[논문]도시철도 차량의 차음향상에 관한 연구

최용운; 구정서; 유원희; 고효인

doi:10.5050/ksnve.2010.20.3.257

[국내논문] 도시철도 차량의 차음향상에 관한 연구
A Study on the Increase of Transmission Loss of Metro Train 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.3 = no.156, 2010년, pp.257 - 262

최용운 (서울도시철도공사) , 구정서 (서울산업대학교) , 유원희 (한국철도기술연구원) , 고효인 (한국철도기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Lower tunnels and concrete based tracks are introduced to newly constructed metro lines to reduce the construction and track maintenance fees. But such a lower tunnel together with concrete based track causes higher interior noise of metro trains. It is required that the trains should not only be a transportation media but also be comfortable. So, to lower the metro train's interior noise level, design was made to increase the transmission loss per sectional part. Through such a design, it is expected that about 7 dB(A) of noise level will be reduced compared to that of the conventional train.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

외부 소음원의 수준은 차량이 최고 속도로 주행시 발생되는 터널 내 최고 소음 수준을 감안 하여 108 dB(A)으로 가정하였다.
일반적으로 적층 벽체는 전달행렬(transfer matrix)법이나 유한요소법(finite elements method)을 이용하여 예측할 수 있다. 전달 행렬법은 이론상 무한 평판을 가정하였고 곡률을 포함한 전동차와 같은 구조에는 적용이 불가능하다. 반면에 유한요소법을 이용한 적층 복합 구조의 소음투과손실 해석은 복잡한 프로그래밍 과정을 거쳐야 하는 단점이 있다.

제안 방법

측정된 결과는 Table 1에서부터 Table 5에 이르기까지 ISO 또는 ASTM에서 정한 바에 따라 바닥 19, 측면 8, 지붕 1, 출입문 4, 출입문 포켓 1, 측창문 7개의 시편에 대하여 각 24회 측정한 값을 평균 한 것으로 대표값을 정리한 결과이며, 각 그림 및 표에서의 투과손실(TL) 및 선의 의미는 시편별로 주파수 대역 별 투과손실을 나타낸 것이다. 각 부위별 시편 측정 결과 중에서 차량바닥은 중대역 구간을(400 Hz ~ 1000 Hz), 차량 측면은 저주파대역(63 ~ 400 Hz)의 투과손실이 큰 시편을 선택토록하고 차량하부의 외부소음 수준과 객실내 중앙소음과의 차음이 30 dB 수준을 만족하도록 하며, 제작시 난이도나 경제적인 측면 등을 감안하여 설계목표치에 근접한 소음투과 손실치를 지니는 구조를 선정하여 시험을 시행하였다.
기존의 마루구조는 총 두께 25 mm로서 keystone plate와 Unitex, Linolum으로 구성하였으나, 개선안은(Fig. 1 진한표시부분) 총 두께 45 mm의 마루구조로 keystone plate와 unitex, damping sheet, linolum으로 구성하였다. Fig.
시편에 대한 소음 투과 손실 측정 결과를 이용하여 객실 내 소음 수준을 분석하기 위하여 소음 예측계산을 수행하였다. 차체 부위별로 요구되는 투과 손실을 얻기 위하여 각 부위별로 다수의 시편을 제작하여 측정 하였고, 설계 및 제작이 가능하고 설계 목표치에 근접한 소음 투과 손실치를 지니도록 차체의 각 구조를 Table 6과 같이 설정하는 것이 가능하다.

이론/모형

이 연구 중 시편의 시험은 KCC 중앙연구소에서 수행되었으며, 측정 방법은 KSF 2808 (실험실에서의 음향 투과 손실 측정 방법)에 준하여 시행하였다.

성능/효과

(1) 기존차량의 실내 소음은 85.5 dB(A)이나 개선된 방안에 의한 차량의 실내소음은 78.2 dB(A)로 예측되어, 기존차량에 비해 7 dB(A) 정도 감소 될 것으로 예측 되었다.
(2) 차량 제작 후 실측 결과 전동기 상부의 실외 소음은 107.1 dB(A)으로, 가정치 108 dB(A)과 유사 하였다. 이는 전동차 실내 소음 저감 설계가 외부 발생 소음과는 관련이 적다는 것을 나타내고 있다.
(3) 실제 차량 제작 후 실내 소음은 74.9 dB(A)로 측정되어, 기존차량에 비해 10.6 dB 감소되었다.
(4) 투과 손실향상을 위해서는 차량측면은 저주파 대역을 차량바닥은 중대역 구간의 투과손실 향상이 효과적이라 할 수 있다.
Fig. 1에서와 같이 차량의 객실 내 소음을 최소화 하기 위하여 수행한 마루구조의 소음 투과 손실 측정 결과 기존 차량의 마루구조는 38 dB 이었으나, 개선안에 따르면 최대 42 dB까지 4 dB정도의 투과 손실을 높일 수 있는 것으로 측정되었다.
각종 시편의 투과 손실 측정 결과를 바탕으로 전동차 부위별 최적 설계를 통하여 전동차 객실내 소음 예측이 가능하다.
5 m로서 음파의 속도가 340 m/s이고 시편의 표면에서 최소 1개 이상의 파장을 형성해야만 투과손실 측정이 가능하다. 그 결과 측정 결과에서 신뢰성이 있는 최소 주파수는 250 Hz이며 만일 반파장에 해당되는 데이터까지를 고려한다면 약 125 Hz이다.
기존 운행 중인 차량의 실내 소음은 85.2 ~ 85.5 dB(A)이나 개선된 방안에 의한 차량의 실내 소음은 78.2 dB(A)로 예측 되어 기존차량에 비해 7 dB(A) 정도 감소 될 것으로 예측 되었다. 차량 제작 후 실측 결과 전동기 상부의 실외 소음은 107.
기존의 도시철도에 사용되었던 출입문은 25 mm의 하니컴 판넬로 이루어져 있으며, 그 투과손실은 26 dB인 반면에, 다양한 시편을 구성하여 시험한 결과 30 mm의 하니컴 판넬을 사용할 경우에는 630 Hz ~ 1250 Hz 대역의 투과 손실이 높아져서 총 투과손실은 32 dB로 약 6 dB 이상의 투과 손실치를 높일 수 있었다. Fig.
1 dB(A) 로 가정치 108 dB(A)과 유사 하게 나타났으며 이는 도시철도 전동차의 80 km/h 속도에서의 주소음원이 차륜과 레일의 접촉음 이므로 전동차 실내 소음 저감 설계가 외부 소음과는 관련이 적다는 것을 나타내고 있다. 실내소음은 74.9 dB(A)로써 차음은 32.2 dB(A) 로 나타났다 실제 차량 제작시에는 제시한 부위 외에도 차량 천장 및 통로벽 등에도 차음 향상 설계를 적용하였기 때문에 결과치가 더 높게 나타난 것으로 판단된다.
실제 제작된 차량의 소음측정 (국토해양부 고시 기준에 의해 차량 전위 대차 중심부 상면, 차량 정중앙부, 후위 대차 중심부와 차량 정중앙부의 중간 에서 측정한 소음의 평균치)결과, 정지시 객실내부는 평균 약 69.3 dB(A)이며, 주행소음은 모터상부의 소음이 106 ~ 107.1 dB(A), 객실내부 소음이 73.4 ~ 74.9 dB(A)로써 투과손실은 32.2 dB(A)로 나타났으며, 가감속시 역 구내 측정결과는 감속시 84.1 dB(A)과 가속시 84.3 dB(A)로 나타났다. 여기서 객실 내부 소음이 73.
2 dB(A)로 예측 되어 기존차량에 비해 7 dB(A) 정도 감소 될 것으로 예측 되었다. 차량 제작 후 실측 결과 전동기 상부의 실외 소음은 107.1 dB(A) 로 가정치 108 dB(A)과 유사 하게 나타났으며 이는 도시철도 전동차의 80 km/h 속도에서의 주소음원이 차륜과 레일의 접촉음 이므로 전동차 실내 소음 저감 설계가 외부 소음과는 관련이 적다는 것을 나타내고 있다. 실내소음은 74.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	벽체의 차음은 무엇에 의해 결정되나?	벽체의 차음은 표면반사, 흡음, 간극 및 일치효과에 의하여 결정되나, 그 중 간극은 이론적인 한계치를 정하는 변수가 되므로 설계시 간극값의 관리가 다른 변수에 비하여 상당히 중요하다(2).
	유한요소법을 이용한 적층 복합 구조의 소음투과손실 해석의 단점은?	전달 행렬법은 이론상 무한 평판을 가정하였고 곡률을 포함한 전동차와 같은 구조에는 적용이 불가능하다. 반면에 유한요소법을 이용한 적층 복합 구조의 소음투과손실 해석은 복잡한 프로그래밍 과정을 거쳐야 하는 단점이 있다.
	차량 내부 소음을 저감하기 위해 체의 각종 틈새를 없애는 것의 이점은?	차량 내부 소음을 저감하기 위해서는 전동차 각부위별 소음 수준을 먼저 파악 하고, 부위별 시편을 제작 하여 측정 결과를 고려함과 동시에 차음성능 및 차량 제작의 난이도와 경제적인 측면 등을 고려 하여 설계 목표치를 설정해야 한다. 이중에서도 차체의 각종 틈새를 없애는 것은 차음 성능 향상에 매우 중요한 변수로서 차체의 소음 투과손실을 높이는 노력에 비하여 노력과 시간을 절약 할 수 있는 장점이 있다고 할 수 있다.

참고문헌 (5)

Iwnicki, S., 2007, Handbook of Railway Vehicle Dynamics, CRC Pr, pp. 282-287.
U.S. Dept of Transportation, 1982, Hand book of Urban Rail Noise and Vibration Control.
You, W. H., Hur, H. M., Koh, H. I., Park, J. H. and Choi,Y. W., 2009, “A Study on Relationship between Curving Noise and Wheel Wear in Seoul Subway System,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 19, No. 6, pp. 85-93.

원문보기 상세보기
Choi, Y. W., Koo, J. S., You, W. H. and Koh, H. I., “A Study on the Noise Characteristics of Subway Train,” Transactions of the Korean Society for Railway, Vol. 12, No. 3, pp. 329-334.
Lee, Y. J., 1996, “A Study of Cabin Inside Noise of Hanjin High-speed Passenger Coaches,” Computers in Railway V, Vol. 2, pp. 33-44.

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