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문제 정의
- 그러므로 본 연구는 건설현장에서 발생하는 소음을 줄이고, 기존의 수동적인 소음관리방식의 한계점을 극복하기 위한 방법으로 건설현장에서 발생하는 소음을 저감하기 위한 능동소음제어 관리모델을 제안하는 것을 목적으로 한다.
- 그러나 기존의 소음관리 방식으로 현장에서 발생하는 소음을 효과적으로 제어하는 데 한계가 있다. 그러므로 본 연구는 능동소음제어를 건설현장에 도입하여 기존의 수동적인 소음관리방식의 한계점을 보완하고, 건설현장에서 발생하는 소음을 저감하기 위한 능동소음제어 관리모델을 제안하였다.
- 능동소음제어의 건설현장 적용타당성을 검토하고, 구체적으로 어떤 장비와 공종에 능동소음제어와 관리모델이 효과적으로 적용할 수 있는지를 확인하기 위하여 시뮬레이션 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 시뮬레이션 실험을 통하여 능동소음제어의 적용성을 검토하였고, 능동소음제어 시뮬레이션의 결과는 다음과 같다.
가설 설정
- 본 연구에서는 소음이 확산되는 것을 막고, 능동소음제어의 성능을 극대화하기 위하여 소음이 발생한 위치에 최대한 근접한 지점에서 단일채널방식으로 능동소음제어를 적용한다는 가정을 바탕으로 실험을 수행하였다.
제안 방법
- (1) 건설소음으로 인해 분쟁이 제기되는 사례에 대해서 조사하고, 문헌고찰과 전문가 면담을 통하여 민원이 많이 발생하는 공종 및 장비에 대하여 파악한다.
- (2) (1)의 결과를 바탕으로 기존 소음관리방식의 문제점과 개선방안에 대하여 조사하고, 저주파 소음이 인체에 미치는 영향과 그 해결책에 대하여 조사한다.
- (2) 각 시스템 간에 전달되는 신호의 일관성을 확보하기 위해서 ANC Calibration7)과정을 수행하고, 시뮬레이션의 결과값과 능동소음제어를 적용한 장비의 실제 측정값을 비교하고, 두 결과값이 최대한 유사하도록 계속해서 능동소음제어 시뮬레이션을 수행한다.
- (3) 능동소음제어에 대한 국내외 선행연구를 고찰하고, 타 산업에서 시도되는 능동소음제어 기술의 적용현황과 사례를 조사한다.
- (6) ANC Simulation : 전 단계의 ANC Calibration과정을 바탕으로 실제 시뮬레이션을 진행하고, 어느 정도의 소음감쇄효과를 거둘 수 있는 지를 파악한다.
- (6) 능동소음제어 시뮬레이션을 수행하고, 능동소음제어를 적용하기 전과 후의 소음레벨을 비교한다.
- 4와 같은 과정을 거쳐 실험을 진행하였다. MTF, STF, EC analysis의 Coherence grade가 모두 9.2이상으로 각 시스템 간의 연결이 일관성이 있다는 결과를 도출한 뒤, ANC 시뮬레이션을 진행하였다.
- 능동소음제어 시뮬레이션을 통하여 각 장비마다 어느 정도의 소음상쇄효과가 있는지를 확인한다. 우선, 시스템을 조정하여 참조마이크로폰과 제어음원, 에러마이크로폰 사이의 신호의 일관성을 확보한 후, 시뮬레이션을 진행한다.
- 제어대상의 종류를 파악한 후, 소음에 의한 피해를 줄이기 위하여 발생원, 전파경로, 수음점 등의 어떠한 위치에서 능동소음제어를 실행하는 것이 적절한 가에 대하여 판단한 후, 제어위치를 결정한다. 또한 어느 범위까지 소음이 미치는 영향을 줄일 것인가를 결정한 후, 그에 따라 적합한 능동소음제어의 방식을 결정한다.
- 능동소음제어 시뮬레이션을 통하여 각 장비마다 어느 정도의 소음상쇄효과가 있는지를 확인한다. 우선, 시스템을 조정하여 참조마이크로폰과 제어음원, 에러마이크로폰 사이의 신호의 일관성을 확보한 후, 시뮬레이션을 진행한다.
- 그러므로 각 시스템이 일관된 신호를 전송하지 못한다면, 능동소음제어의 성능이 저하되거나, 보강간섭으로 인하여 소음레벨이 증가하게 된다. 이를 위해서 ANC Calibration과정을 수행하고, 시스템 간의 일관성을 나타내는 지표인 Coherence grade가 9.2이상이 되도록 MTF, STF, EC analysis의 각 단계마다 Coherence grade8)가 9.2이상이 될 때까지 ANC Calibration을 반복하여 진행한다. Fig.
- 전 단계에서 도출된 우선순위에 따라 발생원, 수음점, 전파경로 대책을 종합하여 다각적인 검토를 통하여 소음계획을 수립한다. 또한 소음에 대한 전반적인 계획은 실현가능성과 저감효과, 비용을 고려하여 가장 적절한 방법을 선택하는 것이 바람직하다.
- 제어대상의 종류를 파악한 후, 소음에 의한 피해를 줄이기 위하여 발생원, 전파경로, 수음점 등의 어떠한 위치에서 능동소음제어를 실행하는 것이 적절한 가에 대하여 판단한 후, 제어위치를 결정한다. 또한 어느 범위까지 소음이 미치는 영향을 줄일 것인가를 결정한 후, 그에 따라 적합한 능동소음제어의 방식을 결정한다.
대상 데이터
- 공정계획이나 도면, BIM정보로부터 건설장비의 사용일정과, 장비의 사용위치, 작업에 필요한 장비의 대수에 관한 데이터를 수집한다. 이러한 데이터는 소음예측을 위한 기초가 되는 자료로서 시간대별, 공종별로 실제 수행될 공사일정에 부합하는 데이터여야 한다.
- 능동소음제어 실험은 Silentium사의 S-cube development kit, S-fan90덕트, 소음측정기(TES1350A), 스피커 1대, 노트북 1대를 이용하였다.
- 본 연구는 공사장 소음으로 인한 민원이 많이 발생할 가능성이 있는 도심지의 건설현장에서 기계장비와 공사작업에 의해서 발생하는 소음을 대상으로 한다.
데이터처리
- (8) ANC Evaluation : 실제 ANC를 적용하였을 때의 S-fan90을 통하여 나오는 장비의 소음레벨을 측정하고, 시뮬레이션 값과 비교한다.
성능/효과
- (7) 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 능동소음제어를 적용할 수 있는 건설장비와 공종를 파악하고, 능동소음제어의 건설현장 적용가능성과 타당성을 검증한다.
- 1) 능동소음제어의 성능은 대략 1000Hz이하의 주파수 대역에서 높은 효과를 확인할 수 있었고, 주파수 대역이 높아질수록 소음상쇄의 효과가 감소하는 것을 확인하였다.
- 2) 장비별로는 어스오거, 굴삭기, 진동롤러, 덤프트럭과 같이 엔진의 회전에 의한 소음이 지배적인 건설장비에서 약 10dBA정도의 높은 소음상쇄효과를 보였다.
- 3) 브레이커, 항타기, 잭해머와 같이 충격음이 주를 이루는 건설장비에 있어서는 2.1dBA~5.9dBA정도의 효과가 있었고, 다른 건설장비에 비해 낮은 소음상쇄효과를 보였다.
- 4) 공종별로 살펴보면, 소음관련 민원이 많이 발생한 지반정지공사, 기초공사, 콘크리트공사와 같은 공종에서 높은 소음상쇄성능을 확인할 수 있었다. 특히 지반정지공사의 경우, 장비에 따라 7.
- ANC 과정을 거친 후, 잭해머의 소음을 측정하였을 때, 소음레벨은 78.3dBA~80.3dBA정도로 ANC를 적용하기 전의 소음레벨인 83.6dBA~86.1dBA과 비교했을 때, 약 5dBA의 소음상쇄효과를 보였다. 이처럼 시뮬레이션 값에 비해서 실제 능동소음제어의 성능이 떨어지는 것은 주변의 배경소음을 포함한 환경적인 제약이 존재하고, 또한 항타기와 같은 충격성 소음을 발생하는 건설장비는 고주파 대역의 소음이 주를 차지하고 있기 때문이다.
- 다른 건설장비와 마찬가지로 1000Hz이하의 대역에서 능동소음제어의 성능이 뛰어나고, 주파수 대역이 증가할수록 상쇄효과가 감소하는 것을 확인할 수 있다. ANC을 적용한 후, 어스오거의 소음을 측정한 결과 소음레벨은 68dBA~71.6dBA로 ANC를 적용하기 전의 소음레벨인 78dBA~79.4dBA과 비교하였을 때, 약 8~10dBA정도의 소음상쇄효과가 있는 것을 파악되었다.
- 건설장비별로 ANC의 효과를 보면, 대부분의 건설장비에서 7dBA이상의 저감효과가 있는 것으로 분석되었고, 이는 평균적으로 10dBA정도의 소음감소효과를 갖는 방음벽과 비교하여도 비슷한 수치이다. 특히 어스오거, 진동다짐기, 진동롤러, 공기압축기, 덤프트럭, 굴삭기와 같은 장비에 있어서 능동소음제어의 효과가 비교적 높은 것으로 파악되었다.
- 공종별로 살펴보면, 소음관련 민원이 많이 발생한 지반정지공사, 기초공사, 콘크리트공사와 같은 공종에서 높은 소음상쇄성능을 확인할 수 있었다. 특히 지반정지공사의 경우, 장비에 따라 7.
- 실험의 결과, 1000Hz이하의 중·저주파 대역에서는 효과적인 소음상쇄효과를 확인할 수 있었다. 그러나 주파수 대역이 증가할수록 상쇄효과가 둔화되었고, 8000Hz이상의 고주파 대역에서는 소음의 상쇄가 거의 나타나지 않음을 확인하였다. 또한 시뮬레이션을 통해 얻은 최적값과 실제로 ANC과정을 거쳐 반대주파수의 소음을 내보낸 뒤, S-fan덕트를 통하여 나오는 건설장비의 소음을 측정하였을 때의 결과가 0.
- 5는 어스오거를 대상으로 한 ANC 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 다른 건설장비와 마찬가지로 1000Hz이하의 대역에서 능동소음제어의 성능이 뛰어나고, 주파수 대역이 증가할수록 상쇄효과가 감소하는 것을 확인할 수 있다. ANC을 적용한 후, 어스오거의 소음을 측정한 결과 소음레벨은 68dBA~71.
- 그러나 주파수 대역이 증가할수록 상쇄효과가 둔화되었고, 8000Hz이상의 고주파 대역에서는 소음의 상쇄가 거의 나타나지 않음을 확인하였다. 또한 시뮬레이션을 통해 얻은 최적값과 실제로 ANC과정을 거쳐 반대주파수의 소음을 내보낸 뒤, S-fan덕트를 통하여 나오는 건설장비의 소음을 측정하였을 때의 결과가 0.4dBA에서 많게는 10.5dBA정도의 차이가 있었다. 이처럼 ANC 실제측정값이 ANC 시뮬레이션 값에 비해 저하되는 결과를 보인 것은 컴퓨터상에서 이루어지는 시뮬레이션은 주변환경과 배경소음과 같은 요소들을 배제하고, 단지 건설장비의 소음과 반대소음 간의 관계만을 고려하여 도출된 이상적인 값이기 때문이다.
- 실험의 결과, 1000Hz이하의 중·저주파 대역에서는 효과적인 소음상쇄효과를 확인할 수 있었다.
- 이에 반해서 록브레이커, 잭해머, 펌프카, 천공기와 같이 충격음을 발생하는 장비에 있어서는 2.1dBA~5.9dBA정도의 감소효과가 있었고, 다른 장비에 비해 다소 떨어지는 결과를 얻었다. 또한 실험 중에 보강간섭이 일어나 오히려 소음 레벨이 증가하는 경우도 종종 발생하였다.
- 건설장비별로 ANC의 효과를 보면, 대부분의 건설장비에서 7dBA이상의 저감효과가 있는 것으로 분석되었고, 이는 평균적으로 10dBA정도의 소음감소효과를 갖는 방음벽과 비교하여도 비슷한 수치이다. 특히 어스오거, 진동다짐기, 진동롤러, 공기압축기, 덤프트럭, 굴삭기와 같은 장비에 있어서 능동소음제어의 효과가 비교적 높은 것으로 파악되었다. 이러한 결과는 위의 건설장비들이 발생하는 소음이 저주파 에너지를 다수 포함하고 있기 때문이다.
후속연구
- 본 실험의 결과는 능동소음제어 관리모델을 위한 기초자료로서, 능동소음제어를 건설현장에 적용할 때 적절한 건설장비의 선정에 대한 근거로 활용될 수 있을 것이다. 그러나 본 실험은 단일채널방식으로 진행되었기 때문에 다수의 스피커와 마이크로폰을 이용한 다채널방식에 비해서 능동소음제어의 성능에 한계가 있다. 그리고 장비소음을 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션 하였기 때문에 스피커 성능에 따라 측정값에 다소 차이가 있을 수 있다.
- 능동소음제어의 이론을 토대로 시스템을 적절히 배치하고, 일련의 프로세스를 구축하여 건설현장에 능동소음제어를 적용한다면 만족할만한 수준의 소음상쇄의 효과를 얻을 수 있을 것이라 기대한다.
- 그리고 장비소음을 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션 하였기 때문에 스피커 성능에 따라 측정값에 다소 차이가 있을 수 있다. 또한 배경소음과 주변 상황, 실험환경 등이 실제의 건설현장과 차이가 있으므로, 추후 실제와 비슷한 환경을 바탕으로 정밀한 주파수 분석과 다채널방식을 이용하여 실험을 진행한다면 건설장비의 능동소음제어 효과는 더욱 증가할 것이라 기대한다.
- 또한 단일채널방식으로 실험을 진행하였기 때문에 다채널방식에 비해서 능동소음제어의 성능에 한계가 있었고, 또한 구형으로 방사되는 소음이 아니라, S-90fan덕트를 통하여 나오는 소음을 측정하였기 때문에 실제 환경과는 다소 차이가 있다. 보다 실질적인 결과를 얻기 위해서는 실제 환경과 유사한 조건에서의 추가적인 실험이 필요하고, 실험장비와 시뮬레이션에 있어서 좀 더 세밀한 과정이 요구된다. 추후 건설현장에서 능동소음제어의 적용성 향상을 위한 추가적인 연구가 필요하다.
- 본 실험의 결과는 능동소음제어 관리모델을 위한 기초자료로서, 능동소음제어를 건설현장에 적용할 때 적절한 건설장비의 선정에 대한 근거로 활용될 수 있을 것이다. 그러나 본 실험은 단일채널방식으로 진행되었기 때문에 다수의 스피커와 마이크로폰을 이용한 다채널방식에 비해서 능동소음제어의 성능에 한계가 있다.
- 본 연구의 결과는 건설현장에서 발생하는 소음을 저감하고, 민원의 발생을 감소시킴은 물론 쾌적한 환경을 조성함으로써, 삶의 질을 향상시키는데 기여할 것이라 기대한다.
- 본 연구의 한계점은 실제사례를 적용해보는 과정을 거치지 않았기 때문에 능동소음제어를 통해서 건설현장에서 어느 정도의 소음이 상쇄되는지와 그로 인하여 인근 지역주민의 스트레스를 줄이는데 어떠한 영향을 주는지에 대한 연구가 부족하다. 또한 단일채널방식으로 실험을 진행하였기 때문에 다채널방식에 비해서 능동소음제어의 성능에 한계가 있었고, 또한 구형으로 방사되는 소음이 아니라, S-90fan덕트를 통하여 나오는 소음을 측정하였기 때문에 실제 환경과는 다소 차이가 있다.
- 이러한 결과는 위의 건설장비들이 발생하는 소음이 저주파 에너지를 다수 포함하고 있기 때문이다. 앞으로 건설현장에 능동소음제어를 도입함에 있어서 다수의 건설장비에 적용가능성이 높을 것으로 판단된다.
- 능동소음제어를 이용하여 공사 중에 발생하는 소음을 저감하기 위해서는 소음원의 크기와 제어음원의 크기가 균형을 이루어야 한다(Scott D 2000). 제어음원의 크기에 비하여 소음원의 크기가 훨씬 크다고 가정한다면 제어음원이 미치는 범위 내에서만 효과가 있고, 넓은 지역에서 음압을 저감하는데 한계가 있을 것이다. 이와 반대로 제어음원의 크기가 소음원에 비하여 너무 크다면 다른 지역에서 발생한 소음과 합쳐져 보강간섭이 일어날 위험이 존재한다.
- 보다 실질적인 결과를 얻기 위해서는 실제 환경과 유사한 조건에서의 추가적인 실험이 필요하고, 실험장비와 시뮬레이션에 있어서 좀 더 세밀한 과정이 요구된다. 추후 건설현장에서 능동소음제어의 적용성 향상을 위한 추가적인 연구가 필요하다. 이를 통하여 건설현장에서 발생하는 다양한 복합소음을 효과적으로 저감함과 동시에 민원발생으로 인한 공사지연 및 중단, 배상금 지급과 같은 현상을 줄임으로써 시간적, 경제적 낭비요소를 최소화하고, 공사가 일정에 맞게 진행될 수 있도록 한다.
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