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문제 정의
- 이 모든 도구는 하나의 음으로 높고 낮음이 없으며, 단지 박자에 맞쳐 소리를 내는 것이다. 같은 맥락으로 하나의 음인 발파음을 사람의 귀에 익숙한 리듬에 맞게 시차를 조절하여 기폭시켜 발파음 역시 불쾌감보다 유쾌한 소리로 전환할 뿐만 아니라 진동 또한 저감하는데 그 목적이 있다.
- 이러한 실정에 대해 근본적인 원인을 생각해보면 발파작업은 위험한 작업이라는 불안감과 발파음이 주는 불쾌감이 더해진다. 이에 본 연구에서는 진동 및 소음을 최대한 저감 하는 동시에 주변 민원인의 귀에 익숙한 음악 리듬에 맞게 Delay time을 조절하여 보다 쾌적한 발파음으로 들릴 수 있도록 하기위하여 음원을 이용한 연주식발파공법(Orchestra blasting method, OBM)을 개발하고자 한다. 여기서 OBM발파공법은 실제 음악의 음원을 이용하여 뇌관의 적용 초시를 결정하여 수행하였으며, 이를 토대로 연주식발파공법의 설계패턴을 제안하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 전자뇌관을 이용한 OBM발파공법 현장 실험을 시행하기에 앞서, 베토벤 운명교향곡에 대해 조금 더 정확한 리듬감을 확인하기 위해 뇌관수량 및 시차를 조절하여 Table 3와 같이 7가지 패턴을 설계하고, 전기뇌관과 다단발파기를 사용하여 사전 실험을 시행하였다. Table 3에서 보는 바와 같이 4마디 중 2마디씩 구분하여 대영역 I, II(윤지선 외, 2007 ; 윤과 배, 2007)로 구분하고 Delay time 1,500ms을 적용하였으며, 2마디 안의 음표는 다시 소영역으로 구분 하고 Delay time 300ms을 적용하였으며, 소영역에서 연속되는 발파공은 같은 시차, 즉 지발기폭이 아닌 각각의 시차가 있는 제발기폭으로 50ms의 Delay time을적용하였다.
- 당 현장은 대부분 진동제어발파 중규모구간으로 1 회발파당 MS전기뇌관 20단을 사용하며, OBM발파 공법과 비교하기 위하여 1회 실시하였으며, 총 발파 시간은 475ms이다.
- 두 번째 마디의 2분음표는 늘임표( - 본래 음 길이의 2~3배 늘여 연주)기호와 세 번째 마디의 8분쉼표로 인하여 3,830ms 후에 8분음표가 연주되고 있었으며, 네 번째, 다섯 번째 마디는 붙임줄(Tie - 높이가 같은 두음을 연결하여 한음처럼 연주)기호로 인하여 실제 연주만 4,250ms간 이루어지고 있음을 알 수 있다. 따라서 뇌관 기폭실험패턴 6을 토대로 대영역간 Delay time은 1,500ms에서 3,830ms로 조정하고, 소영역간 시차는 300ms에서 대영역 I의 소영역간 시차는 180ms, 대영역 II의 소영역간 시차는 200ms로 조정하여 결정하였다.
- 01초의 오차가 발생한 것은 사람이 연주한 음악을 기초로 하였기 때문으로 풀이된다. 따라서 연주 시간 분석결과를 토대로 각각의 음표에 대한 Delay time은 220ms~230ms, 500ms, 1,000ms로 결정하였다.
- 본 실험은 200m지점에 보안물건(정밀기기공장)이 위치하고 있어 천공경 Φ76mm, 천공장 3.2m의 진동 제어발파 중규모패턴으로 일반MS전기뇌관 20단을 사용하여 1일 10회 정도 발파굴착작업을 진행하는 현장에서 시행하였으며, 베토벤 운명교향곡 적용 실험 1 회, 동요 자전거 적용 실험 1회, 일반MS 전기뇌관 적용 실험 1회를 실시하였다.
- 본 연구에서는 발파로 인하여 발생하는 소음ㆍ진동이 야기하는 불안감, 불쾌감을 안전하면서 쾌적함으로 전환하고자 전자뇌관을 이용하여 원음을 이용한 연주식 발파공법(Orchestra blasting method, OBM) 현장 적용실험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 전자뇌관을 이용한 OBM발파공법 현장 실험을 시행하기에 앞서, 베토벤 운명교향곡에 대해 조금 더 정확한 리듬감을 확인하기 위해 뇌관수량 및 시차를 조절하여 Table 3와 같이 7가지 패턴을 설계하고, 전기뇌관과 다단발파기를 사용하여 사전 실험을 시행하였다. Table 3에서 보는 바와 같이 4마디 중 2마디씩 구분하여 대영역 I, II(윤지선 외, 2007 ; 윤과 배, 2007)로 구분하고 Delay time 1,500ms을 적용하였으며, 2마디 안의 음표는 다시 소영역으로 구분 하고 Delay time 300ms을 적용하였으며, 소영역에서 연속되는 발파공은 같은 시차, 즉 지발기폭이 아닌 각각의 시차가 있는 제발기폭으로 50ms의 Delay time을적용하였다.
- 선정한 동요 자전거에 맞춰 기폭하기 위하여 5,720ms 부터 기폭하도록 시차를 조정하였으며, 각 음표당 1 공씩 적용하여 기폭하도록 하였으며, 총 공수는 신호음을 위한 2공을 제외하고 총 49공을 기폭하였고, 총발파시간은 19,840ms이다.
- 선정한 베토벤 운명교향곡에 맞춰 기폭하기 위하여 5,000ms부터 기폭하도록 시차를 조정하였으며, 기폭공수는 신호음을 위한 4공을 제외하고 각 마디 별로 2공-2공-2공/8공/2공-2공-2공/16공 순서로 총 36공을 기폭하였고, 연속된 공의 시차는 제발로 기폭될 수 있도록 단발발파시험(윤지선 외, 2006)에서 얻어진 50ms의 시차를 적용하였으며, 총 발파시간은 10,770ms이다.
- 이에 본 연구에서는 진동 및 소음을 최대한 저감 하는 동시에 주변 민원인의 귀에 익숙한 음악 리듬에 맞게 Delay time을 조절하여 보다 쾌적한 발파음으로 들릴 수 있도록 하기위하여 음원을 이용한 연주식발파공법(Orchestra blasting method, OBM)을 개발하고자 한다. 여기서 OBM발파공법은 실제 음악의 음원을 이용하여 뇌관의 적용 초시를 결정하여 수행하였으며, 이를 토대로 연주식발파공법의 설계패턴을 제안하고자 한다.
- 파형합성 방법은 독립파형만으로 파형합성을 하는 단순 파형합성 방법과 자유면 효과를 고려하여 실제 발파와 유사한 환경을 모사하는 누적 파형합성 방법이 있다. 여기서는 누적 파형합성 방법을 적용하여 정밀한 최적초시를 선정하였다. 이번 연구에서는 단발 발파시험(윤지선 외, 2006)을 통하여 도출한 50ms를 적용하여 실험하였지만, Table 11과 같이 실제 당 현장에서 단공발파로 얻어진 독립파형을 누적파형합성 프로그램을 이용하여 분석한 결과 34ms가 가장 적합한 최적초시로 나타났으며 50ms이상에서는 수렴하는 것으로 나타났다.
- 파형합성프로그램의 기본 알고리즘은 시차별 발파 진동을 상호간섭시켜 진동 및 소음을 저감시키는 원리에 기초하며, 상세하게는 복수의 진동원에서 진동을 적극적으로 중복시켜 상호간섭을 통하여 발파진동을 저감시키는 원리이다. 즉, 단발발파로 얻은 파형자료에서 독립파형을 분리한 후 접선성분(Transverse), 진행성분(Longitudinal), 수직성분(Vertical)의 성분별로 1ms 단위로 가감하며 합성 진동치는 실 벡터(Vector)합으로 구하였다(윤과 김, 2006).
대상 데이터
- OBM발파공법의 핵심은 발파음을 음악적 요소와 조화시키는 것이므로 일반인의 귀에 익숙한 음악을 선택하여야한다. 본 연구에서 선택한 음악은 Table 2 에서 보는 바와 같이 대체로 단순한 음표로 구성되어 있는 클래식 반주곡 중 베토벤 운명교향곡 앞부분 4 마디와 동요 중 자전거를 선택하였다.
- 본 연구의 현장실험은 OO산업단지조성공사현장에서 진행하였으며, 이 지역은 대부분 낮고 평평한 충적지와 침식평단지로 구성되어 있으며, 지질은 선캄브리아기의 흑운모 편마암으로서 본 유역에 넓게 분포 하고 있다. 암상은 주로 흑운모로 이루어지는 암색대와 석영, 장석으로 되어있는 명색대로 이루어진 호상 구조를 나타내는 것이 특징이다.
성능/효과
- 2) 단공발파를 실시하여 독립파형을 획득, 누적파형 합성프로그램을 이용하여 분석한 결과 당 현장의 최적초시는 34ms이였고, 50ms이상에서는 수렴하는 경향을 보였다. 따라서 시판되는 MS전기뇌관 20단(보통 20~25ms)을 사용하여 0.
- 3) 각 패턴별로 발파 시뮬레이션을 통한 진동 예측치와 실제 진동치는 전자뇌관을 이용한 패턴은 1.2% 의 오차를 보였으나, 일반 MS전기뇌관의 경우는 27%의 오차를 나타내었으며, 실제 진동파형 그래프를 분석하여 보면 시간에 따른 PVS가 베토벤 운명교향곡 적용 실험의 경우 대부분 0.6cm/sec이하의 값을 나타내는 반면, 일반 MS전기뇌관 발파는 대부분 0.6cm/sec 이상의 PVS값을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
- 누적 파형합성프로그램상에서 단공발파로 얻어진 독립파형을 이용하여 전자뇌관(베토벤 운명교향곡)패턴과 일반 MS전기뇌관 패턴에 대한 각각의 시차를 입력, 시뮬레이션하여 예측된 발파진동치와 실제 현장에서 계측한 진동데이타를 서로 비교한 결과 Table 12와 같이 전자뇌관패턴은 1.2%의 오차, 일반 MS전기뇌관 패턴은 27%의 오차를 나타내었으며, 실제 진동파형 그래프를 보면 시간에 따른 PVS가 베토벤 운명교향곡적용 실험이 일반 MS전기뇌관 발파보다 낮게 나타남을 알 수 있다. 또한 진동파형을 분석하여 보면 50ms 단차의 16발이 발파된 PVS값은 0.
- 2%의 오차, 일반 MS전기뇌관 패턴은 27%의 오차를 나타내었으며, 실제 진동파형 그래프를 보면 시간에 따른 PVS가 베토벤 운명교향곡적용 실험이 일반 MS전기뇌관 발파보다 낮게 나타남을 알 수 있다. 또한 진동파형을 분석하여 보면 50ms 단차의 16발이 발파된 PVS값은 0.6cm/sec 이하이지만 25ms 단차의 일반 MS전기뇌관 20발이 발파된 PVS값은 대부분이 0.6cm/sec를 초과하고 있음을 알 수 있다.
- 실제 현장내에서 발파를 알리는 경고음으로 수회 방송하여 모든 사람이 리듬을 익힌 후 발파를 진행하였고, 비록 원음과 동시에 기폭되지 않았음에도 불구하고 청취된 발파음은 높고 낮음은 없지만 마치 큰 북으로 연주하는 듯한 박자감은 느낄 수 있었다. Table 13에서 보는바와 같이 전자뇌관의 특성에 맞게 음악의 반주와 발파음은 오차 없이 계획된 시차에서 정확히 기폭되었음을 알 수 있다.
- 실험 패턴은 8분음표, 2분음표 구분 없이 한음표당 똑같은 발수를 적용한 실험과 음표에 따라 발수를 조절한 실험으로 크게 2가지 패턴으로 구분할 수 있으며, 실험 결과 음표에 따라 발수를 조절한 실험 중 패턴 6번이 가장 근접한 리듬감으로 판단되었고, Table 4와 같이 실제 음악의 Wave와 비교한 결과 실제 음악보다 기폭시간이 빠름을 알 수 있었으며, 소영역간의 Delay time과 대영역간의 Delay time을 조절되어야 함을 확인할 수 있었다.
- 여기서는 누적 파형합성 방법을 적용하여 정밀한 최적초시를 선정하였다. 이번 연구에서는 단발 발파시험(윤지선 외, 2006)을 통하여 도출한 50ms를 적용하여 실험하였지만, Table 11과 같이 실제 당 현장에서 단공발파로 얻어진 독립파형을 누적파형합성 프로그램을 이용하여 분석한 결과 34ms가 가장 적합한 최적초시로 나타났으며 50ms이상에서는 수렴하는 것으로 나타났다.
- 베토벤 운명교향곡과 마찬가지로 자전거도 동요라는 특성에 맞게 빠르고 경쾌하게 연주해야 하는 음악 이다. 프로그램을 이용하여 각 음표가 연주되는 시간을 분석한 결과 2분음표는 1,000ms, 4분음표는 500ms 의 간격으로 각각 음길이에 맞게 연주되고 있었으며, 8분음표 또한 당연히 250ms의 간격으로 연주되어야 하나, 보통 230ms의 간격으로 연주되고 있었고, 특히 세 번째 마디의 8분음표는 220ms의 간격으로 연주되고 있었다. 8분음표는 4분음표의 절반 시차인 250ms 간격으로 연주되어야 하나, 이것도 위의 사례와 같이 똑같은 음표임에도 0.
후속연구
- 4) 대체로 단순한 음표로 구성되어 있는 음악을 선택 하여 불쾌감을 주던 발파음을 단순히 연주시간이 라는 음악적 요소와 조화시키는데 주안점을 두고 연구를 진행하였고, 그 결과 큰 북으로 연주하는 듯한 박자감을 느끼면서 불쾌감을 주던 발파음을 쾌적한 발파음으로 전환시킬 수 있었지만, 실제 음악처럼 구현하기 위해서는 음의 높낮이를 구현해야하는데 이는 앞으로 극복해야 할 과제이다.
- 2) 단공발파를 실시하여 독립파형을 획득, 누적파형 합성프로그램을 이용하여 분석한 결과 당 현장의 최적초시는 34ms이였고, 50ms이상에서는 수렴하는 경향을 보였다. 따라서 시판되는 MS전기뇌관 20단(보통 20~25ms)을 사용하여 0.4~0.5ms이내의 짧은 발파노출시간으로 1일 수회 발파하는 현장에서 누적파형합성프로그램을 이용하여 도출된 최적 초시 34ms 혹은 수렴됨 50ms의 단차로 실제 적용코자 하는 음악에 맞게 조정하여 적용한다면 실험 발파공수(40공, 51공)보다 더 많은 발파공수를 20,000ms동안의 긴 발파노출시간임에도 불구하고 불쾌감을 주지 않고 리듬감을 주면서 발파 작업을 할 수 있으며, 1일 발파회수가 크게 감소되어 작업 효율성을 극대화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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