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문제 정의
- 일반적으로 단일패널이 시공되고 있으나 이를 이중패널로 구성할 경우 단일패널과는 다른 차음특성을 가지게 되므로2) 더 뛰어난 차음성능을 기대할 수 있다. 이에 본 연구에서는 단일패널 또는 공기층이 존재하는 이중패널로 구성될 경우의 음향투과손실을 평가하였다. PC와 PMMA 외에도 polypropylene (PP)와 high-density polyethylene (HDPE)는 폴리머계 재료로써 다양한 상품의 재료로 많이 사용되고 있어 위 4개의 재료의 차음특성을 평가하였다.
제안 방법
- 7) 실험체는 실험설치용 개구부에 설치한 후 석고보드와 글라스울을 이용하여 실험체틀과 실험체 사이의 틈새를 씰링하여 실험하였다. 음원용과 수음용 잔향실의 체적은 각각 57, 52 m3이며, 이는 KS F 2860 건물 및 건물부재의 차음성능 측정방법-건물부재의 차음성능 표준 측정실 조건에 준한다.
- 이에 본 연구에서는 단일패널 또는 공기층이 존재하는 이중패널로 구성될 경우의 음향투과손실을 평가하였다. PC와 PMMA 외에도 polypropylene (PP)와 high-density polyethylene (HDPE)는 폴리머계 재료로써 다양한 상품의 재료로 많이 사용되고 있어 위 4개의 재료의 차음특성을 평가하였다. 단일패널과 이중 패널의 경우 모든 물리량을 단순하게 가정한 경우 투과손실에 대한 기본적 이론이 존재하지만 현실적으로 다양한 물리적 변수들을 모두 반영하기에는 제한적이기 때문에 주로 실험결과를 이용한 연구가 보고되었다.
- 7은 이중패널을 구성하는 폴리머 재료별, 두께에 따른 투과손실을 나타낸 것이다. 각 재질별로 3, 4, 5 mm 두께별 투과손실을 실험했으며 PMMA는 5 mm 시험체 데이터의 오류로 결과에서 제외하였다. 실험결과를 보면 1,000 Hz 이하 투과손실이 저하되는 영역을 제외하고 두께가 두꺼울수록 투과손실이 크다.
- 이중층의 경우 3, 4, 5 mm의 두께를 갖는 패널을 이용하였다. 두개의 폴리머 패널 사이에 실리콘 코팅된 금속프레임(두께 4 mm)을 끼워 공기층을 확보한 뒤 우레탄 코팅을 한 철제프레임으로 고정하였다(Fig. 3).
- 2~4) 방음패널의 투과 손실은 패널 재료의 면밀도와 소음원의 주파수와 높은 상관관 계가 있어2) 방음벽 재료와 두께 선택시 소음원 주파수 특성을 고려해야 한다. 따라서 본 연구에서는 폴리머계인 PC, PMMA, PE, HDPP의 두께별, 재질별, 구조별(단일패널과 공기층이 있는 이중패널)음향 투과손실을 실험하여 이들 재료가 방음패널로 사용될 경우 음향 성능을 비교 평가하였다.
- 본 연구에서는 플라스틱 계열 방음패널로 활용 가능한 소재로 PC, PMMA, HDPE, PP의 두께별, 재료별, 구조별 차음성능을 비교하였다. 단일패널의 재질별 투과손실을 비교 해보면 질량법칙에 의해 밀도가 높을수록 투과손실도 커서 PC, PMMA, HDPE, PP 순으로 효율이 좋은 것으로 나타났다.
- 시험체의 두께별, 구조별 차음성능 비교를 위해 재질별로 4 mm, 8 mm 단일패널과 4 mm 이중패널의 투과손실을 비교했다(Fig. 8). 단일패널의 두께별 비교를 보면 모든 재질의 8 mm시험체가 4 mm 시험체의 투과손실에 비해 약 5 dB(A) 이상 크지만 두께가 2배가 됨에 따라 PC와 PE는 5,000 Hz, PMMA와 PP는 4,000 Hz대역에서 투과손실이 저하되어 8 mm시험체가 4 mm시험체의 투과손실보다 작아지는 것을 확인할 수 있었다.
- H이다. 투과손실 음은 100 Hz부터 5 KHz까지 1/3옥타브밴드로 측정하였다.
대상 데이터
- 두 개의 우레탄코팅을 한 철제프레임(1,098 × 1,098 mm) 사이에 패널을 고정하여 단일층 실험체를 준비하였다.
- 실험에 사용한 방음패널의 재료는 PC, PMMA, HDPE, 그리고 PP이다. PC, PMMA, HDPE, PP의 밀도는 각각 1,200, 1,190, 910 그리고 850 kg/m3이다.
- 실험체는 단일층과 이중층구조로 제작되었다(Table 1). 단일층의 경우 각 재료별 4, 8 mm 두께의 패널을 이용하였다.
- PC, PMMA, HDPE, PP의 밀도는 각각 1,200, 1,190, 910 그리고 850 kg/m3이다. 패널의 크기는 가로 세로 각 1,000 mm이며, 두께는 3, 4, 5, 8 mm로 준비하였다. 패널이 관련규격7) 에 비해 작은 크기이므로 측정결과는 시편의 주변 고정조건이나 음장의 국부적 변동에 민감하게 좌우하며 차음성능 자체도 시편의 크기에 따라 달라질 수 있어 분석결과는 각 재질 및 구조별 결과의 상대 비교를 목적으로 하며, 본 실험에 이용된 시편이 실제 도로 방음벽용 방음패널에 적합한지에 대해서는 별도의 실험이 요구된다.
이론/모형
- 투과손실은 KS F 2808:2011 건물부재의 공기전달음 차단 성능 실험실 측정방법에 준하여 평가했다.7) 실험체는 실험설치용 개구부에 설치한 후 석고보드와 글라스울을 이용하여 실험체틀과 실험체 사이의 틈새를 씰링하여 실험하였다.
성능/효과
- 국내에 시공된 방음벽은 금속계 재질과 콘크리트 재질이 주를 이루고 있어 주변경관과의 조화 및 시야확보가 어렵다는 문제가 있다.1) 최근 이러한 문제점을 해결할 수 있고 가공성 및 경량화 측면에서 폴리머계 재질의 방음 패널의 사용이 증가하고 있다.
- 해당 주파수범위 내에서 일치 효과나 공진 등이 발생하여 투과손실이 저하되지 않도록 방음패널을 두께 및 구조를 선택하는 것이 중요하다. 4 mm 두께의 단일패널은 모든 재질에서 해당 주파수 범위 내 투과손실이 저감되는 영역이 없으며, 8 mm 두께의 PC와 HDPE 단일패널도 해당 주파수 범위 내에서 일치효과가 발생하지 않아 투과 손실이 감소하지 않았다. 그러나 8 mm PMMA와 PP 단일 패널은 4,000 Hz에서 일치효과주파수로 판단되는 투과손실 감소영역이 발생되어 해당주파수 대역에서 4 mm 패널 보다 투과손실이 낮았다.
- 9) 본연구결과 4 mm두께의 단일패널은 재료에 상관없이 모두 투과손실기준을 만족하지 못했다. 8 mm 두께의 단일패널은 PP를 제외한 PC, PMMA, HDPE가 500 Hz에서 모두 25 dB(A) 이상의 투과손실을 나타내었고, 1,000 Hz에서는 PC 와 PMMA가 30 dB의 근사치로 방음벽의 성능기준을 만족하는 것으로 확인되었으나 3.1에 언급한 바와 같이 해당 패널은 KS 2808의 규격보다 작아 실험결과를 토대로 기준 만족 여부를 판단할 수는 없다. 반면 4 mm 두께의 이중패널은 500 Hz에서 투과손실이 현저히 낮아지는 현상이 발생되어 방음벽의 성능기준을 만족하지 못했다.
- 8) 측정환경의 온도는 20.0 ± 2.0℃이고 상대습도는 54.0 ± 2.0% R.H이다.
- 9) 본연구결과 4 mm두께의 단일패널은 재료에 상관없이 모두 투과손실기준을 만족하지 못했다. 8 mm 두께의 단일패널은 PP를 제외한 PC, PMMA, HDPE가 500 Hz에서 모두 25 dB(A) 이상의 투과손실을 나타내었고, 1,000 Hz에서는 PC 와 PMMA가 30 dB의 근사치로 방음벽의 성능기준을 만족하는 것으로 확인되었으나 3.
- 단일패널의 두께별 투과손실을 비교해보면 8 mm 단일 패널은 4 mm 단일패널에 비해 투과손실이 약 5~6 dB 정도 컸으나 두께가 2배가 됨에 따라 일치효과 주파수가 낮아져 4,000~5,000 Hz 부근에서 투과손실이 감소하는 영역이 발생 하여 4 mm 단일패널보다 투과손실이 작아지는 것을 알 수 있었다. 구조별 투과손실을 보면 공기층이 있는 4 mm 패널을 이중으로 구성한 실험체는 300 Hz 이하의 주파수에서는 동일한 두께인 8 mm의 단일패널과 효과가 비슷하며, 2,000 Hz 이상의 고주파수 대역에서 8 mm 단일패널에 비해 효과가 매우 뛰어나지만 공명(resonance) 주파수와 인접한 500~ 630 Hz 대역에서 투과손실이 낮아졌다. 이상으로부터, 공기 층을 갖는 이중구조의 방음패널을 도로 방음벽에 적용하고자 할 경우에는 일부 주파수 대역에서의 투과손실을 향상시킬 수 있는 추가적인 대책이 필요할 것으로 판단된다.
- 8). 단일패널의 두께별 비교를 보면 모든 재질의 8 mm시험체가 4 mm 시험체의 투과손실에 비해 약 5 dB(A) 이상 크지만 두께가 2배가 됨에 따라 PC와 PE는 5,000 Hz, PMMA와 PP는 4,000 Hz대역에서 투과손실이 저하되어 8 mm시험체가 4 mm시험체의 투과손실보다 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 coincidence effect로 예상되며 시험체의 두께가 2배가 됨에 따라 coincidence frequency는 두께에 반비례하여 작아지므로 투과손실이 감소하는 주파수가 작아지는 현상이다.
- 단일패널의 재질별 투과손실을 비교 해보면 질량법칙에 의해 밀도가 높을수록 투과손실도 커서 PC, PMMA, HDPE, PP 순으로 효율이 좋은 것으로 나타났다. 단일패널의 두께별 투과손실을 비교해보면 8 mm 단일 패널은 4 mm 단일패널에 비해 투과손실이 약 5~6 dB 정도 컸으나 두께가 2배가 됨에 따라 일치효과 주파수가 낮아져 4,000~5,000 Hz 부근에서 투과손실이 감소하는 영역이 발생 하여 4 mm 단일패널보다 투과손실이 작아지는 것을 알 수 있었다. 구조별 투과손실을 보면 공기층이 있는 4 mm 패널을 이중으로 구성한 실험체는 300 Hz 이하의 주파수에서는 동일한 두께인 8 mm의 단일패널과 효과가 비슷하며, 2,000 Hz 이상의 고주파수 대역에서 8 mm 단일패널에 비해 효과가 매우 뛰어나지만 공명(resonance) 주파수와 인접한 500~ 630 Hz 대역에서 투과손실이 낮아졌다.
- 본 연구에서는 플라스틱 계열 방음패널로 활용 가능한 소재로 PC, PMMA, HDPE, PP의 두께별, 재료별, 구조별 차음성능을 비교하였다. 단일패널의 재질별 투과손실을 비교 해보면 질량법칙에 의해 밀도가 높을수록 투과손실도 커서 PC, PMMA, HDPE, PP 순으로 효율이 좋은 것으로 나타났다. 단일패널의 두께별 투과손실을 비교해보면 8 mm 단일 패널은 4 mm 단일패널에 비해 투과손실이 약 5~6 dB 정도 컸으나 두께가 2배가 됨에 따라 일치효과 주파수가 낮아져 4,000~5,000 Hz 부근에서 투과손실이 감소하는 영역이 발생 하여 4 mm 단일패널보다 투과손실이 작아지는 것을 알 수 있었다.
- 그러나 8 mm PMMA와 PP 단일 패널은 4,000 Hz에서 일치효과주파수로 판단되는 투과손실 감소영역이 발생되어 해당주파수 대역에서 4 mm 패널 보다 투과손실이 낮았다. 또한 4 mm 두께의 이중패널은 모든 재질이 500 Hz대역에서 resonance frequency로 판단되는 투과손실 감소영역이 발생되어 4 mm 단일패널보다 투과 손실이 낮았다.
- 각 재질별로 3, 4, 5 mm 두께별 투과손실을 실험했으며 PMMA는 5 mm 시험체 데이터의 오류로 결과에서 제외하였다. 실험결과를 보면 1,000 Hz 이하 투과손실이 저하되는 영역을 제외하고 두께가 두꺼울수록 투과손실이 크다. 투과손실이 저하되는 1,000 Hz 이하의 주파수대역을 식 (3)에 의해 계산된 Table 2의 이중 패널의 resonance frequency와 비교하였다.
후속연구
- 구조별 투과손실을 보면 공기층이 있는 4 mm 패널을 이중으로 구성한 실험체는 300 Hz 이하의 주파수에서는 동일한 두께인 8 mm의 단일패널과 효과가 비슷하며, 2,000 Hz 이상의 고주파수 대역에서 8 mm 단일패널에 비해 효과가 매우 뛰어나지만 공명(resonance) 주파수와 인접한 500~ 630 Hz 대역에서 투과손실이 낮아졌다. 이상으로부터, 공기 층을 갖는 이중구조의 방음패널을 도로 방음벽에 적용하고자 할 경우에는 일부 주파수 대역에서의 투과손실을 향상시킬 수 있는 추가적인 대책이 필요할 것으로 판단된다.
- 패널의 크기는 가로 세로 각 1,000 mm이며, 두께는 3, 4, 5, 8 mm로 준비하였다. 패널이 관련규격7) 에 비해 작은 크기이므로 측정결과는 시편의 주변 고정조건이나 음장의 국부적 변동에 민감하게 좌우하며 차음성능 자체도 시편의 크기에 따라 달라질 수 있어 분석결과는 각 재질 및 구조별 결과의 상대 비교를 목적으로 하며, 본 실험에 이용된 시편이 실제 도로 방음벽용 방음패널에 적합한지에 대해서는 별도의 실험이 요구된다.
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