기계로 우리말 모음을 낼 수 있을까

톱니파와 공명관을 이용한 모음 발성 장치 개발 및 한글 모음 발성 원리 탐구

물리 시간에 ‘아’와 ‘오’는 파형으로 구별된다고 배웠습니다. 그렇다면 음성 인식 프로그램은 파형의 무엇을 보고 모음을 구별할까요? 이 질문에서 시작한 탐구는 모음을 가르는 포먼트(목소리 속에서 크게 울리는 진동수)를 찾고, 성대 소리를 닮은 톱니파에 포먼트를 더해 모음을 만들었습니다. 이어서 이퀄라이저 대신 공명 상자와 3D 프린터로 만든 성도 모형으로 ‘아·우·이’를 냈고, 혀처럼 움직이는 가변형 관으로 혀의 위치와 입술의 열린 정도에 따라 발음이 바뀌는 까닭을 공명으로 설명했습니다.

탐구 요약

제63회 전국과학전람회 1152 전시 차트: 톱니파와 공명관을 이용한 모음 발성 장치 개발 및 한글 모음 발성 원리 탐구 — 탐구 동기, Source-Filter 이론, 공명 진동수 그래프와 모음 삼각도, 모음 발성 장치 제작, 성도 MRI와 3D 모델링, 가변형 관, 혀 위치와 입술 열림에 따른 공명 진동수 변화, 탐구 결과와 활용 방안 — 제63회 전국과학전람회 전시 차트 · 누르면 PDF로 크게 볼 수 있습니다

탐구 과정

탐구자 3명이 직접 발음한 모음의 제1·제2 공명 진동수 그래프: 아·에·이·오·우가 무리를 지어 모인다

국어 음운론의 모음 삼각도: 혀의 앞뒤 위치와 높이, 입술을 열고 닫는 정도에 따른 모음의 자리

탐구 1 · 모음 인식과 합성모음은 포먼트로 구별된다

탐구자 세 명이 음높이를 바꿔 가며 직접 발음한 모음을 주파수로 분석했습니다. 같은 모음이면 음높이가 달라도 포먼트가 같았고, 제1·제2 포먼트로 그린 그래프(왼쪽)가 국어 음운론의 모음 삼각도(오른쪽)와 잘 맞았습니다.

그래서 성대 소리를 닮은 톱니파를 만들고 이퀄라이저로 포먼트 자리를 키워 ‘아’, ‘이’, ‘오’를 합성했습니다.

아·우·이를 발음할 때의 성도 MRI, 성도 면적 함수 그래프, 3D 모델링

탐구 2 · 모음 발성 장치공명으로 포먼트를 만든다

이퀄라이저 대신 소리를 키우는 공명 장치를 만들었습니다. 먼저 ‘아’의 포먼트에 맞춰 길이를 정한 직육면체 공명 상자로 ‘아’를 냈습니다.

이어서 문헌에 실린 아·우·이 발음 때의 성도 MRI와 면적 함수를 따라 3D 프린터로 공명관을 만들었습니다. 아래쪽에서 톱니파를 넣으면 관 끝에서 모음이 나옵니다.

가변형 관 모형: 아크릴 관 속 분홍 스티로폼 원통의 위치를 0cm에서 12cm까지 2cm씩 바꾼 사진 일곱 장

탐구 3 · 발성 원리혀의 위치와 입술의 열림

혀가 성도를 좁히는 것을 흉내 내려고 아크릴 관에 구멍 뚫린 스티로폼 원통을 넣은 가변형 관을 만들었습니다. 원통이 입술 쪽에서 성대 쪽으로 옮겨 가면 제1·제2 공명 진동수가 바뀌며 발음이 달라졌습니다.

3D 프린터로 만든 ‘아’ 모형의 입구를 가리면 제1 공명 진동수가 낮아졌습니다. 입구가 좁아지면 열린 끝이 완전히 열린 끝처럼 반사하지 못해 정상파의 파장이 길어지기 때문으로 보았습니다.

얼굴형 발성 원리 교육 모형: 푸른 아크릴로 자른 사람 머리 옆모습 안에 성도처럼 휜 관이 있고, 혀 역할을 하는 손잡이가 달려 있다

탐구 4 · 교육 모형얼굴형 발성 원리 교육 모형

가변형 관을 사람 머리 옆모습 안에 넣은 교육 모형을 만들었습니다. 목 아래쪽에서 톱니파를 넣으면 입에서 모음이 나오고, 혀 역할을 하는 손잡이를 움직이면 소리가 바뀝니다. 톱니파의 진동수를 높이면 여자 목소리도 납니다.

일곱 살 동생에게 보여 주자 손잡이를 직접 움직이며 “어떻게 소리가 나는 거야?” 하고 물었습니다.

들어 보기

2017년 6월 실험 때 녹음한 소리입니다. 사람 목소리가 아니라 스피커에서 나온 톱니파가 상자와 관을 지나며 만든 소리입니다. 단추를 누르면 3초씩 들립니다.

탐구 1 · 이퀄라이저성대 소리에 포먼트를 더하면

성대의 떨림을 닮은 100 Hz 톱니파를 먼저 들어 보고, 모음마다 제1·제2 포먼트 진동수를 이퀄라이저로 키운 소리와 비교해 보세요. ‘아’는 800 Hz와 1200 Hz, ‘이’는 300 Hz와 2500 Hz를 키웠습니다.

탐구 2 · 발성 장치상자와 관으로 만든 모음

이퀄라이저 대신 공명으로 포먼트를 만들었습니다. 가로 145 mm, 세로 215 mm인 직육면체 상자는 ‘아’의 두 포먼트에 맞춘 것이고, 3D 프린터 모형은 문헌에 실린 성도 MRI의 단면적(면적 함수)을 따라 만들었습니다.

탐구 3 · 혀의 위치좁은 곳을 옮기면

길이 17 cm 관 안에 가운데 11 mm 구멍이 뚫린 5 cm 스티로폼 원통을 넣었습니다. 혀처럼 성도를 좁히는 이 원통을 입술 쪽(0 cm)에서 성대 쪽(12 cm)으로 2 cm씩 옮기며 들어 보세요.

탐구자들에게는 대략 ‘으 → 웨 → 이 → 어 → 오 → 어 → 애’ 순으로 바뀌어 들렸습니다.

탐구 3 · 입술입구를 가리면

3D 프린터로 만든 ‘아’ 모형의 입구를 조금씩 가렸습니다. 입술을 오므리는 것과 같습니다.

입구가 좁아질수록 제1 포먼트가 낮아져 ‘아 → 어 → 오 → 우’로 바뀝니다.

결론

혀의 앞뒤 위치에 따른 공명 진동수 변화 그래프와, 좁은 곳 뒤쪽 공간(L2)과 앞쪽 공간(L1)을 나타낸 그림

모음 발음의 물리적 원리

우리말 모음에서 제1 공명 진동수는 혀 뒷부분 공간의 헬름홀츠 공명, 제2 공명 진동수는 혀 앞 공간의 열린관 공명과 혀 뒤 공간의 닫힌관 공명으로 생긴다는 것을 알아냈습니다. 입술의 열린 면적이 좁아지면 혀 앞쪽 공간의 경계 조건이 바뀌어 제1 공명 진동수가 낮아집니다.

같은 발음을 내는 방법이 여러 가지라는 것도 알았습니다. ‘ㅏ’에서 ‘ㅓ’로 바꿀 때 혀를 내미는 방법과 입술을 오므리는 방법이 있고, 이것이 우리말 ‘ㅓ’와 영어 [ɔ]가 미묘하게 다른 까닭으로 보았습니다.