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문제 정의
- 능동 소음제어 기술은 추가적인 센서와 구동기를 이용하여 제어음을 적절히 재생시킴으로써 정숙공간을 형성하는 방법으로 건물 환경에 적용하기 위해서 다양한 접근법들이 개발되고 있다(3~5). 개발된 능동 소음제어 기법들은 소음의 절대적인 크기를 저감시킴으로써 소음 문제를 해결하고자 한다. 이와 같은 능동 소음제어 방법을 적용할 경우 외부 소음의 영향을 건물 내부에서 상당히 저감시킬 수 있지만, 제어 주파수 영역이 한정되어 있고 제어 성능의 한계가 있으므로, 완벽한 제거는 불가능하다.
- 이 실험에서는 앞선 실험에서 평가된 마스킹 음을 이용하여 건물 내부 공간의 소음을 제어할 때, 그 성능을 쾌적성의 관점에서 평가하고자 한다. 이 연구에서 제안하는 마스킹 음의 방향성을 고려한 소음제어 방법은 외부에서 유입되는 소음의 방향을 추정하고 추정된 방향을 고려하여 마스킹 음을 재생시켜 줌으로써 건물 내부의 쾌적성을 향상시키는 방법이다.
- 이 연구에서는 건물 환경에서 소음 문제를 해결하기 위해 마스킹 음의 방향성을 고려한 소음제어 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 건물 내부로 유입되는 소음의 방향을 고려해 그 경로상에서 마스킹 효과가 우수한 소리들을 적절한 방향으로 재생시킴으로써 건물 내부에 쾌적한 음환경을 구현하게 하는 방법이다.
- 이 연구에서는 마스킹 효과를 적용한 기존의 소음 제어 연구에 마스킹 음의 방향성을 고려하여 실내 환경에서 제어 성능을 향상시킬 수 있는 소음제어 방법을 제안하였다. 이때 마스킹 음은 소음이 유입되는 경로에서 vector base amplitude panning(VBAP) 방법을 적용해 방향성을 갖도록 하였다.
제안 방법
- 6과 같이 피험자를 중심으로 대칭되는 위치에 마스킹 음을 재생하는 스피커(MS 1, MS 2)와 소음원을 재생하는 스피커(NS 1)를 이용하여 수행하였다. NS 1에서 환경 소음원을 재생하고 MS 1과 MS 2에서 6가지의 다른 마스킹 음을 동일한 크기로 재생하여 가상의 스피커가 NS 1 위치에 생성되도록 하였다. 소음원과 마스킹 음의 크기는 마스킹 효과 주관평가 실험결과를 바탕으로 마스킹 효과가 우수한 상대 크기가 10 dB가 되도록 피험자의 위치에서 각각 50 dBA, 60 dBA가 되도록 설정하였다.
- 마스킹 음의 방향에 따른 쾌적성 평가에 앞서 이 연구에서 정의한 두 가지 환경소음에 대해서 6가지 마스킹 음의 쾌적성을 평가하였다. 평가를 위한 실험은 배경 소음이 35 dBA 이하인 청감실험실에서 정상 청력을 가진 20대 대학원생 20명(남자 17, 여자 3)을 대상으로 수행하였으며, 본격적인 실험 평가 이전에 실험의 충분한 배경과 조건에 대해서 사전교육을 실시하였다.
- 선정된 마스킹 음의 크기는 Kawai와 Yano, Shin 등의 연구에 기초하여 환경소음에 대해서 상대적으로 -10 dB, 0 dB, 10 dB가 되도록 작성하였다.
- NS 1에서 환경 소음원을 재생하고 MS 1과 MS 2에서 6가지의 다른 마스킹 음을 동일한 크기로 재생하여 가상의 스피커가 NS 1 위치에 생성되도록 하였다. 소음원과 마스킹 음의 크기는 마스킹 효과 주관평가 실험결과를 바탕으로 마스킹 효과가 우수한 상대 크기가 10 dB가 되도록 피험자의 위치에서 각각 50 dBA, 60 dBA가 되도록 설정하였다. 피험자는 환경소음과 마스킹 음을 30초간 들은 후 10초 동안 쾌적성의 관점에서 ‘어울리지 않는(1) - 어울리는(7)’, ‘불쾌한(1) - 유쾌한(7)’, ‘불안한(1) - 편안한(7)’의 3가지 평가 어휘에 대해서 7단계 SD 법에 의해 평가하도록 하였다.
- 실험에 참여한 피험자는 정상청력을 가진 20대 남성 10명으로 구성되었으며, 본격적인 실험 평가 이전에 실험의 충분한 배경과 조건의 설정을 교육하였다. 실험에서 환경소음 및 마스킹 음은 Fig. 2의 MATLABTM GUI를 이용하여 컴퓨터 상에서 재생하도록 하였다. GUI는 환경소음을 선택하는 ①과 선택된 환경소음을 재생하는 ②, 선택된 환경소음에 대해서 마스킹 음과 그 상대적 크기를 선택하여 동시에 재생할 수 있는 ③으로 구성된다.
- 마스킹 음의 방향에 따른 쾌적성 평가 실험은 소음원의 방향과 마스킹 음의 방향이 일치하는 경우와 그렇지 않은 경우에 대해서 상대적인 쾌적성을 평가하는 실험이다. 이 실험은 Fig. 6의 NS 2에서 환경 소음원을 재생하고, MS 1과 MS 2에서 마스킹 음을 재생함에 있어 그 크기를 동일하게 하여 가상 스피커가 NS 1 위치에 생성되는 경우와, 환경 소음의 방향을 음원 위치추정 방법들에 의해서 정확히 추정하였다는 가정하에 VBAP 방법을 적용하여 NS 2 위치에 생성되는 경우에 대해서 앞선 쾌적성 평가와 동일한 어휘에 대해 7단계 SD법에 의해 평가하도록 하였다. VBAP 방법을 이용하여 가상 스피커의 위치를 달리하는 것 외에는 앞선 쾌적성 평가 실험과 동일한 조건에서 실험이 수행되었다.
- )이 4종을 선정하였다. 이 연구는 방향성이 고려된 마스킹 음들의 소음제어 성능 평가가 목적이므로 마스킹 음들은 실내 환경에서 쉽게 접할 수 있는 음들로 선정하였다.
- 이 실험에서는 앞선 실험에서 평가된 마스킹 음을 이용하여 건물 내부 공간의 소음을 제어할 때, 그 성능을 쾌적성의 관점에서 평가하고자 한다. 이 연구에서 제안하는 마스킹 음의 방향성을 고려한 소음제어 방법은 외부에서 유입되는 소음의 방향을 추정하고 추정된 방향을 고려하여 마스킹 음을 재생시켜 줌으로써 건물 내부의 쾌적성을 향상시키는 방법이다. 이를 위해서 소음원의 방향은 마이크로폰 어레이 사이의 도달 시간지연(time delay of arrival, TDOA)을 이용한 음원 위치추정 방법(9~11)을 이용할 수 있으며, 소음원의 방향으로 마스킹 음을 재생시켜 주기 위해서는 VBAP 기법을 이용한다(12).
- 이 연구에서는 건물 환경에서 소음 문제를 해결하기 위해 마스킹 음의 방향성을 고려한 소음제어 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 건물 내부로 유입되는 소음의 방향을 고려해 그 경로상에서 마스킹 효과가 우수한 소리들을 적절한 방향으로 재생시킴으로써 건물 내부에 쾌적한 음환경을 구현하게 하는 방법이다. 제안된 소음제어 방법의 성능을 검증하기 위해서 도로교통 소음과 건설현장 소음에 대해 6가지 마스킹 음(새소리, 물소리의 자연의 소리 2종과 classic1, classic2, piano, saxop.
- 제안된 방법은 건물 내부로 유입되는 소음의 방향을 고려해 그 경로상에서 마스킹 효과가 우수한 소리들을 적절한 방향으로 재생시킴으로써 건물 내부에 쾌적한 음환경을 구현하게 하는 방법이다. 제안된 소음제어 방법의 성능을 검증하기 위해서 도로교통 소음과 건설현장 소음에 대해 6가지 마스킹 음(새소리, 물소리의 자연의 소리 2종과 classic1, classic2, piano, saxop.의 연주곡 4종)의 마스킹 효과와 쾌적성 정도를 주관평가 실험을 수행하였다. 그 결과, 소음에 대한 마스킹 효과가 좋은 classic1 음을 이용할 경우 제어 후 더 높은 쾌적성을 기대할 수 있음을 확인하였다.
- 실험에 사용될 도로교통 소음은 상시 교통량이 많은 대형마트 앞 도로에서 측정하였으며, 건설현장 소음은 교내 건물 신축공사 현장에서 측정하였다. 측정된 소음원은 환경정책기본법 시행령 2조의 일반지역에서의 낮 소음 기준에 의거하여 측정된 소음의 크기(LAeq)가 50 dBA, 60 dBA, 70 dBA가 되도록 작성하였다.
- 환경소음과 마스킹 음은 앞선 실험에서 사용된 음원을 동일하게 사용하였으며, 각 음원은 Nuendo 3에서 편집되었고, AudioFire 12와 YAMAHA Rx-V765를 이용하여 스피커에 의해 재생되었다. 쾌적성 평가 실험은 Fig. 6과 같이 피험자를 중심으로 대칭되는 위치에 마스킹 음을 재생하는 스피커(MS 1, MS 2)와 소음원을 재생하는 스피커(NS 1)를 이용하여 수행하였다. NS 1에서 환경 소음원을 재생하고 MS 1과 MS 2에서 6가지의 다른 마스킹 음을 동일한 크기로 재생하여 가상의 스피커가 NS 1 위치에 생성되도록 하였다.
- 피험자는 환경소음과 마스킹 음을 30초간 들은 후 10초 동안 쾌적성의 관점에서 ‘어울리지 않는(1) - 어울리는(7)’, ‘불쾌한(1) - 유쾌한(7)’, ‘불안한(1) - 편안한(7)’의 3가지 평가 어휘에 대해서 7단계 SD 법에 의해 평가하도록 하였다.
대상 데이터
- 실험은 외부소음이 충분히 차폐되어 배경잡음이 35 dBA이하인 실험실에서 헤드폰을 이용하여 수행되었다. 사용된 헤드폰의 특성은 관심 주파수 대역(20~10 kHz)에서 스펙트럼 왜곡(spectral distortion, SD) 값이 평균 2 dB이하인 헤드폰 5개를 사용하여 5명이 동시에 청음 실험을 수행하게 하였다.
- 실험에 사용될 도로교통 소음은 상시 교통량이 많은 대형마트 앞 도로에서 측정하였으며, 건설현장 소음은 교내 건물 신축공사 현장에서 측정하였다. 측정된 소음원은 환경정책기본법 시행령 2조의 일반지역에서의 낮 소음 기준에 의거하여 측정된 소음의 크기(LAeq)가 50 dBA, 60 dBA, 70 dBA가 되도록 작성하였다.
- 실험에 참여한 피험자는 정상청력을 가진 20대 남성 10명으로 구성되었으며, 본격적인 실험 평가 이전에 실험의 충분한 배경과 조건의 설정을 교육하였다. 실험에서 환경소음 및 마스킹 음은 Fig.
- 건물 환경에서 대표적인 외부 환경소음에는 도로교통 소음과 건설현장 소음이 있다. 이 연구에서는 직접 측정된 도로교통 소음과 건설현장 소음을 환경소음으로 정의하였으며, 소음 제어를 위한 마스킹 음은 Shin 등의 연구에서 적용되었던 자연의 소리 2종(새소리, 물소리)과 건물 환경에 적합한 연주곡 4종을 선정하였다. 각 음들의 마스킹 효과를 정량적으로 평가하기 위해서 사전에 편집된 소리를 피험자에게 헤드폰을 통해 제시하고 이에 대한 피험자의 반응을 어휘쌍 평가를 이용한 의미분별척도법 (semantic differential method, SD법)을 이용하여 주관평가하였다.
- 마스킹 음의 방향에 따른 쾌적성 평가에 앞서 이 연구에서 정의한 두 가지 환경소음에 대해서 6가지 마스킹 음의 쾌적성을 평가하였다. 평가를 위한 실험은 배경 소음이 35 dBA 이하인 청감실험실에서 정상 청력을 가진 20대 대학원생 20명(남자 17, 여자 3)을 대상으로 수행하였으며, 본격적인 실험 평가 이전에 실험의 충분한 배경과 조건에 대해서 사전교육을 실시하였다. 환경소음과 마스킹 음은 앞선 실험에서 사용된 음원을 동일하게 사용하였으며, 각 음원은 Nuendo 3에서 편집되었고, AudioFire 12와 YAMAHA Rx-V765를 이용하여 스피커에 의해 재생되었다.
- 평가를 위한 실험은 배경 소음이 35 dBA 이하인 청감실험실에서 정상 청력을 가진 20대 대학원생 20명(남자 17, 여자 3)을 대상으로 수행하였으며, 본격적인 실험 평가 이전에 실험의 충분한 배경과 조건에 대해서 사전교육을 실시하였다. 환경소음과 마스킹 음은 앞선 실험에서 사용된 음원을 동일하게 사용하였으며, 각 음원은 Nuendo 3에서 편집되었고, AudioFire 12와 YAMAHA Rx-V765를 이용하여 스피커에 의해 재생되었다. 쾌적성 평가 실험은 Fig.
이론/모형
- 이 연구에서는 직접 측정된 도로교통 소음과 건설현장 소음을 환경소음으로 정의하였으며, 소음 제어를 위한 마스킹 음은 Shin 등의 연구에서 적용되었던 자연의 소리 2종(새소리, 물소리)과 건물 환경에 적합한 연주곡 4종을 선정하였다. 각 음들의 마스킹 효과를 정량적으로 평가하기 위해서 사전에 편집된 소리를 피험자에게 헤드폰을 통해 제시하고 이에 대한 피험자의 반응을 어휘쌍 평가를 이용한 의미분별척도법 (semantic differential method, SD법)을 이용하여 주관평가하였다.
- 이를 위해서 소음원의 방향은 마이크로폰 어레이 사이의 도달 시간지연(time delay of arrival, TDOA)을 이용한 음원 위치추정 방법(9~11)을 이용할 수 있으며, 소음원의 방향으로 마스킹 음을 재생시켜 주기 위해서는 VBAP 기법을 이용한다(12). 마스킹 효과 주관평가 실험과 동일하게 이 실험에서도 쾌적성의 정도를 어휘쌍 평가를 이용한 SD법을 이용하여 주관평가한다. 주관평가를 위한 어휘쌍은 Shin 등의 연구에서 사용된 어휘쌍들 중에서 실내 환경에 적합한 3가지 어휘쌍(어울리지 않는-어울리는, 불쾌한-유쾌한, 불안한-편안한)을 선택하였다.
- 이 연구에서 제안하는 마스킹 음의 방향성을 고려한 소음제어 방법에서 소음의 유입 방향을 고려해 마스킹 음을 재생시키기 위해서 VBAP 방법을 적용한다(12). VBAP 방법은 Fig.
- 이 연구에서는 마스킹 효과를 적용한 기존의 소음 제어 연구에 마스킹 음의 방향성을 고려하여 실내 환경에서 제어 성능을 향상시킬 수 있는 소음제어 방법을 제안하였다. 이때 마스킹 음은 소음이 유입되는 경로에서 vector base amplitude panning(VBAP) 방법을 적용해 방향성을 갖도록 하였다.
- 이 연구에서 제안하는 마스킹 음의 방향성을 고려한 소음제어 방법은 외부에서 유입되는 소음의 방향을 추정하고 추정된 방향을 고려하여 마스킹 음을 재생시켜 줌으로써 건물 내부의 쾌적성을 향상시키는 방법이다. 이를 위해서 소음원의 방향은 마이크로폰 어레이 사이의 도달 시간지연(time delay of arrival, TDOA)을 이용한 음원 위치추정 방법(9~11)을 이용할 수 있으며, 소음원의 방향으로 마스킹 음을 재생시켜 주기 위해서는 VBAP 기법을 이용한다(12). 마스킹 효과 주관평가 실험과 동일하게 이 실험에서도 쾌적성의 정도를 어휘쌍 평가를 이용한 SD법을 이용하여 주관평가한다.
- 마스킹 효과 주관평가 실험과 동일하게 이 실험에서도 쾌적성의 정도를 어휘쌍 평가를 이용한 SD법을 이용하여 주관평가한다. 주관평가를 위한 어휘쌍은 Shin 등의 연구에서 사용된 어휘쌍들 중에서 실내 환경에 적합한 3가지 어휘쌍(어울리지 않는-어울리는, 불쾌한-유쾌한, 불안한-편안한)을 선택하였다.
- 피험자가 이 GUI를 이용하여 환경소음에 대해 각 마스킹 음을 30초 동안 들은 후 10초 동안, 마스킹 정도를 ‘매우(7) – 전혀(1)’의 7단계 SD 법에 의해 평가하였다.
- 환경소음과 더불어 부가되는 마스킹 음은 Shin 등의 음풍경 연구에 적용된 새소리(bird), 물소리(water)의 자연의 소리 2종과 건물 환경에 적합한 연주곡으로 생각되는, 비발디 작곡의 ‘사계 1악장’(classic1)과 Steve Barakatt 작곡의 ‘Flying’(classic2), Yuhki Kuramoto의 ‘Lake Lousie’(piano), Kenneth G의‘Forever in Love’(saxop.)이 4종을 선정하였다.
성능/효과
- ’의 마스킹 음들이 마스킹 효과가 좋게 나왔으며, ‘Bird’, ‘Piano’와 같이 환경소음들과 음 에너지 분포 대역이 차이가 나는 경우에는 마스킹 효과가 좋지 않음을 알 수 있었다.
- 의 연주곡 4종)의 마스킹 효과와 쾌적성 정도를 주관평가 실험을 수행하였다. 그 결과, 소음에 대한 마스킹 효과가 좋은 classic1 음을 이용할 경우 제어 후 더 높은 쾌적성을 기대할 수 있음을 확인하였다. 또한 소음원의 방향에 대한 마스킹 음의 방향에 따른 쾌적성 정도를 주관평가한 결과, 사용자의 특성에 맞게 소음의 방향을 고려하여 마스킹 음의 방향을 제어해 줌으로써 건물 환경에서 쾌적성을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
- 또한 마스킹 음의 ‘Bird’는 새소리에 의해 2~6 kHz 사이에, ‘Water’는 300 Hz~3 kHz 사이에 음 에너지가 분포하며, ‘Classic1’은 다양한 악기 소리에 의해 50~200 Hz 사이에 집중적으로 음 에너지가 분포하며 이들의 고조파(higher harmonic) 부분에 에너지가 분포함을 확인하였다.
- 그 결과, 소음에 대한 마스킹 효과가 좋은 classic1 음을 이용할 경우 제어 후 더 높은 쾌적성을 기대할 수 있음을 확인하였다. 또한 소음원의 방향에 대한 마스킹 음의 방향에 따른 쾌적성 정도를 주관평가한 결과, 사용자의 특성에 맞게 소음의 방향을 고려하여 마스킹 음의 방향을 제어해 줌으로써 건물 환경에서 쾌적성을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
- ’의 쾌적성 정도가 높음을 알 수 있었다. 이 실험의 결과로부터 소음에 대한 마스킹 효과가 좋은 소리들을 이용하여 제어했을 경우 쾌적성의 정도도 높아짐을 알 수 있었다. 또한 이 연구에서 선정된 마스킹 음을 이용하여 제어했을 경우, 건설현장 소음보다 도로교통 소음에 대한 쾌적성 향상도가 더 높음을 알 수 있는데, 이는 2장의 환경소음들과 마스킹 음들의 스펙트로그램 분석 결과에서 알 수 있듯이 선정된 마스킹 음들의 음 에너지 분포가 도로교통 소음의 음 에너지 분포와 유사하기 때문이다.
- 정의된 환경소음과 선정된 마스킹 음들의 스펙트로그램(spectrogram)은 Fig. 1과 같이 도로교통 소음은 전 시간 영역에서 200 Hz 이하에, 건설현상 소음은 500 Hz 이하에 대부분의 음 에너지가 분포함을 확인하였다. 또한 마스킹 음의 ‘Bird’는 새소리에 의해 2~6 kHz 사이에, ‘Water’는 300 Hz~3 kHz 사이에 음 에너지가 분포하며, ‘Classic1’은 다양한 악기 소리에 의해 50~200 Hz 사이에 집중적으로 음 에너지가 분포하며 이들의 고조파(higher harmonic) 부분에 에너지가 분포함을 확인하였다.
- 주관평가 결과로부터 도로교통 소음의 경우 ‘Classic1’의 쾌적성 정도가 가장 높았으며, 건설현장 소음의 경우, ‘Classic1’, ‘Classic2’, ‘Saxop.
- 8과 같다. 주관평가의 결과로부터 환경소음에 대해서 마스킹 음의 방향이 소음원의 방향과 동일한 경우가 그렇지 않은 경우 보다 쾌적성이 향상되었지만 향상된 정도는 크지 않음을 알 수 있었다. 이는 주관평가에 참가한 20명의 피험자 중에서 10명은 소음원의 방향과 마스킹 음의 방향이 일치될 경우 소음에 대한 마스킹 효과가 증가하여 쾌적성이 향상된다고 평가하였고, 5명은 마스킹 음에 따라 다르다고 평가하였으며, 5명은 쾌적성이 나빠진다고 평가했기 때문이다.
후속연구
- 이와 같은 피험자들은 마스킹 음의 방향을 소음원의 방향과 달리 제어함으로써 오히려 쾌적성을 향상시킬 수 있을 것이다. 따라서 이 연구에서 제안하는 마스킹 음을 이용한 소음제어 방법은 사용자의 특성에 맞게 소음원의 방향을 고려하여 마스킹 음의 방향을 제어해 줌으로써 건물 환경에서 쾌적성을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
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