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문제 정의
- 본 연구에서는 일반적으로 많이 사용되는 잔향시간 및 음악명료도 등의 실내음향지표를 이용하여 객석의 음향성능을 평가하였다. 본 연구에서 사용한 각 평가지표의 정의는 표 2와 같다.
제안 방법
- 본 연구에서 사용한 각 평가지표의 정의는 표 2와 같다. ISO 3382-1 [20]에 정의되어 있는 RT, EDT, C80 등에 추가하여 본 연구에서는 확산의 영향을 다각도로 평가하기 위해 임펄스 리스펀스의 자기상관함수 (Autocorrelation function, ACF)로부터 계산되는 Temporal diffusion (TD) [21]을 이용하여 음장을 평가하였다. TD은 식 (1)과 같이 ACF의 기준점에서 첫번째 피크의 진폭 (Φ1(0))과 두 번째 최대 피크의 진폭(max(Φ2))의 비율로서, 개념적으로는 일차반사음이 유효반사면에 의해 얼마나 많이 변형되었는지를 나타낸다.
- 각 음향지표별 확산체의 영향을 살펴보기 위해 그림 7과 같이 확산체 설치량에 따른 음향지표의 분포를 평균과 최대/최소값을 표시하여 나타내었다.
- 각 측정 케이스별로 설치된 확산체의 개수가 달랐기 때문에 이에 대한 정량적인 표현을 위해 중주파수대역 (500에서 1,000 Hz)에서의 실내총흡음력 (AT)과 실내총확산력 (ST)을 계산하였다. 식 (2)와 같이 각 표면의 면적과 잔향실에서 측정한 확산체 부착판의 중주파수대역 평균 흡음율을 곱하여 총흡음력을 계산하였고, 마찬가지 방법으로 식 (3)과 같이 각 표면의 면적과 확산계수를 곱하여 총확산력을 계산하였다.
- 따라서 본 연구에서는 600석 규모의 홀을 1:25 축소모형으로 제작하여 확산체 설치위치에 따른 음질의 변화를 실내음향 측정을 통해 평가하였다. 확산체 설치에 따른 음장의 변화는 일반적인 실내음향지표인 잔향시간, 초기감쇠시간, 명료도, 음압레벨, 초기반사음지연시간과 더불어 임펄스 리스펀스의 자기상관함수로부터 계산되는 Temporal Diffusion을 이용하여 평가하였다.
- 따라서 본 연구에서는 여섯 가지 실내음향 지표(RT, EDT, C80, LL, Δt1, Ts)와 ACF로부터 구한 Temporal diffusion으로 확산체 설치에 따른 실내음장의 변화를 측정하였다.
- 5 mm)내외에서 가장 높은 값을 나타냈으며, 그림 1의 (b)에서와 같이 점유비율이 50 %에서 60 %일 때 가장 높은 값을 나타냈다. 따라서 본 연구에서는 중주파수대역에서 높은 확산효과를 유도하기 위해 1/25축척의 축소모형 벽체에 높이 7.5 mm의 반구 확산체를 50 %의 밀도로 설치하였다.
- 확산체 설치에 따른 음장의 변화는 일반적인 실내음향지표인 잔향시간, 초기감쇠시간, 명료도, 음압레벨, 초기반사음지연시간과 더불어 임펄스 리스펀스의 자기상관함수로부터 계산되는 Temporal Diffusion을 이용하여 평가하였다. 또한 실험실에서 측정한 확산체의 확산계수와 설치량과 관련하여 현장 확산도를 제안하였다. 축소모형을 통한 음향예측은 컴퓨터 시뮬레이션에서 갖는 한계점을 보완하여 직접 모형의 제작 및 설치를 통해 그 음향적인 효과를 평가할 수 있는 장점이 있다 [12-14].
- 25 정도 증가하였다. 만석 상태를 재현하기 위해 철제 의자틀, 발포폴리스티렌 관객모형과 흡음천을 이용하여 객석 의자를 제작하고 흡음률을 측정하였다 [19,20]. 그 결과, 목표로 한 실물 축척의 만석시 의자의 흡음율과 비교하여 유사한 흡음률을 재현하였다.
- 반구확산체의 단일수치 확산계수는 이전 연구결과 [7,16]에 따라 500 Hz에서 3,150 Hz까지의 주파수대역별 평균값을 사용하였다. 평균 확산계수는 그림 1의 (a)에서와 같이 반구의 높이가 200 mm (1:25 축척에서 7.
- 본 연구에서는 Δt1을 직접음 이후 최초 반사음이 아니라 최대음압의 일차반사음과의 시간차로 정의하였다.
- 공연장 음향설계에 있어서 적절한 음향적 처치를 위한 가이드라인의 구축은 산업적 측면뿐만 아니라 학술적 측면에서도 중요한 작업이다. 본 장에서는 이전 III장에서 논의된 각 지표별 확산체의 영향을 토대로 확산체 부착 위치별로 그 영향요소에 대해 조사하였다. 여기에서 Δ로 표시하는 실내음향 지표의 변화량은 확산체 미부착시의 측정결과와 비교하여 특정 부위에 확산체를 설치하였을 때 각 지표가 변화한 양을 의미한다.
- 음원으로 무대 선단 중앙에서 1 m 뒤로 떨어진 지점에 고압전기 스파크 소스를 설치하였으며, 1/8” 마이크로폰 (B&K)을 이용하여 1, 2층 객석 46지점과, 음원에서 1 m 떨어진 곳 (축소모형에서는 4 cm)에 음압레벨 보정을 위한 레퍼런스 1/8” 마이크로폰을 설치하여 동시에 수음하였다.
- 축소모형 홀의 음향지표의 유효성을 비교하기 위해 동일한 치수와 흡음률, 확산율 자료로 컴퓨터 모델링하여 음향 시뮬레이션 프로그램으로 음향지표를 예측하였다. 그 결과, 만석시 잔향시간이 중주파 대역 (500에서 1,000 Hz 평균)에서 1.
- 본 연구에서의 확산체에 의한 음장 측정은 중주파수 대역의 음향지표만을 대상으로 하였고, 이에 따라 축소모형의 재료는 중주파수 대역의 흡음률 특성이 실제와 최대한 유사하도록 표 1과 같이 선정하였다. 축소모형의 주요 구조체는 콘크리트의 낮은 흡음률을 재현하기 위해 발포폴리스티렌보드, 라이싱 보드와 하드보드를 밀착하여 밑판을 단단하게 만들고 표면에 흰색 에나멜 페인트를 2회 도장하였다. 또한 그 위에 반구확산체를 50 %의 점유비율로 설치하여 흡음율을 측정하였으며, 그 결과 중주파 대역에서 흡음률이 약 0.
- 축소모형의 측정은 무대 위에 오케스트라 쉘을 설치한 콘서트 모드 상태에서 진행하였으며, 각 수음점에서 녹음한 임펄스 리스펀스로부터 음향 지표를 도출하였다. 음원으로 무대 선단 중앙에서 1 m 뒤로 떨어진 지점에 고압전기 스파크 소스를 설치하였으며, 1/8” 마이크로폰 (B&K)을 이용하여 1, 2층 객석 46지점과, 음원에서 1 m 떨어진 곳 (축소모형에서는 4 cm)에 음압레벨 보정을 위한 레퍼런스 1/8” 마이크로폰을 설치하여 동시에 수음하였다.
- 확산면과 비확산면의 구분을 위해 표 1의 벽체부재료와 같이 동일한 크기의 반구확산체를 일정한 점유비율로 부착하였다. 확산체 부착 위치는 그림 6과 같이 크게 측벽(Lateral wall, W), 발코니전면(Balcony front, BF), 천장반사판(Ceiling reflector, CR)의 세 부분으로 구분하였으며, 측벽은 다시 발코니 오버행의 유무에 따라 상부 오버행이 없는 프로세니엄쪽 측벽(W1), W1에 오버행지점을 포함한 측벽 (W2)과 측벽 전체 (Wall)의 세 구역으로 재구분하였다.
- 확산면과 비확산면의 구분을 위해 표 1의 벽체부재료와 같이 동일한 크기의 반구확산체를 일정한 점유비율로 부착하였다. 확산체 부착 위치는 그림 6과 같이 크게 측벽(Lateral wall, W), 발코니전면(Balcony front, BF), 천장반사판(Ceiling reflector, CR)의 세 부분으로 구분하였으며, 측벽은 다시 발코니 오버행의 유무에 따라 상부 오버행이 없는 프로세니엄쪽 측벽(W1), W1에 오버행지점을 포함한 측벽 (W2)과 측벽 전체 (Wall)의 세 구역으로 재구분하였다. 확산체 부착위치의 조합에 따라 확산체를 부착하지 않는 경우(No diffuser, NO)를 포함하여 다음과 같이 8가지 케이스에서 측정을 진행하였다.
- 확산체 부착 위치는 그림 6과 같이 크게 측벽(Lateral wall, W), 발코니전면(Balcony front, BF), 천장반사판(Ceiling reflector, CR)의 세 부분으로 구분하였으며, 측벽은 다시 발코니 오버행의 유무에 따라 상부 오버행이 없는 프로세니엄쪽 측벽(W1), W1에 오버행지점을 포함한 측벽 (W2)과 측벽 전체 (Wall)의 세 구역으로 재구분하였다. 확산체 부착위치의 조합에 따라 확산체를 부착하지 않는 경우(No diffuser, NO)를 포함하여 다음과 같이 8가지 케이스에서 측정을 진행하였다.
대상 데이터
- 대상 홀은 600석 규모의 슈박스 (shoebox)형 다목적 공연장이며, 무대부를 포함한 객석부 용적은 약 5,000 m3이고, 그림 2와 같이 2개 층의 중앙객석과 측벽의 발코니석이 설치되어있다. 축소모형은 오케스트라 쉘과 천장반사판을 포함하여 제작되었으며, 상사의 법칙에 따른 각 부재 흡음률을 고려하여 모형 재료를 선정하였다.
- 초기 계획단계에서 공연장의 평면은 측벽의 퍼진 각도, 측벽간 평균 거리, 길이와 폭의 치수비 등 다각적으로 검토된다. 본 연구에서 사용된 프로세니엄 아치가 설치된 직사각형 평면의 공연장은 19세기부터 콘서트홀 등의 전형적인 형태로서 자리를 잡았다. 직사각형 평면에서 빈번히 지적되는 대향벽 요소는 에코 및 음색의 변형 등 많은 음향적 결함을 내포하고 있다고 알려져 있다.
- 본 연구에서의 확산체에 의한 음장 측정은 중주파수 대역의 음향지표만을 대상으로 하였고, 이에 따라 축소모형의 재료는 중주파수 대역의 흡음률 특성이 실제와 최대한 유사하도록 표 1과 같이 선정하였다. 축소모형의 주요 구조체는 콘크리트의 낮은 흡음률을 재현하기 위해 발포폴리스티렌보드, 라이싱 보드와 하드보드를 밀착하여 밑판을 단단하게 만들고 표면에 흰색 에나멜 페인트를 2회 도장하였다.
- 이고, 그림 2와 같이 2개 층의 중앙객석과 측벽의 발코니석이 설치되어있다. 축소모형은 오케스트라 쉘과 천장반사판을 포함하여 제작되었으며, 상사의 법칙에 따른 각 부재 흡음률을 고려하여 모형 재료를 선정하였다. 재료의 흡음률은 ISO 354에 따라 1/10 축소 잔향실에서 전기 스파크 음원과 1/8″마이크를 이용하여 측정하였다 [17,18].
데이터처리
- 00). 각 실내음향 지표는 각 측정케이스에서 중주파수대역의 측정값을 전 측정지점 (46개)에서 평균하였다. 확산체를 추가로 설치하지 않은 축소모형 홀의 평균잔향시간은 1.
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 반구확산체의 성능은 이전 연구 [5-7]를 통해 ISO 17497-1에 규정되어 있는 잔향실에서 난입사 측정방법론 [6]에 따라 확산계수(scattering coefficient, δ)를 측정하여 평가하였다.
- 1930년대부터 시작된 축소모형 모델링은 확산 및 회절현상을 고려한 자연음의 거동을 반영하기 때문에 현재까지도 공연장의 음향평가를 위해 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 1:25 축척의 홀 모형이 사용되었다. 2000년에 Barron [17]은 1:25 축척에서 객석의자의 흡음률 재현에 대해 연구하였으며, Jeon과 Barron [17]은 2005년 1:25 축척의 무대모형을 통해 무대음향지표를 측정하였다.
- 재료의 흡음률은 ISO 354에 따라 1/10 축소 잔향실에서 전기 스파크 음원과 1/8″마이크를 이용하여 측정하였다 [17,18].
- 따라서 본 연구에서는 600석 규모의 홀을 1:25 축소모형으로 제작하여 확산체 설치위치에 따른 음질의 변화를 실내음향 측정을 통해 평가하였다. 확산체 설치에 따른 음장의 변화는 일반적인 실내음향지표인 잔향시간, 초기감쇠시간, 명료도, 음압레벨, 초기반사음지연시간과 더불어 임펄스 리스펀스의 자기상관함수로부터 계산되는 Temporal Diffusion을 이용하여 평가하였다. 또한 실험실에서 측정한 확산체의 확산계수와 설치량과 관련하여 현장 확산도를 제안하였다.
- 후벽에 가까운 측벽의 확산체만의 효과를 검증하기 위해 3.2장에서 언급한 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 이용하였다. Wall과 W2의 겹치지 않는 부분을 W3로 정의하였다.
성능/효과
- )에서는 확산체를 설치하지 않은 경우 (NO)와 비교하여 상대적으로 C80의 분포 범위가 작아지는 것을 알 수 있다. (NO: 8.3 dB, W1: 5.5 dB, Wall: 5.0 dB, BF+Wall: 5.4 dB) 천장반사판에만 확산체를 설치한 경우에도 좌석별 C80는 상대적으로 고르게 나타나지만 (CR: 5.8 dB), 프로세니엄 쪽 측벽과 천장반사판에 동시에 확산체를 설치한 경우에는 오히려 분포 범위가 넓어진 것으로 나타났다 (CR+W1: 7.5 dB). 이것은 무대와 가까운 객석 전면부의 경우 천장반사판과 프로세니엄쪽 측벽의 반사면에 의해 강하게 영향을 받아 확산체 과다설치 시 후기음이 많이 감소되기 때문인 것으로 사료된다.
- RT는 그림 7의 (a)와 같이 총확산력의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타냈으며 (R2 = 0.89), 100 m2의 확산력 증가에 따라 약 0.09 s의 잔향시간이 감소하는 것으로 나타났다. 반면 EDT는 그림 7의 (b)에서와 같이 발코니 전면 (BF)에 확산체가 설치된 두 케이스(BF, BF+Wall)에서는 0.
- 축소모형 홀의 음향지표의 유효성을 비교하기 위해 동일한 치수와 흡음률, 확산율 자료로 컴퓨터 모델링하여 음향 시뮬레이션 프로그램으로 음향지표를 예측하였다. 그 결과, 만석시 잔향시간이 중주파 대역 (500에서 1,000 Hz 평균)에서 1.37 s로 예측되었고, 축소모형 측정 결과 1.33 s로 유사한 수치를 보이는 것을 알 수 있다. 그림 5는 축소모형과 시뮬레이션 모델의 주파수 대역별 잔향시간을 비교한 결과이다.
- 만석 상태를 재현하기 위해 철제 의자틀, 발포폴리스티렌 관객모형과 흡음천을 이용하여 객석 의자를 제작하고 흡음률을 측정하였다 [19,20]. 그 결과, 목표로 한 실물 축척의 만석시 의자의 흡음율과 비교하여 유사한 흡음률을 재현하였다. 그림 3은 제작 완료된 축소 모형의 내부 모습이다.
- 6로 입력하였다. 그 결과, 확산체 없는 경우 (NO)와 비교하여 W3의 음압 (G)은 객석 전체에서 0.19 dB이 증가하였다. 이것은 축소모형에서의 결과인 Wall과 W2를 비교하여 추정할 수 있는 W3에 의한 음압의 증가량인 1.
- 축소모형의 주요 구조체는 콘크리트의 낮은 흡음률을 재현하기 위해 발포폴리스티렌보드, 라이싱 보드와 하드보드를 밀착하여 밑판을 단단하게 만들고 표면에 흰색 에나멜 페인트를 2회 도장하였다. 또한 그 위에 반구확산체를 50 %의 점유비율로 설치하여 흡음율을 측정하였으며, 그 결과 중주파 대역에서 흡음률이 약 0.25 정도 증가하였다. 만석 상태를 재현하기 위해 철제 의자틀, 발포폴리스티렌 관객모형과 흡음천을 이용하여 객석 의자를 제작하고 흡음률을 측정하였다 [19,20].
- 또한 음압레벨의 좌석별 분포도 확산체를 설치했다고 고르게 나타나지 않고 오히려 좌석별 표준편차가 증가하는 것으로 나타났다 (NO: 2.6 dB, BF: 2.5 dB, 다른 측정 케이스들: 2.7 dB에서 3.1 dB). 이것은 EDT에서 논의된 바와 같이 확산체의 설치가 음압레벨의 산정에 주요한 부분인 초기음에너지에는 큰 영향을 주지 않았고, 주요 반사음들이 감쇠되는 것보다는 반사경로가 바뀌는 현상이 주로 발생했기 때문인 것으로 사료된다.
- 25 s로써 초기음의 감쇠가 빨리 진행되는 일반적인 감쇠형상을 보였다. 명료도는 0.3 dB로써 콘서트홀로서 적정한 초기음과 후기음 비율을 갖는 것으로 나타났으며, △t1은 31 ms로 직접음이 적절히 강화되는 것을 알 수 있다. TD은 6.
- 본 실험결과, 측벽면 확산체에 따라 평균 RT가 감소하였고, 평균 G도 감소하는 것으로 나타났다. 하지만 W1과 W2의 경우 평균 EDT는 거의 변화가 없었으며, C80의 좌석별 분포범위가 작아지는 것을 알 수 있었다.
- 2층 중앙에서는 1층 중앙부와 반대의 경향이 나타났고, 2층 측벽 쪽에서는 50 ms 이상 일차반사음이 지연되는 것이 나타났다. 이것으로 확산체 부착에 따른 일차반사음의 방향전환 및 재배치가 활발히 이뤄지고 있는 것을 확인할 수 있으며, 아울러 객석부 특정 위치에서 일관적으로 음향지표가 변하고 있음을 알 수 있다.
- 1 dB 증가한 것을 알 수 있다. 이것의 원인은 본 연구에서 사용된 홀에서 무대와 가까운 측벽의 확산체는 초기에너지 감소를 초래하여 객석부의 음압레벨을 감소시키는데 반해, 후벽에 가까운 측벽의 확산체는 객석후열에서 무대 쪽으로 전파되는 역방향 반사음선을 형성하여 무대 쪽에 가까운 측정지점에서 음압레벨을 보완했던 것으로 사료된다.
- 천장반사판에 부착하는 확산체는 그림 7에서 보이듯이 RT를 제외하고는 확산체 미부착인 경우와 비교하여 각 실내음향 지표의 평균값이 크게 변하지 않았다 (ΔEDT: 0 s, ΔC80: 0 dB, ΔG: -0.6 dB, Δ (Δt1): 8 ms, ΔTs: 0 ms).
- 잔향시간은 앞서 논의된 바와 같이 강한 상관관계로 감소하는 경향을 보이지만 음압레벨을 그렇지 않은 것으로 나타났다. 측정 케이스에 따른 평균 음압레벨의 감소량은 0.5 dB에서 1.6 dB 사이였으며, 총확산력의 증가와는 낮은 상관관계를 보였다 (R2 = 0.09).
- 1 dB와 비교하여 작은 수치이지만, 통계적으로 T-test를 이용해 비교하였을 때 유의수준 95 %에서 유의한 차이를 보이고 있고, 후벽에 가까운 측벽의 경우 확산체를 설치하였을 때 음압이 증가됨을 동일하게 나타나고 있다. 특히, 1층 수음점의 음압만을 평균했을 경우, 0.23 dB이 증가하는 것으로 나타나 무대와 가까운 객석에도 후벽에서의 반사음이 증가한 것으로 나타났다. 따라서 측벽면의 확산체는 초기반사음들과 주로 연관되어 있으며, 객석 후열부에 부착하는 확산체를 이용하여 무대 쪽 확산체에 의해 감소한 음압과 초기감쇠음을 보상할 수 있으리라 사료된다.
- 25의 변화는 크지 않아 보이지만, 리모델링의 관점에서 홀의 형상을 바꾸지 않고도 확산체 설치로 인해 목적하는 바를 달성할 수도 있기 때문에 TD의 임계값과 최소인지한계에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 표 4는 TD의 확산도 평가의 적절성을 위한 다른 실내음향 지표들과의 상관관계를 나타내며, 결과적으로 EDT와 유의한 양의 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 이것으로 EDT가 고려하는 초기반사음들과 TD에서 고려하는두 번째 ACF의 피크가 유사한 공통점을 가지고 있음을 짐작할 수 있다.
- 표 3은 각 측정케이스에 따른 총흡음력과 총확산력 그리고 각 실내음향 지표의 평균값을 나타낸다. 확산체 설치량의 증가에 따라 총흡음력과 총확산력은 선형적으로 증가하였으며 (R = 0.97), 확산력과 흡음력의 거동은 거의 동일한 것으로 나타났다 (R =1.00). 각 실내음향 지표는 각 측정케이스에서 중주파수대역의 측정값을 전 측정지점 (46개)에서 평균하였다.
- 각 실내음향 지표는 각 측정케이스에서 중주파수대역의 측정값을 전 측정지점 (46개)에서 평균하였다. 확산체를 추가로 설치하지 않은 축소모형 홀의 평균잔향시간은 1.33 s이고, 평균초기감쇠시간은 1.25 s로써 초기음의 감쇠가 빨리 진행되는 일반적인 감쇠형상을 보였다. 명료도는 0.
후속연구
- 비록 TD의 좌석별 변화범위인 2.2~4.5에 비하면 확산체 설치에 따른 최대 0.25의 변화는 크지 않아 보이지만, 리모델링의 관점에서 홀의 형상을 바꾸지 않고도 확산체 설치로 인해 목적하는 바를 달성할 수도 있기 때문에 TD의 임계값과 최소인지한계에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 표 4는 TD의 확산도 평가의 적절성을 위한 다른 실내음향 지표들과의 상관관계를 나타내며, 결과적으로 EDT와 유의한 양의 상관관계를 갖는 것으로 나타났다.
- 마찬가지 이유로 확산체 설치에 따른 확산음의 청감평가도 진행할 수 없었다. 현장확산도는 관객이 공간에서 확산체 설치로 인해 더 좋은 소리로 인지할 수 있는 방향으로 제안되어야 하기 때문에, 향후 보다 큰 축척에서의 측정과 청감평가를 통해 제안되어야 할 것이다.
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