[논문]타이어의 모노럴 비팅음이 인체에 유발하는 영향에 관한 기초 연구

백광현

doi:10.7776/ask.2011.30.1.049

문제 정의

그러나 본 연구를 위해서는 사람이 인지 가능한 정도의 순음 성분이 발생되어야 하므로 이러한 두 가지 모순적 조건을 만족하는 모노럴 비팅음 발생 타이어 제작은 많은 비용과 시간이 소요되는 고 난이도의 작업이다. 따라서 모노럴 비팅음 타이어의 가능성을 타진하는 본 연구에서는 그림 1 (b)과 같은 단순 블록 형태의 타이어 (좌, 우 트랙 각각 47,48개의 피치블록, 3가지 패턴)를 제작하여 상업적으로 이용되는 그림 1 (a) 일반타이어 (피치블록 수 100개) 대비 어떠한 효과를 유발하는지 알아보았다.
본 연구에서는 타이어 소음으로부터 알파파와 유사한 신체적 영향력을 도출할 수 있는지 HRV 장비를 이용하여 생리적 지표들의 변화를 살펴보았다. SDNN, HF, TP의 평균값이 비팅음 타이어에서 증가하였다.
본 연구에서는 타이어 음을 통하여 이러한 알파파 강화와 유사한 영향을 인체에 줄 수 있는지 그 가능성을 알아보았다. 단, 차량에 장착되는 타이어가 가지는 제한성으로 인하여 바이노럴 비트를 만들 수 없으므로 효과는 상대적으로 미약하지만 모노럴 (monaural) 비팅음을 타이어에서 발생시켜 알아보았다.
비팅 주파수 음은 실제 소리가 아니지만 두 순음의 톤이 두뇌 속에서 결합될 때 뇌파 형성과 일치하며, 두뇌 신경 핵이 바이노럴 비트에 공명하여 대뇌피질로 신호를 보내고 기존의 뇌파 패턴과 섞여 현저한 신체 상태 변화를 일으킨다. 본 연구에서는 타이어의 트레드 형상에 따라 발생된 타이어 비팅음이 사람에 미치는 영향을 실험을 통하여 측정하고, 인체에 긍정적 생리 변화를 줄 수 있는지 그 가능성을 알아보았다.

가설 설정

1. Pitch block pattern of (a) reference tire and (b) monaural beating sound tire.
8. Mean value of (a) autonomic nerve activation, (b) stress resistibility.

제안 방법

이상적으로는 차량의 좌우 타이어가 위의 두 주파수 순음을 각기 발생시킨다면 바이노럴 비팅 현상을 유발할 수 있지만 차량 안전 등 여러 이유로 좌우의 타이어는 동일해야 한다. 그러므로 본 연구에서는 하나의 타이어에서 두 개의 순음을 발생시키도록 그림 1 (b)와 같이 하나의 타이어에서 좌우 비대칭 피치블록 수를 가지도록 하였다. (그림에서 좌우의 차이가 거의 보이지 않는 이유는 좌우 피치블록 하나당 길이 차이가 1 mm도 안되기 때문이다.
표 1의 주파수와 차이가 나는 이유는 피치블록의 수가 줄었으며 실제 차량 속도는 계기판 속도보다 작기 때문이다. 기준 타이어 대비 비팅음 타이어의 차이가 유발하는 생리적 변화를 표 2 의 테스트 조건에 대하여 HRV를 이용해 측정하였다. 각 조건의 대상은 60 km/h가 32명, 80 km/h가 28명, 100 km/h가 30명으로 각 개인을 통해 얻어진 데이터는 통계 프로그램 (SPSS)을 사용하여 대응 t 검증 (paired t test)으로 분석하였다.
기준 타이어 및 제작된 비팅음 타이어를 주행 테스트 트랙의 부드러운 노면에서 시속 60, 80, 100 km/h의 속도로 주행하며 운전석 귀 위치에서 B&K 1/2" 마이크로폰과 PULSE 분석기를 이용하여 소음을 측정 및 녹음하고, 녹음된 음을 AUDIOTRAK imAmp 헤드폰 앰프 및 AKG K271 MK II 헤드폰을 이용하여 벽면에 20 cm 두께로 흡음 처리된 실험실에서 청음 테스트를 하였다.
본 연구에서는 타이어 음을 통하여 이러한 알파파 강화와 유사한 영향을 인체에 줄 수 있는지 그 가능성을 알아보았다. 단, 차량에 장착되는 타이어가 가지는 제한성으로 인하여 바이노럴 비트를 만들 수 없으므로 효과는 상대적으로 미약하지만 모노럴 (monaural) 비팅음을 타이어에서 발생시켜 알아보았다. 이상적으로는 모노럴 비팅음이 발생되는 차량에 피실험자를 탑승시켜 실 주행 상태에서 신체 반응을 측정하는 것이 완벽하겠으나 실험의 반복성 (소음 조건), 신체 반응 측정 장비 탑재 및 피실험자의 여건 등 여러 요인으로 인하여, 모노럴 비팅음 발생 타이어가 장착된 차량의 주행에서 녹음된 음을 정온한 환경의 실험실에서 재생하고 피실험자의 신체 반응을 HRV를 이용하여 측정한 후 각종 파라미터를 추출, 통계분석하여 그 효과를 검증하였다.
비팅음을 발생시키기 위한 기본 주파수는 J. C. R. Licklider [7] 등에 의해 행해진 연구 결과를 바탕으로 선정하였다. 그 연구에서는 400 cps의 기본 주파수 순음의 음압이 클수록 넓은 비팅음 주파수 대역에서 바이노럴 비팅 현상이 잘 발생하였다.
단, 차량에 장착되는 타이어가 가지는 제한성으로 인하여 바이노럴 비트를 만들 수 없으므로 효과는 상대적으로 미약하지만 모노럴 (monaural) 비팅음을 타이어에서 발생시켜 알아보았다. 이상적으로는 모노럴 비팅음이 발생되는 차량에 피실험자를 탑승시켜 실 주행 상태에서 신체 반응을 측정하는 것이 완벽하겠으나 실험의 반복성 (소음 조건), 신체 반응 측정 장비 탑재 및 피실험자의 여건 등 여러 요인으로 인하여, 모노럴 비팅음 발생 타이어가 장착된 차량의 주행에서 녹음된 음을 정온한 환경의 실험실에서 재생하고 피실험자의 신체 반응을 HRV를 이용하여 측정한 후 각종 파라미터를 추출, 통계분석하여 그 효과를 검증하였다.
자율신경측정기로도 불리는 HRV는 심장 박동의 미세한 변화를 파형 분석하여 스트레스에 대한 인체의 자율신경 반응을 가시화하고 현재의 건강 상태 및 정신 생리학적 안정 상태를 확인할 수 있는 장비이다. 피실험자에 대한 청음 반응은 모든 벽면에 두께 20 cm 이상의 흡음재로 처리되어 있으며 외부 소음에 대하여 충분히 밀폐되어 있는 공간에서 수행하였다. HRV로 측정, 분석하여 구할 수 있는 많은 항목 중 본 연구에서 사용된 중요 지표로는 평균 심박동수 (빈맥, 서맥), SDNN (Standard deviation of the NN interval), TP (total power), VLF (very low frequency power), LF (low frequency power), HF (high frequency power), LF/HF ratio, 자율신경활성도, 자율신경균형도, 스트레스저항도, 스트레스지수, 피로도, 심장안정도, 이상 심박동수 (심장의 리듬이 정상적인 범위를 벗어난 횟수를 의미하며 5회 이상의 경우 심한 움직임이 있거나 부정맥이 의심 될 수 있으므로 재 측정 또는 추가적인 검사 실시) 등이 있다.

대상 데이터

HRV (Heart Rate Variability) 측정용 장비로는 그림 2에 보인 SA3000P모델이 사용되었다. 자율신경측정기로도 불리는 HRV는 심장 박동의 미세한 변화를 파형 분석하여 스트레스에 대한 인체의 자율신경 반응을 가시화하고 현재의 건강 상태 및 정신 생리학적 안정 상태를 확인할 수 있는 장비이다.

데이터처리

기준 타이어 대비 비팅음 타이어의 차이가 유발하는 생리적 변화를 표 2 의 테스트 조건에 대하여 HRV를 이용해 측정하였다. 각 조건의 대상은 60 km/h가 32명, 80 km/h가 28명, 100 km/h가 30명으로 각 개인을 통해 얻어진 데이터는 통계 프로그램 (SPSS)을 사용하여 대응 t 검증 (paired t test)으로 분석하였다. 대응 표본 t 검증은 두 평균값의 차이를 통계적으로 분석하는 방법으로 동일한 대상의 사전, 사후 값을 비교하는 것이다.

성능/효과

이는 비팅음 생성 타이어 실측음이 자율신경계의 생리적 변수들에 긍정적인 역할을 담당하는 것으로 볼 수 있다. (표 2의 조건 숫자 참조) 또한 심장안정도, 자율신경활성도, 스트레스 저항도, 피로도에 있어서도 비팅음이 생성되는 조건 모두에서 긍정적인 생리적 변화의 동일한 경향을 찾을 수 있었다. 그러나 LF, VLF, 자율신경균형도, 스트레스지수, 평균 심박동수의 변화는 동일한 경향성을 발견할 수 없었다.
대응 표본 t 검증은 두 평균값의 차이를 통계적으로 분석하는 방법으로 동일한 대상의 사전, 사후 값을 비교하는 것이다. 각 실험 조건의 피실험자 수는 유효 결과를 얻을 수 있었던 사람들의 숫자로 유효 통계 해석을 할 수 있는 숫자였으며 실제 피실험자 수 또는 실험 횟수는 약 60~70 % 정도 더 수행되었으며 분석 결과는 그림 6~11과 표 3~5에 나타내었다. 통계적 유의성 증진을 위하여 1인에 대한 중복/다중 평가를 하는 것이 바람직하나 1회 실험에 최소 40분에서 1시간 이상이 소요되는 등 현실적 제한 조건으로 이루어지지 못했다.
Licklider [7] 등에 의해 행해진 연구 결과를 바탕으로 선정하였다. 그 연구에서는 400 cps의 기본 주파수 순음의 음압이 클수록 넓은 비팅음 주파수 대역에서 바이노럴 비팅 현상이 잘 발생하였다. 이러한 기본 주파수 순음은, 타이어의 경우 주로 피치블록의 수에 따라 정해지며 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다.
(표 2의 조건 숫자 참조) 또한 심장안정도, 자율신경활성도, 스트레스 저항도, 피로도에 있어서도 비팅음이 생성되는 조건 모두에서 긍정적인 생리적 변화의 동일한 경향을 찾을 수 있었다. 그러나 LF, VLF, 자율신경균형도, 스트레스지수, 평균 심박동수의 변화는 동일한 경향성을 발견할 수 없었다.
비록 통계적인 유의성을 나타내지는 않았으나 각 조건 간의 평균값들을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 먼저, SDNN, HF, TP의 값은 1, 3, 5의 기준 타이어에 비해 2, 4, 6의 비팅음 타이어에서 증가하였다. 이는 비팅음 생성 타이어 실측음이 자율신경계의 생리적 변수들에 긍정적인 역할을 담당하는 것으로 볼 수 있다.
측정 결과 60 km/h에서 HF 값이 t=-3.13 (P˂.01)의 값을 나타내 비팅이 생성되는 타이어의 음과 기준 타이어의 음이 99 % 수준에서 유의미한 차이를 나타내었다. 이는 이완 상태를 나타내는 부교감 신경의 유의한 증가를 나타내는 것으로 비팅음이 생리적 이완 요소로 작용하였음을 알 수 있다.
차량 속도가 60 km/h보다 낮은 저속 주행에서는 타이어 소음도 작고 정속 운행에 따른 비팅음 생성 효과가 작을 것으로 판단하여 차량의 통상적 운행 속도 범위를 60~100 km/h로 설정하였다. 표 1은 이러한 속도 영역에서 타이어가 만들어내는 순음 주파수의 예로서, 직경 64.5 cm, 피치블록 수 49개인 타이어의 경우 시속 60 km/h에서 403 Hz, 50개 일 때는 약 411 Hz의 순음이 발생되는 것을 나타내며 본 연구에서 의도하는 차량 운행 속도 범위에서 알파파 주파수 대역 (8~13 Hz)의 모노럴 비팅음을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다. 참고로 피치의 수를 두 개 차이지게 하면 60 km/h에서는 알파파의 범위에 들지만 100 km/h에서는 베타파의 영역으로 바뀌게 된다.

후속연구

또한 타이어가 통상적으로 가져야 하는 피치블록의 숫자가 최소 45~50개 이상이어야 하는 현실적 여건을 고려할 때, 타이어 회전 속도 증가로 인하여 생기는 고주파의 기본주파수 (최소 400 Hz 이상) 순음 소리는 사람들에게 심리, 감성적으로 부정적 반응을 유발할 가능성이 크다. 따라서 평균적으로 긍정적 반응을 유발하는 비팅음을 고주파가 아닌 저주파 영역의 순음 발생을 통하여 얻을 수 있다면, 타이어 소음을 인체에 좋은 영향을 주는 쪽으로 응용할 수 있을 것으로 추정된다. 타이어 소음의 실험 결과, 속도별로 일관되지 않은 결과를 보이는 요소들이 존재하며, 원인이 고속에 따른 고주파화 된 순음의 영향인지 또는 종합적으로 변하는 타이어 전체의 배경음이 원인인지는 현재의 연구 결과로는 확인 할 수 없었다.
타이어 소음의 실험 결과, 속도별로 일관되지 않은 결과를 보이는 요소들이 존재하며, 원인이 고속에 따른 고주파화 된 순음의 영향인지 또는 종합적으로 변하는 타이어 전체의 배경음이 원인인지는 현재의 연구 결과로는 확인 할 수 없었다. 또한 HRV를 이용한 정량적 측정의 실험이었으나, 개인들이 가지는 심인적인 요소가 측정 결과에 영향을 미칠 수 있는 것으로 보이며 이러한 영향을 배제하기 위하여 정교하게 설계된 실험 기획과 경험 및 테크닉 [8]이 필요할 것으로 보인다.
측정과정에서의 경험 및 주요 관찰 결과를 정리하면 다음과 같다. 비팅음을 발생시키기 위해서는 두 개의 명확한 순음이 필연적으로 필요하지만 일반적으로 명확한 순음은 동시에 심리적, 감성적으로 부정적인 반응을 유발하므로 순음 발생의 크기를 적절한 양으로 줄일 수 있어야 하는데, 이는 타이어 설계 특성상 매우 까다로운 문제로 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 타이어가 통상적으로 가져야 하는 피치블록의 숫자가 최소 45~50개 이상이어야 하는 현실적 여건을 고려할 때, 타이어 회전 속도 증가로 인하여 생기는 고주파의 기본주파수 (최소 400 Hz 이상) 순음 소리는 사람들에게 심리, 감성적으로 부정적 반응을 유발할 가능성이 크다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알파파란?	알파파는 신체적 이완과 감각, 의식의 다양한 측면에 밀접한 관련을 가지는데 긴장을 완화시켜 이완을 이끌 뿐 아니라 의식 상태를 변화시켜 인지 기능을 향상시키는데 도움을 주는 것으로 알려져 있다. Peniston과 Kulkosky[1]는 피험자들이 알파파 생성을 통해 추상적 사고력, 의식, 감각, 자기 조절 능력이 증가하는 것을 보고하였다.
	바이노럴 비팅은 언제 발생하는가?	바이노럴 비팅 (binaural beating)은 두 개의 다른 주파수의 순음이 양쪽 귀를 통하여 각각 들려질 때 발생하며, 두 주파수의 차이인 비팅 주파수를 두뇌가 인지하게 된다. 비팅 주파수 음은 실제 소리가 아니지만 두 순음의 톤이 두뇌 속에서 결합될 때 뇌파 형성과 일치하며, 두뇌 신경 핵이 바이노럴 비트에 공명하여 대뇌피질로 신호를 보내고 기존의 뇌파 패턴과 섞여 현저한 신체 상태 변화를 일으킨다.
	알파파 생성이 기여하는 것은?	Hatfield [6]등의 연구에서는 피험자들이 사격을 준비하는 순간 왼쪽 후두엽과 측두엽에서 높은 알파파가 나타났다는 연구결과를 통해 운동수행과도 밀접한 관련이 있음을 보였다. 이처럼 알파파는 다양한 연구 결과에서 잠재력 활성화, 침착성과 집중력 촉진, 통제력 향상, 반응시간 단축, 정확성, 기억, 정보처리 속도, 결정력 향상, 불안 감소, 다양한 의식 상태와 각성수준의 연속성, 상태 의존적 학습과 기억력 회복, 몸과 마음의 상호작용 등의 향상에 기여한다고 보고되고 있다. 알파파의 뇌파로 인한 생리적인 이완 반응은 자율신경계를 통해 이루어지며, 심박동변이도 (heart rate variability) 측정 장비(HRV)를 이용하여 측정가능하다.

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