[논문]철도선로연변에서의 소음과 지반진동의 저감

서사범

문제 정의

차륜이 레일 위를 굴러갈 때에 생기는 전동음, 전차나 기동차에 탑재된 구동장치나 톱니바퀴에서 나는 음, 철교나 콘크리트 고가교 등에서 발생되는 구조물 음, 또한 고속으로 주행하는 고속철도차량에서 발생되는 공력소음 등이 있으며, 그 음원이 다기에 걸쳐 있다. 그러면 철도선로연변에서의 소음을 효과적으로 저감하기 위해서는 어떻게 하면 좋은가? 그것은 선로연변에서의 소음에 대해 큰 영향을 가진 음원을 파악하여 그 음원에 대하여 대책을 실시하는 것이다.
본고에서는 전동음에 관한 특성, 전동음 예측기법의 개요와 전동음에서 차륜·궤도에 관계되는 파라미터의 영향, 철도선로연변 소음 예측기법의 적용범위를 터널갱구 부근, 고층건물, 주택밀집지까지 확장한 사례 및 지반진동 대책의 현상에 대하여 소개한다.
예측기법에 따른 해석결과의 일례로서 차륜이나 궤도 등에 관계되는 각 파라미터가 전동음에 미치는 영향을 평가한 내용을 소개한다(표 1). 기준의 조건은 일반철도의 콘크리트 고가교 자갈궤도이다.
이상으로 전동음 예측기법과 저감대책, 철도소음의 예측기법과 그 적용범위의 확장사례 및 지금까지 강구되어온 여러 가지 지반진동대책에 관하여 소개하였다.

제안 방법

다음에 예측기법에서의 계산모델을 설명한다. 궤도의 진동특성을 평가하기 위하여 궤도를 레일에 대응하는 무한길이의 보와 레일패드, 침목, 도상자갈에 대응하는 스프링-매스-스프링 계로 구성되는 지지체로 모델화한다. 이 모델에 필요한 파라미터(레일패드나 도상자갈 등의 스프링강성 등)에 대하여는 궤도에 대한 가진 시험의 결과에서 동정한다.
그래서 음원파워가 큰 고소공간에서 특히 문제로 된다고 생각되는 차량하부에서 발생되는 소음(전동음, 주전동기 팬 음 등)에 대하여 음원의 지향특성을 실물차량 시험과 모형실험으로 조사하여 지향특성을 나타내는 실험식을 도출하였다. 그림 8은 일본의 철도연구소 내 시험선에서 차량이 주행할 때의 소음레벨을 선로 직교단면 내 복수의 측정 점에서 동시에 측정한 결과이다.
지금 까지 건물 등에 의한 반사와 차폐의 영향은 정량적으로 평가하는 방법이 제안되어 있지 않았다. 그래서 일본에 서는 건물의 입지조건을 여러 가지로 변화시킨 축척 (1/25) 모형실험을 실시하여 주택밀집지역에서의 건물 벽면 등의 영향을 정량적으로 평가하였다. 이 모형실험에서는 고가구간을 주행하고 있는 고속철도차량을 상정하여 건물의 벽면 폭이나 벽면까지의 거리 등의 입지 조건을 여러 가지로 변화시켜 근접 쪽 궤도중심에서 25 m 지점에 상당하는 관측점에서의 건물의 영향에 따른 소음의 증가량을 조사하였다.
차륜에 관하여도 차륜의 가진 시험에서 차륜에 생기는 고유모드 등을 정리하여 이 시험결과와 유한요소법을 이용한 계산결과에서 그 진동특성을 평가한다. 또한, 궤도, 차륜에서의 방사음은 각 요소의 진동과 음향방사 효율 등으로부터 평가한다.
또한, 소음증가량의 평가방법으로서 r, θ및 w를 변수로 한 실험 식을 제시하였다.
또한, 차량, 방음벽에 의한 음 반사의 영향을 고려하기 위하여 다음의 3가지 음원으로 구성되는 음원모델을 도입 하였다(그림 9).
예측기법의 정밀도를 검증하기 위해 일반철도·고설철도 4구간에서 레일 근방지점의 소음에 관해 실측치와 예측 치를 비교한 예를 소개한다. 소음을 예측 평가하기 위해 차륜이나 레일의 요철분포 등 차륜, 레일에 관계되는 파라미터를 정리하였다. 그림 2는 소음레벨에 관한 실측치와 예측치를 비교한 것이다.
실험은 측정 점에서 선로에 대한 수직선과 벽면에 대한 수직선이 교차 하는 각도 θ (이하에서는‘벽면각도’라고 한다) 및 측정 점과 벽면 간의 거리 r, 벽면 폭 w를 변화시켜 측정하였다.
예측기법의 정밀도를 검증하기 위해 일반철도·고설철도 4구간에서 레일 근방지점의 소음에 관해 실측치와 예측 치를 비교한 예를 소개한다.
그래서 일본에 서는 건물의 입지조건을 여러 가지로 변화시킨 축척 (1/25) 모형실험을 실시하여 주택밀집지역에서의 건물 벽면 등의 영향을 정량적으로 평가하였다. 이 모형실험에서는 고가구간을 주행하고 있는 고속철도차량을 상정하여 건물의 벽면 폭이나 벽면까지의 거리 등의 입지 조건을 여러 가지로 변화시켜 근접 쪽 궤도중심에서 25 m 지점에 상당하는 관측점에서의 건물의 영향에 따른 소음의 증가량을 조사하였다. 주된 결과를 이하에 나타 낸다.
그림 1에 TWINS에서의 전동음 예측계산의 흐름을 나타낸다. 차륜, 궤도의 진동특성 조합으로 구성된 역학 모델에 대하여 차륜, 레일면의 요철을 입력함으로써 가진 력을 평가하고 이 가진력에서 차륜, 레일과 침목의 진동 및 방사음을 예측한다. 또한, 전동음을 예측하기 위해서는 차륜, 궤도의 파라미터를 정리할 필요가 있다.
이 모델에 필요한 파라미터(레일패드나 도상자갈 등의 스프링강성 등)에 대하여는 궤도에 대한 가진 시험의 결과에서 동정한다. 차륜에 관하여도 차륜의 가진 시험에서 차륜에 생기는 고유모드 등을 정리하여 이 시험결과와 유한요소법을 이용한 계산결과에서 그 진동특성을 평가한다. 또한, 궤도, 차륜에서의 방사음은 각 요소의 진동과 음향방사 효율 등으로부터 평가한다.
철도고가교와 비스듬히 교차하는 도로에 연하여 건물이 입지하여 있는 경우(그림 12)에 대하여 건물벽면에서의 소음반사에 따른 소음증가량을 조사하였다. 실험은 측정 점에서 선로에 대한 수직선과 벽면에 대한 수직선이 교차 하는 각도 θ (이하에서는‘벽면각도’라고 한다) 및 측정 점과 벽면 간의 거리 r, 벽면 폭 w를 변화시켜 측정하였다.
철도선로연변에 산재하는 공원이나 공터 등을 상정하여 그림 13에 나타낸 것처럼 측정 점이 복수의 건물에 둘러싸여 있는 경우의 소음증가량을 조사하였다. 그 결과, 이 경우의 소음증가량은 최대로 3dB 이상으로 되며, 건물높이, 벽면각도, 벽면과 측정점 간의 거리에 관계없이 소음반사의 영향을 강하게 받는 것을 알 수 있었다.
측정점의 배후에 건물이 존재하는 경우(그림 11)에대하여 건물의 벽면 폭 w 및 측정 점과 벽면 간의 거리 d 를 변화시켜 건물벽면에서의 소음반사에 따른 소음측정 치에 대한 영향을 조사하였다. 그 결과, d가 작게 될수록, 또한 w가 크게 될수록 소음증가량은 크게 됨을 알 수 있었다.

데이터처리

그 결과, d가 작게 될수록, 또한 w가 크게 될수록 소음증가량은 크게 됨을 알 수 있었다. 또한, 소음증가량의 평가방법으로서 d와 w를 변수로 한 실험식을 제시하였다.

이론/모형

그림 8은 일본의 철도연구소 내 시험선에서 차량이 주행할 때의 소음레벨을 선로 직교단면 내 복수의 측정 점에서 동시에 측정한 결과이다. 상기 그림에서 전동음은 연직방향으로 약하고 수평방향으로 강한 지향특성을 갖고 있음을 알 수 있으며, 따라서 일본에서는 이 실험식을 예측기법의 음원모델로서 채용하였다.

성능/효과

측정점의 배후에 건물이 존재하는 경우(그림 11)에대하여 건물의 벽면 폭 w 및 측정 점과 벽면 간의 거리 d 를 변화시켜 건물벽면에서의 소음반사에 따른 소음측정 치에 대한 영향을 조사하였다. 그 결과, d가 작게 될수록, 또한 w가 크게 될수록 소음증가량은 크게 됨을 알 수 있었다. 또한, 소음증가량의 평가방법으로서 d와 w를 변수로 한 실험식을 제시하였다.
철도선로연변에 산재하는 공원이나 공터 등을 상정하여 그림 13에 나타낸 것처럼 측정 점이 복수의 건물에 둘러싸여 있는 경우의 소음증가량을 조사하였다. 그 결과, 이 경우의 소음증가량은 최대로 3dB 이상으로 되며, 건물높이, 벽면각도, 벽면과 측정점 간의 거리에 관계없이 소음반사의 영향을 강하게 받는 것을 알 수 있었다.
그결과, 건물벽면이 선로에 대하여 수직선으로 되는 경우(θ= 90° )에 반사의 영향은 거의 없게 됨을 알 수 있었다.
먼저 전체 음에 관하여 실측치와 예측치를 비교하면, 양자는 거의 일치하고 있다. 다음에 전동음에서 음원별 기여정도를 보면 500~1,600 Hz에서는 주요한 음원이 레일이며, 전동음 전체에서 점하는 레일 방사음의 기여가 큰 것을 알 수 있다. 또한, 2,000 Hz 이상에서는 차륜이 지배적인 음원으로 되어 있다.
면 음원의 음향파워를 터널 내의 음원위치, 터널갱구의 크기, 터널벽면의 흡음 파라미터의 함수로서 나타냄으로써 열차의 이동에 따라 시시각각으로 변하는 터널 반향음의 음향파워를 다양한 터널 조건에서 추정하는 것이 가능하다. 실측치와 이 기법으로 구한 예측치를 비교한 결과, 양자의 레벨변동의 경향이 정성적으로 잘 일치하고(그림 6), 소음레벨의 최대치에서도 실측치와 예측치가 정량적으로 잘 일치하였다(그림 7).
그림 2는 소음레벨에 관한 실측치와 예측치를 비교한 것이다. 예측치와 실측치의 차이는 평균 차이 -1.0 dB(예측치 과대), 표준편차 3 dB이며, 예측치와 실측치가 대체로 일치하는 것을 확인하였다.
이들 결과의 일부는 실측 데이터에서도 검증되어 있다. 이 예측방법을 이용함으로써 전동음의 음원별 기여정도에 따라 저감대책의 효과를 정량적으로 평가할 수 있게 되었다.
이 영역에서는 차량측면에서 방음벽 상단을 통하여 비스듬히 상방으로 향하는 방향에 있으며, 차량측면과 방음벽 간을 다중 반사한 음이 이 방향으로 방사되는 영향이라고 생각된다. 한편, 개량된 예측기법으로 구한 소음레벨분포의 경향은 모형실험결과의 경향과 잘 일치하고있으며, 고소공간에서의 예측정밀도가 개선되었다.

후속연구

그러나 이들의 공법은 적용사례가 적어 정량적인 평가는 매우적다. 향후 진동 대책 메뉴의 하나로서 더욱 검토가 필요하다고 생각된다.
특히 최근의 차량에서는 주전동기 팬의 음이 대폭 저감되어 소음전체에서 전동음의 기여도가 크다. 향후에 일반철도의 소음을 저감하기 위해서는 전동음에 중점을 둔 대책이 필요하다.
향후에 철도선로연변에서의 소음저감을 더욱 추진하기 위해서는 보다 정밀도가 높은 전동음 예측기법의 구축이나 차륜 플랫 등에서 발생되는 충격음에 대하여도 연구할 필요가 있다. 또한, 철도소음 예측기법의 정밀도를 가일층 향상시키고 적용범위를 확장시키기 위해서는 철도소음의 발생·전파에 관한 현상에 대하여 이해를 깊게 하여야 한다.
또한, 전동음은 일반철도 뿐만 아니라 고속철도의 소음에서도 주요한 음원의 하나로 되어 있다. 향후에 철도소음을 저감시키기 위해서는 전동음에 중점을 둔 대책을 진행할 필요가 있다.
그리고 열차주행에 따라 선로연변에 생기는 지반진동의 문제는 진동원에서 지반까지 관계되는 요인이 많고 검토하여야 할 문제가 많이 남아 있다. 향후에도 계속하여 지반진동에 관한 연구개발이 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주전동기 팬 음은 어떻게 발생되는가?	일반철도의 전차가 콘크리트 고가교의 장대레일 구간을 주행하는 경우에 선로연변 소음은 주로 전동음, 구조물 음 및 주전동기의 팬(fan)음으로 구성된다. 주전동기 팬 음은 전동차에 탑재된 모터를 냉각하기 위한 공력음이다. 외선형 팬(주전동기의 냉각용 팬이 모터프레임의 외측에 있는 타입)을 탑재한 전차(78.
	철도소음의 음원으로 무엇이 있는가?	철도소음의 음원에는 다음과 같은 것이 있다. 차륜이 레일 위를 굴러갈 때에 생기는 전동음, 전차나 기동차에 탑재된 구동장치나 톱니바퀴에서 나는 음, 철교나 콘크리트 고가교 등에서 발생되는 구조물 음, 또한 고속으로 주행하는 고속철도차량에서 발생되는 공력소음 등이 있으며, 그 음원이 다기에 걸쳐 있다. 그러면 철도선로연변에서의 소음을 효과적으로 저감하기 위해서는 어떻게 하면 좋은가? 그것은 선로연변에서의 소음에 대해 큰 영향을 가진 음원을 파악하여 그 음원에 대하여 대책을 실시하는 것이다.
	일반철도에서는 평지의 직선 장대레일 구간을 전차가 주행할 경우, 철도소음의 구성은 어떻게 되는가?	철도소음은 궤도나 차량을 구성하는 여러가지 요소에서 발생된다. 일반철도에서는 평지의 직선 장대레일 구간을 전차가 주행할 경우에 주전동기 팬 음과 전동음으로 구성된다. 특히 최근의 차량에서는 주전동기 팬의 음이 대폭 저감되어 소음전체에서 전동음의 기여도가 크다.

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