입니다. 아래 영상을 참고하시면 됩니다.

 

 

 

아직도 많은 보컬 코치들이 성대가 진동하는 원동력이 베르누이 효과라고 주장을 하곤합니다. 베르누이 효과는 성대 진동 상태에서 존재하나 성대를 진동시키는 원동력은 절대 되지 못합니다. 그리고 그에 대한 연구자료는 다음과 같이 있습니다.

기존에는 음성학자 Johan Sundberg는 베르누이 원리로 인해 성대가 다시 닫히는 현상에 주된 기여를 한다고 1987년에 주장을 했지만 1994년에 음성학자 Ingo R. Titze의 연구 결과에 따르면, 베르누이 원리는 자연스럽게 존재하는 현상이지만, 성대를 열린 상태에서 다시 닫는 주된 요인은 아니며, 베르누이 효과가 없었어도 성대는 다음과 같은 이유로 다시 닫힌다는 사실을 증명했습니다.

 

① 성대 탄성 속성으로 인해 열린 성대는 다시 닫힌다.

② 성문하압과 그로 인해 변하는 성대표피의 점성의 동시성으로 인해 성대는 다시 닫힌다.

 

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