개의 적출된 후두에서 성대의 진동패턴에 따른 성문기류 흐름의 분석

Abstract

[한글]후두는 폐로부터 나오는 공기를 성대점막의 파동 현상에 따라 기류펄스로 만들어 내는 역할을 하는데 이때 분출되는 기류의 형태에 따라 소리의 질이 달라진다. 지금까지 음성생성에 관한 실험적이거나 이론적인 연구의 결과는 시시각각으로 변화하며 성문을 나오는 3차원의 기류흐름은 분사기류(jet flow)의 형태로 와동(vorticies)을 거쳐서 난류(turbulent flow)가 될 것이라고 가정하는 단계에 있다. 이에 본 연구에서는 소리의 질을 바꿀수 있는 성문변수들을 변화시킨 후 분사기류를 직접 투시함으로써 음성의 질적인 차이가 기류흐름의 형태에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.

개의 후두를 본 연구에 사용하게 된 이유는 인간의 후두와 조직학적으로나 해부학적으로 유사한 점이 많고 지금까지 후두 연구 하는데 가장 많이 사용되어온 재료이기 때문이다. 적출후두에 압축공기를 넣어 성대의 진동이 일어나게 한 점은 기존의 연구방법을 참고로 하였고, 세가지 성대변수인 성문하압, 긴장도 및 경도를 조절하여 질적으로 다양한 소리의 발성을 유도하였다. 성문하압의 조절은 유입되는 공기의 양을, 긴장도의 조절은 성대의 길이를, 경도의 조절은 성대의 근육층에 식염수를 주입하는 방법을 사용하였다 성대의 진동시 유출되는 공기의 흐름을 투시하기 위해서는 주위의 공기와 대조가 되도록 짙은 연기를 내는 연기발생장치를 고안하여 후두의 정면에서 스트로보스코피를 이용하여 완속의 기류 흐름을 촬영하였다. 개에서 적출한 후두가 발성실험에 적합한 재료인지 알아보기 위하여 흥성과 가성의 두가지발성의 형태를 유도하여 보았고, 길이 성문하압 경도의 증가에 대한 기본진동수의 변화를 살펴 보았는데 모두 민감한 반응을 보였다. 반사경을 이용해서 성문분사기류의 흐름과 동시에 촬영한 성대 진동 소견에서 성문면적이 진동의 한 주기 내에서 변화하는 양상을 비교해 보면, 성문하압이 증가하는 경우 개방기의 기간은 큰 차이가 없으나 성문면적이 증가하는 소견을 보였고, 경도를 증가시킨 경우 증가한 쪽의 개방기와 성문 면적이 감소하였고, 길이를 증가시킨 경우 개방기의 기간이 길어지며 초기 개방기의 성문면적은 약간 감소하는 소견을 보였다.

성문기류의 흐름은 분사기류의 형태로서 시간적으로 성문개방에 비해 약간 늦게 나타나는 지체기간이 있고 이후 점점 크기가 증가하다가 성문폐쇄기가 지난 후 확산되어 상방으로 진행하며 흐려졌다. 여기서 나타나는 지체기간의 원인은 고속으로 흐르는 성문기류의 레이놀드수 증가로 인한 점도의 증가로 생각되었다. 성대의 길이를 증가시켜 긴장도가 증가된 경우 성문간격은 더욱 좁아지며 지체기간도 길어지는 것에서 증명이 된다. 각각의 변수변화에 대한성문분사기류의 반응은 성문하압이 증가된 경우 분사기류의 크기가 커지는 양상을 보였고, 성대 한쪽의 경도를 변화시킨 경우 분사기류는 경도가 강한 쪽으로 꺾이는 현상을 볼 수 있었고, 양쪽의 경도를 증가시킨 경우에는 꺽임현상은 없어졌으나 분

출기간이 단축되는 소견을보였다 길이를 한단위와 두단위 증가시켜 긴장도를 증가시킨 경우를 정상상태와 비교해보면 분사기류의 최초 발현 시기는 늦어지나 분출기간은 상대적으로 늘어나는 양상을 보였다. 이상의 결과로부터 성문기류의 흐름은 공기역학적 특성에 따

라 분사기류의 형태를 가지며 성문변수의 조절에 따라 달라지는 성문면적의 변화에 민감하게 반응 한다는 것을 알수 있었다. 음성의 질적 차이는 성문분사기류의 양상에서 나타나는데, 이는 성대 진동형태의 차이로 인한 성문면적의 변화에 따라서 결정된다고 생각하

였으며, 이 결과는 앞으로 정상음성의 생성 원리 뿐 아니라 병적음성의 생성 원리에도 응용할 수 있을 것으로 사료되었다.

[영문]Previous experimental or theoretical study about generation of voice tells us that there is a formation of three dimensional glottal jet flow during vocal folds vibration and we can foretell that glottal flow will be the turbulent flow from the stage of vorticies(spin of air particle). Our aim in this study is to allow the determining factor of voice quality, For this purpose we tried to visualize directly the global airflow patterns with the variation of glottal parameter that can induce lots of different quality of voice. The dog larynx is the most widely

used material for the study of phonation and it has higtologically or anatomically many similarities with that of human beings. The method that we induce the vibration of excised canine larynx with compressed air is not very different from

the previous study. For the induction of various quality of voice we change the three glottal parameters (subglottic pressure, tension and stiffness). Variation of subglottal pressure was induced with the regulation valve of air current from the air compressor, variable tension was induced with the regulation of glottal length and different method from the previous study was used for the stiffness imbalance. For the contrast of glottal flow against the background during vocal folds vibration we used the custom made smoke instrument and this fast movement of flow

was recorded slowly with the aid of stroboscopy in the frontal plane.

Induction of two types of vibration pattern and the fundamental frequency response to the variation of glottal parameter showed that canine larynges were appropriate to our visualization purpose. The fundamental frequency was increased linearly with increased glottal parameters and the moat remarkable change was noted in the bilateral stiffness increase.the glottal vibration cycle that recorded at the same time with the glottal flow pattern was the foundation in the flow analysis. The glottal area changed differently to the slight change of glottal parameter. The glottal area increased with increased subglottic pressure and

inverse relationship was noted with increased stiffness. With the increased length glottal area width was not changed, however increased open period was noted.

The most obvious feature shown by this experiment was the development of the jet during opened phase of the glottal cycle. In most cases, the jet appearance was delayed several frames with respect to the glottal open time and the cause of this delay might be result from the fluid dynamical viscosity of air particle. A small jet appeared perpendicular to the glottis and at successive phase the jet lengthens and widens, mixing with surrounding air still the plume loses definition. Although it was difficult to measure the "edge" of the smoke cloud exactly, the results were resonably consistent. Increased subglottic pressure showed the inclosed size of the glottal jet with no change in the appearance time. No shape difference was noted with the increased glottal length but more delayed jet appearance and increased

appearnce time was noted. In the unilaterally increased stiffness condition, the jet deviated to the increased stiffness side and more mixing was noted in the closing period of of glottal cycle. In the bilaterally increased stiffness condition, the normal shape which early termination of the jet was induced.

The results that was drawn from the effect of the glottal cofiguration change to the glottal flow suggest that variable voice quality can be discrimiuted by the characteristics of the the glottal jet flow patterns and this characteristics is associated consistently with glottal area change.