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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1998;41(5): 636-639. |
| Effects of Helium Gas on the Phonatory Function. |
| Sung Min Jin, Dae Young Kim, Jae Ho Ban, Kyung Chul Lee, Yong Bae Lee |
| Department of Otolaryngology, Kangbuk Samsung Hospital, College of Medicine, Sungkyunkwan University, Seoul, Korea. |
| Helium Gas가 발성기능에 미치는 영향 |
| 진성민 · 김대영 · 반재호 · 이경철 · 이용배 |
| 성균관대학교 의과대학 강북삼성병원 이비인후과 |
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| 주제어:
헬륨가스ㆍ발성. |
| ABSTRACT |
BACKGROUND AND OBJECTIVES:
The development of saturation diving has enabled men to work underseas at great depths and for long periods of time. However, the utilization of HeO2 gas mixture has been a aubject of much study. This paper present a discussion effect of the helium gas on speech by usling gas machine which have been developed.
MATERIALS AND METHODS:
Twenty male volunteers without voice problems produced /a/ vowel sound before and after helium gas inhalation. The results were analyzed by using an aerophone, an acoustic analyzer, videostroboscopy, and a nasometer.
RESULTS:
The first formant, the second formant and the bandwidths of the second formant were significantly increased after helium gas inhalation. A meaningful change was noted in asalance.
CONCLUSION:
The helium gas has an effect on the resonant structure of oral and nasal cavity due to its physical characteristics. |
| Keywords:
Helium gasㆍSpeech |
서론
잠수부가 50 m이상 잠수하여 보통의 공기로 호흡하는 경우 호흡용 공기 중에 포함되어 있는 질소가스가 혈류로 스며들어 인체의 조직 내로 침투함으로써 nitrogen narcosis를 초래하여 치명적인 공기 색전증을 유발하게 된다. 이러한 위험을 극복하기 위하여 호흡용 가스로 헬륨/산소 혼합가스가 잠수용 호흡가스로 사용되어 왔으나, 이 때 사용되는 헬륨가스는 명료도가 낮은 ‘squeaky voice’를 유발하므로, 심해에서 잠수부들의 비정상적인 음성에 대한 해석과 인지 능력에 대한 연구가 이루어졌다. 1)2) 그러나 순수한 헬륨가스에 의한 발성기능에 대한 연구는 이루어진 바가 없어, 향상된 음향분석학적 기기들을 이용하여 순수 헬륨가스 자체가 발성기관에 직접적으로 어떤 영향을 미치는 지에 대하여 알아보고자 하였다.
대상 및 방법
과거력 및 현재력상 증상과 이학적 검사에서 음성장애 소견을 보이지 않고 최근 6주간 호흡기 질환을 앓은 병력이 없는 25세에서 35세(평균 27.8세)까지의 성인 남자 20명을 대상으로 하였다.
대기 중에서의 지속적인 /아/ 발성음과 99% 헬륨가스를 흡입시킨 후의 /아/ 발성음에 대하여 공기역학적 검사, 음향분석학적 검사, 성대화상술검사를 시행하였고, nasometer를 이용하여 헬륨가스 흡입 전후의 비강공명도검사를 시행하였다.
헬륨가스의 흡입은 2 litter용 Phoenix bag reservoir에 99% 헬륨가스를 채운 후 편안히 앉은 자세에서 가능한 순수 헬륨의 작용을 보기 위하여, 폐속의 공기를 충분히 뱉어 내도록 한 후, 심호흡으로 99% 헬륨가스를 흡입하는 방법으로, 이를 2회 반복 시행한 직후 검사를 시행하였다. 계속되는 헬륨가스 흡입시 발생되는 저산소증을 고려하여 한 항목의 검사 후 하루의 휴식기간을 가진 뒤에 다음 항목에 대한 검사를 시행하였다.
공기역학검사로는 음성생성능력을 양적으로 표현하여 주는 최장발성지속시간(maximal phonation time, MPT)을 측정하였고, 이때 피검자는 편안히 앉은 자세에서 최대흡기 후 편한 발성으로 /아/ 모음을 가능한 한 지속적으로 길게 발성하도록 하여 그 발성의 지속 시간을 3회 측정하고 그 중 가장 큰 값을 택하였으며, 평균호기류율은 Kay사의 모델 4338형의 Aerophone II를 이용하여 측정하였다.
음향분석은 Kay사의 CSL시스템을 사용하였고 hardware는 CSL model 4300B와 Kay사에서 제공된 486DX 33 MHz 컴퓨터를 사용하였으며, 분석에 사용된 software는 multidimensional voice program model 4305이었고, 마이크는 SHURE사 Model SM 48 unidirectional；dynamic microphone을 사용하였다.
성대화상술검사는 70° rigid telescope type 5952를 통하여 CCD camera (Panasonic(r))와 television monitor (SONY(r))에 연결된 B&K rhino-larynx stroboscope type 4914를 사용하여 기록하였고, 모든 검사는 video-cassette recorder (Panasonic(r))를 이용하여, 녹화 및 재생하였다.
비강공명도 검사는 Kay사의 모델 6200형의 nasometer를 이용하여 /CVCV/형태의 양순(mama), 치조비강자음(nana)과 /VCVC/형태의 구개비강자음(angang)을 측정하였다.
통계학적 검증은 통계분석 패키지인 statistical packages for social science(SPSS)중 paired t-test를 이용하여 각 결과의 평균 및 표준편차를 비교하였고, 유의 수준은 5%로 하여 검정하였다.
결과
헬륨가스 흡입 전후 검사치의 비교에서 공기역학적 검사상 최장발성지속시간이 흡입 전 24.34초에서 흡입 후 20.63초로 감소하였으며(p>0.05), 평균호기류율은 0.172 l/sec에서 0.177 l/sec로 큰 차이는 보이지 않았다(p>0.05)(Table 1).
음향분석학적 검사에서 제1포만트의 평균치가 헬륨가스 흡입 전 701.2 Hz에서 헬륨가스 흡입 후 819.28 Hz로 증가하였으며(p<0.05), bandwidth는 66.31 Hz에서 97.35 Hz로 증가하였다(p>0.05). 제 2 포만트의 평균치는 1224.91 Hz에서 1432.22 Hz로 증가하였고(p<0.05) bandwidth도 43.08 Hz에서 215.21 Hz로 증가하였다(p<0.05). 또한 평균 음고(average pitch)는 113.10 Hz에서 115.58 Hz로 증가하였다(p>0.05)(Table 2).
헬륨가스 흡입전의 기본 진동수(fundamental frequency, Fo)는 112.464 Hz, 기본 진동수 변이(fundamental frequency variation, vFo)는 1.319 Hz, 기본 진동수의 표준편차(standard deviation of Fo, STD)는 1.466 Hz이었고, 헬륨가스 흡입 후에는 각각 112.516 Hz, 2.412 Hz, 3.101 Hz이었으며 이들 간에는 유의한 차이가 없었고, jitter 및 pitch perturbation quotient (PPQ), shimmer, amplitude perturbation quotient (APQ), 잡음 대 조파비(noise to harmonic ratio, NHR)도 헬륨가스 흡입 전 0.815, 0.467, 3.583, 2.577, 0.127에서 헬륨가스 흡입 후 6.792, 0.655, 3.131, 2.325, 0.132로 유의한 차이는 보이지 않았다(p>0.05)(Table 3).
성대화상술검사에서 성대진동의 규칙성, 진폭, 성문폐쇄의 이상, 양측 성대의 대칭성, 점막파동의 이상 등에서 헬륨가스 흡입 전후의 차이점을 관찰할 수 없었다.
비강자음에 대한 nasalance검사에서 치조비강자음과 양순비강자음의 평균치가 검사 전의 31.11%, 32.27%에서 38.22%, 38.36%로 증가하는 소견을 보였고(p<0.05), 구개비강자음은 61.46%에서 60.26%로 감소하였다(p>0.05)(Table 4).
고찰
잠수부들의 호흡용 가스로 헬륨/산소 혼합가스가 사용되는데, 이 때 발생되는 명료도가 낮은 ‘squeaky voice’로 인하여 주로 헬륨발성(helium speech)의 명료도에 대한 연구가 있어 왔다.3-6)
음속은 기압에는 영향을 받지 않으나 각 가스의 밀도와 특이상수(ratio of the specific heats)에 의하여 영향을 받으며, 헬륨/산소 혼합가스 흡입시 헬륨과 산소의 서로 상이한 음향전파 특징과 높은 기압이 성음관 공명구조의 변형을 초래하여 어음명료도의 심한 변형을 일으킨다.3) Giordano4)는 정상 발성에서 흡입된 가스의 speech spectrum에서 에너지의 분포는 성도의 모양과 음속에 따라서 결정되며, 높은 기압에서 헬륨/산소 혼합가스 흡입시 기압이 증가함에 따라 가스의 밀도가 증가하여 어음명료도는 감소한다고 하였고, 또한 심해에서 잠수부들이 말을 잘하지 않고 주위의 소음으로 인하여 큰소리로 이야기하는 등의 행동상의 변화도 어음명료도가 낮아지는 이유가 된다고 하였다. 그리고, Giordano4)와 Brubaker등 5)은 자음과 모음 사이의 이행부가 음성의 인식에 많은 도움이 되며, 저분자량의 헬륨가스를 흡입시 음속이 변화하여 형성되는 포만트 주파수의 단순 주파수 변이(simple frequency translation)로 인하여 이러한 이행부가 결여되어 어음명료도가 감소된다고 하였다.
Sergeant3)는 헬륨/산소 혼합가스 흡입 전후의 어음명료도에서 의미 있는 차이를 보이며, 특징적인 ‘Donald Duckcharacteristic’을 보이지만 기본 진동수와 음고의 변화는 없다고 보고하였고, Stover6)도 성대의 진동율은 후두근에 의해서만 영향을 받고 성음관(vocal tract)내의 가스의 구성에는 영향을 받지 않으므로 음고에는 영향이 없으며, 헬륨발성의 특징적인 ‘고음고(high pitch)’는 주관적인 것이라고 하였다. 그러나, Jack 등1)은 헬륨가스가 실온보다 차가워서 후두근의 물리적 수축을 초래하여 음고주기(pitch period)가 감소한다고 하였고, Holywell 등7)은 헬륨/산소 혼합가스 흡입 후의 음고의 증가와 제1포만트의 증가를 보고하였다. Belcher2)는 헬륨/산소 혼합가스 흡입시 압력이 증가함에 따라 포만트 주파수는 비직선형 상방 전이(nonlinearly upward shifting)를 하게 되며, 포만트 bandwidths는 약 14배까지 증가한다고 하였고, 또한 Sergeant3)는 초음파 연구에서 포만트 주파수는 상방 전이되나 그 모양이나 양상은 비슷하다고 하였다. 본 연구에서도 저온, 저분자량, 고밀도인 헬륨가스의 특징으로 인하여 헬륨가스 흡입 전후의 검사에서 제1포만트와 제2포만트 평균치 및 제2포만트 bandwidths의 의미 있는 증가가 나타났으며, 이것은 헬륨가스로 인하여 성음관이 수축되어 나타난 결과로 생각되며,8)9) 기본 진동수와 음고는 의미 있는 차이를 보이지 않아 헬륨가스가 성대 자체에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 생각된다.
정상적인 발성이 성립되기 위해서는 호흡기에서 보내지는 호기류, 진동체로서의 성대추벽, 성문상하의 공명강 3요소가 필요하며, 이 중에서도 특히 호기류는 성대진동을 위한 구동에너지를 공급하므로 그 공기 역학적인 면에서 중요하다. 본 연구에서 헬륨가스 흡입 전후의 최장 발성지속 시간 및 평균호기류율 측정에서 의미 있는 변화가 관찰되지 않는 것은 헬륨가스 흡입으로 인한 후두의 과긴장이 호기류의 변화에까지는 영향을 미치지 않았기 때문으로 생각된다.
정상 기압하에서 비음을 나타내는 주된 요인은 포만트 bandwidths의 일반적인 확장, spectral energy의 전반적인 부하, 고포만트 긴장성(intensity in the higher formants)의 의미 있는 감소 등이고, 높은 기압하에서 비음이 증가하는 것은 성음관 벽과 고밀도 공기 사이의 음향 임피던스의 불일치(acoustic impedance mismatch) 때문이다.1) 그리고, 기압이 증가함에 따라 저포만트 주파수의 비직선형 전이가 일어나는데 이는 감소된 임피던스 불일치가 성음강 벽의 에너지 흡수를 일으켜서 진동이 일어나기 때문이다.4) 본 연구의 비강자음에 대한 nasalance검사에서 치조비강자음과 양순비강자음의 평균치가 의미 있는 증가 소견을 보인 것은 헬륨가스로 인한 인두 및 구강의 수축으로 인하여 비강으로의 공기의 흐름이 커졌기 때문으로 생각되나, 구개비강자음보다도 치조비강자음과 양순비강자음의 평균치가 증가한 것은 nasometer가 비음도(nasality)의 미세한 차이에 대한 정확한 반영 및 계측에 대한 한계 때문인 것으로 생각된다.10)
헬륨가스에 대하여 성대화상술을 통한 검사는 아직 문헌보고가 없으나 본 연구에 의하면, 헬륨가스가 성대운동의 변화나 점막파동의 변화에는 영향을 미치지 않는 것으로 생각된다.
헬륨/산소 혼합가스를 사용한 이전의 연구와 달리 순수 헬륨가스를 사용한 본 연구는 발성시 헬륨가스가 산소와 섞이면서 성음관의 변화를 유발한다는 면에 있어, 산소에 의한 작용을 최소화시키고 가능한 순수 헬륨가스의 작용을 살펴보고자 한데 그 의의가 있다고 하겠다. 그러나, 헬륨/산소 혼합가스를 사용한 이전의 연구는 저자에 따라서 포만트의 증가, 기본 진동수, 음고 등에 대하여 수치상의 차이가 있어 그 결과를 비교하는 것은 의미가 적으나 헬륨/산소 혼합가스로 인한 성음관 공명구조에 대한 효과에 대하여 일치된 결과를 보여주고 있으며, 순수 헬륨가스를 사용한 본 연구에서도 이전의 연구와 유사한 결과를 보였다.
결론
헬륨가스는 성대 자체의 운동이나 구조에는 영향을 미치지 않으며, 헬륨가스의 물리적 특성으로 인하여 구강 및 비강의 공명구조에 영향을 미치는 것으로 생각된다.
REFERENCES
1) Jack MA, Duncan G. The helium speech effect and electronic techniques for enhancing intelligibility in a helium - oxygen environment. Radio Electron Eng 1982;52:211-3.
2) Belcher EO, Hatlestad S. Formant frequencies, bandwidths, and Qs in helium speech. J Acoust Soc Am 1983;74:428-32.
3) Sergeant RL. Speech during respiration of a mixture of helium and oxygen. Aerosp Med 1963;826-9.
4) Giordano TA, Rothman B, Hollien H. Helium speech unscramblers - a critical review of the state of the art. IEEE Trans Audio Electroacoust 1973;5:436-45.
5) Brubaker R, Wrust JW. Spectographic analysis of divers' speech during decompression. J Acoust Soc Am 1968;43:798-802.
6) Stover WR. Technique for correcting helium speech distortion. J Acoust Soc Am 1966;41:70-4.
7) Holywell K, Harvey G. Helium speech. J Acoust Soc Am 1964;36:210-1.
8) Appelman DR. Formants and the human resonating system. In:Appelman DR. The Science of Vocal Pedagogy. 1st ed. Bloomington:Indian University Press;1986. p.126-33.
9) Borden GJ, Harris KS. Speech production. In:Borden GJ, Harris KS. Speech Science Primer. 2nd ed. Baltimore:Williams & Wilkins;1984. p.104-6.
10) Jin SM, Kang HG, Lee KC, Park SO, Lee SC, Lee YB. Significance of nasometer and first formant for nasal patency after septoplasty and turbinoplasty. J Korean Logo Phon 1997;8:161-5.
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