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문제 정의
- 이 연구에서는 음질평가를 통한 고속철도 실내소음의 특성을 알아보고 운행속도 등의 운행 조건들이 미치는 영향을 파악한다.
제안 방법
- 세션1의 결과 분석방법과 같은 방법을 적용하여 세션2의 결과를 분석하였다. 30명의 실험참가자가 모두 유의성 검증을 통과하여 각 평가음에 대한 스케일값을 구하였다. Fig.
- 3장에서 언급하였던 음압레벨과 라우드니스 중 실제 사람들이 청감적으로 느끼는 소음에 대한 성가심과 소리의 크기를 평가할 때 어떤 인자가 더욱 적합한가를 알아보기 위하여, 또 샤프니스가 성가심에 영향을 주는지 여부에 대해 알아보기 위하여 청감실험을 통한 주관적 평가를 진행하였다.
- KTX-II의 실내소음 샘플 중 운행속도가 50~300 km/h에서 50 km/h 씩 증가할 때의 dB(A)와 라우드 니스 분석을 실시하였다. 또한 운행구간이 개활지와 터널일 때 분석을 통하여 상호 비교를 하였다.
- KTX-II의 운행속도 증가 시 dB(A)가 작아졌음에도 라우드니스가 커지는 현상이 생긴 원인을 규명하기 위하여 유럽에서 운행 중인 고속철도 A와 B를 비교하였다. 고속운행 시 고속철도 A가 dB(A)는 컸음에도 라우드니스는 오히려 고속철도 B가 더큰 것을 알 수 있었다.
- 선정된 소음 샘플들은 원음 재생력이 좋은 Senheiser HD600 헤드폰을 사용하여 피실험자들에게 들려주었으며 소음 샘플이 바이노럴 형태로 녹음되었기 때문에 공간감의 영향을 없애기 위하여 좌우 소음 중 소음레벨이 큰 소음을 기준으로 재생하였고 실험은 암소음이 38 dB 이하인 무향실에서 실시되었다.
- 세션1의 결과 분석방법과 같은 방법을 적용하여 세션2의 결과를 분석하였다. 30명의 실험참가자가 모두 유의성 검증을 통과하여 각 평가음에 대한 스케일값을 구하였다.
- 운행속도는 GPS 장비(아센코리아, GPS741)를 사용하여 측정하였고 KTX-II는 내부 모니터를 사용하여 측정하였기 때문에 KTX-II의 경우에만 터널에서 속도 측정 및 소음 측정이 가능하였다. 소음샘플은 10초씩 녹음하였으며 녹음은 Headacoustics사의 MHS-III를 사용하였다.
- 세션2는 음크기실험(loudness test)으로서 피실험자들이 느끼는 고속철도 실내소음의 크기에 대해 음압레벨과 음질인자들이 미치는 영향을 분석하기 위해 dB(A)는 거의 같지만 라우드니스와 샤프니스가 차이 나는 음원 8개를 선정하였다. 쌍대비교법을 사용했기 때문에 세션 1은 6개 음원으로 총 15개 쌍에 대해 두개의 음원중 어느 음원이 더 성가시게 느껴지느냐를 질문하여 비교하였고 세션2는 8개 음원으로 총 28개 쌍에 대해 두개의 음원 중 어느 음원이 더 크게 느껴지느냐를 질문하여 비교하였다.
- 고속철도의 실내소음을 측정한 샘플들 중에서는 사람들에 의한 소리와 원치 않는 노이즈가 들어간 것들 또한 포함되어 있으므로 평가하기에 적합한 샘플들을 선별하였다. 운행속도 별, 운행구간 별로 가장 적합한 샘플들을 각 차량 별 약 10~20여개 정도 선정하여 선정된 샘플을 대상으로 객관적 분석을 실시하였다. 고속철도의 실내소음은 바이노럴(binaural) 형태로 녹음되었기 때문에 선정된 샘플의 좌우를 비교하여 소음에 취약한 쪽을 선택할 필요가 있다.
- 수음지점은 공력소음에 가장 취약할 것으로 판단되는 창가측 좌석에서 이루어졌다. 운행속도는 GPS 장비(아센코리아, GPS741)를 사용하여 측정하였고 KTX-II는 내부 모니터를 사용하여 측정하였기 때문에 KTX-II의 경우에만 터널에서 속도 측정 및 소음 측정이 가능하였다. 소음샘플은 10초씩 녹음하였으며 녹음은 Headacoustics사의 MHS-III를 사용하였다.
- 고속철도의 실내소음은 바이노럴(binaural) 형태로 녹음되었기 때문에 선정된 샘플의 좌우를 비교하여 소음에 취약한 쪽을 선택할 필요가 있다. 창측에서 들어오는 소음이 복도 쪽에서 들어오는 소음보다 1~2 dB(A), 0.5~1.7 sone 정도 컸기 때문에 창측에서 들어오는 소음을 기준으로 분석을 실시하였다. 분석에는 상용 소프트웨어인 Artemis 9.
- 청감실험 결과에 대한 신뢰성 검토를 실시하였다. 피실험자 개인별로 순환오류를 찾아 카이 스퀘어 테스트(chi-square test)를 통해 응답의 일관성을 검증하였고 같은 방법으로 피실험자들간의 전체적인 일관성을 검증하였다.
- 청감적인 성가심과 음크기의 정도에 물리적 인자들의 영향이 어느 정도인지 파악하기 위하여 소음 샘플들의 물리적 지표값들과 청감실험 결과로 얻은 성가심과 음크기의 정도값에 대한 상관관계를 분석하였다. 상관관계 분석에는 상용프로그램인 SPSS 17.
대상 데이터
- 고속철도의 실내소음을 측정한 샘플들 중에서는 사람들에 의한 소리와 원치 않는 노이즈가 들어간 것들 또한 포함되어 있으므로 평가하기에 적합한 샘플들을 선별하였다. 운행속도 별, 운행구간 별로 가장 적합한 샘플들을 각 차량 별 약 10~20여개 정도 선정하여 선정된 샘플을 대상으로 객관적 분석을 실시하였다.
- 국내에서 운행 중인 KTX-II와 유럽에서 운행 중인 고속철도 A와 B를 대상으로 실내소음을 측정하였다. 실내소음의 측정은 Table 1과 같이 이루어졌다.
- 세션1은 성가심실험(annoyance test)으로서 피실험자들이 느끼는 고속철도 실내소음의 성가심에 대해 음압레벨과 음질인자들이 미치는 영향을 분석하기 위해 dB(A)와 라우드니스가 서로 다른 경향을 보이는 음원 6개를 선정하였다. 세션2는 음크기실험(loudness test)으로서 피실험자들이 느끼는 고속철도 실내소음의 크기에 대해 음압레벨과 음질인자들이 미치는 영향을 분석하기 위해 dB(A)는 거의 같지만 라우드니스와 샤프니스가 차이 나는 음원 8개를 선정하였다.
- 세션1은 성가심실험(annoyance test)으로서 피실험자들이 느끼는 고속철도 실내소음의 성가심에 대해 음압레벨과 음질인자들이 미치는 영향을 분석하기 위해 dB(A)와 라우드니스가 서로 다른 경향을 보이는 음원 6개를 선정하였다. 세션2는 음크기실험(loudness test)으로서 피실험자들이 느끼는 고속철도 실내소음의 크기에 대해 음압레벨과 음질인자들이 미치는 영향을 분석하기 위해 dB(A)는 거의 같지만 라우드니스와 샤프니스가 차이 나는 음원 8개를 선정하였다. 쌍대비교법을 사용했기 때문에 세션 1은 6개 음원으로 총 15개 쌍에 대해 두개의 음원중 어느 음원이 더 성가시게 느껴지느냐를 질문하여 비교하였고 세션2는 8개 음원으로 총 28개 쌍에 대해 두개의 음원 중 어느 음원이 더 크게 느껴지느냐를 질문하여 비교하였다.
데이터처리
- KTX-II의 실내소음 샘플 중 운행속도가 50~300 km/h에서 50 km/h 씩 증가할 때의 dB(A)와 라우드 니스 분석을 실시하였다. 또한 운행구간이 개활지와 터널일 때 분석을 통하여 상호 비교를 하였다. Fig.
- 청감적인 성가심과 음크기의 정도에 물리적 인자들의 영향이 어느 정도인지 파악하기 위하여 소음 샘플들의 물리적 지표값들과 청감실험 결과로 얻은 성가심과 음크기의 정도값에 대한 상관관계를 분석하였다. 상관관계 분석에는 상용프로그램인 SPSS 17.0을 사용하였다.
- 피실험자 개인별로 순환오류를 찾아 카이 스퀘어 테스트(chi-square test)를 통해 응답의 일관성을 검증하였고 같은 방법으로 피실험자들간의 전체적인 일관성을 검증하였다. 세션1의 경우 총 30명의 실험참가자 중 유의성 검증을 통과하지 못한 1명을 제외한 29명이 각 평가음에 대한 선택의 빈도를 구하였고, 이것의 확률값을 Excel 프로그램의 NORMSINV 함수를 이용하여 정규누적분포의 역함수값으로 환산한 값인 스케일값(scale value)로 구하였다.
- 청감실험 결과에 대한 신뢰성 검토를 실시하였다. 피실험자 개인별로 순환오류를 찾아 카이 스퀘어 테스트(chi-square test)를 통해 응답의 일관성을 검증하였고 같은 방법으로 피실험자들간의 전체적인 일관성을 검증하였다. 세션1의 경우 총 30명의 실험참가자 중 유의성 검증을 통과하지 못한 1명을 제외한 29명이 각 평가음에 대한 선택의 빈도를 구하였고, 이것의 확률값을 Excel 프로그램의 NORMSINV 함수를 이용하여 정규누적분포의 역함수값으로 환산한 값인 스케일값(scale value)로 구하였다.
이론/모형
- 청감실험은 정상 청력을 지닌 20대 30명을 대상으로 쌍대비교법(paired comparison)을 사용하여 2개의 세션으로 진행되었다. 쌍대비교법은 평가대상인 소음을 두 가지씩 한 쌍으로 조합을 만들어 평가음의 모든 조합에 대하여 평가함으로써 각 소음의 상대적인 특성의 정도를 추정하는 방법이다.
성능/효과
- KTX-II의 운행구간이 개활지일 때와 터널일 때를 비교하였고 터널을 지날 때가 소음의 정도가 심하며 속도가 증가할수록 공력소음의 영향이 커져 그 차이가 더욱 커짐을 알 수 있었다. 또한 운행구간이 고속운행이 불가능한 구간에서 고속운행이 가능한 구간에 비하여 레일의 조건에 의해 소음이 커지는 것을 알 수 있었다.
- 5의 결과를 보면 운행속도가 250~300 km/h인 구간에서 고속철도 A가 고속철도 B보다 dB(A)는 높지만 라우드니스는 오히려 작은 것을 알 수 있다. 두 차량의 속도에 따른 실내소음의 주파수 특성은 Fig. 6과 같고 고속철도 A는 속도가 증가할수록 구름소음과 구조진동에 의한 2 kHz 이하의 주파수 대역에서 소음이 급격히 증가하는 반면 고속철도 B는 고속철도 A와 비교하여 구름소음과 공력소음이 주로 영향을 미치는 1 kHz 이상의 주파수 대역에서 소음이 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 주파수 특성이 음압 레벨과 라우드니스에 영향을 미치는데 음압레벨은 실내소음의 특성이 저주파 소음의 영향이 지배적이기 때문에 로그합으로 등가값이 계산되어 고주파 소음의 변화에 둔감한 반면 라우드니스는 등가 값이 임계대역에서 계산되어 선형적인 합으로 구해지기 때문에 음압레벨에 비하여 고주파 소음의 영향에 민감하다.
- Table 4에서는 음크기의 정도와 물리적 지표값 사이의 상관관계가 라우드니스가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 따라서 성가심 뿐만 아니라 음의 크기 또한 라우드니스가 가장 정확하게 표현하고 있음을 알 수 있다. 반면 샤프니스는 음크기에는 영향을 거의 못 미치고 있음을 알 수 있다.
- 승객들이 실제로 고속철도의 실내소음에 대해 느끼는 성가심과 음의 크기의 정도를 알아보고자 쌍대비교법으로 청감실험을 진행하였으며 실제 느껴지는 성가심과 음의 크기가 dB(A)보다는 라우드니스와 큰 관계를 갖는 것을 파악할 수 있었다. 또한 성가심의 경우 샤프니스도 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- KTX-II의 운행구간이 개활지일 때와 터널일 때를 비교하였고 터널을 지날 때가 소음의 정도가 심하며 속도가 증가할수록 공력소음의 영향이 커져 그 차이가 더욱 커짐을 알 수 있었다. 또한 운행구간이 고속운행이 불가능한 구간에서 고속운행이 가능한 구간에 비하여 레일의 조건에 의해 소음이 커지는 것을 알 수 있었다.
- 8에서 세션1의 성가심의 스케일값을 보면 음원 1은 2보다 dB(A)는 낮지만 라우드니스와 샤프니스는 높고 성가심의 정도도 높다. 또한 음원 3, 4는 음원 5, 6보다 dB(A)는 크지만 라우드니스와 샤프니스는 작았는데 청감자가 느끼는 성가심의 정도는 음원 5, 6이 더 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 승객들이 실제로 고속철도의 실내소음에 대해 느끼는 성가심과 음의 크기의 정도를 알아보고자 쌍대비교법으로 청감실험을 진행하였으며 실제 느껴지는 성가심과 음의 크기가 dB(A)보다는 라우드니스와 큰 관계를 갖는 것을 파악할 수 있었다. 또한 성가심의 경우 샤프니스도 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 이 연구결과를 통하여 고속철도의 고속 운행시 내부 소음의 평가는 공력소음과 같은 고주파수 대역의 소음의 영양을 고려하기 위하여 음압레벨 기준 보다 라우드니스와 샤프니스 등에 의한 평가가 타당함을 알 수 있었다.
- 9에서 음원 1과 음원 2는 dB(A)는 같지만 라우드니스는 음원 2가 더 큰데 청감자가 느끼는 음크기의 정도는 음원 2가 더 큰 것을 알 수 있고 마찬가지 결과가 음원 3, 4, 음원 5, 6, 음원 7, 8에서도 동일하게 나타나는 것을 알수 있다. 전체적으로도 음크기의 정도가 dB(A) 보다 라우드니스에 따라 달라진다는 것을 확인할 수 있었다.
- 4에 나타내었다. 터널을 지나갈 때의 실내소음이 개활지에서의 소음 보다 크다는 것을 알 수 있으며 속도가 증가할수록 개활지와 터널에서의 소음의 차이가 커지는 것을 알 수 있는데 이는 고속으로 운행할수록 터널 내에서의 공력소음의 영향이 크다는 사실을 나타낸다.
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