[논문]통기형 방음벽의 음향감쇠 특성에 대한 실험적 분석

박찬재; 지용수; 임재현; 한찬훈

doi:10.7776/ask.2016.35.6.491

통기형 방음벽의 음향감쇠 특성에 대한 실험적 분석
An experimental analysis of the sound reduction characteristics of air transparent noise barriers 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.35 no.6, 2016년, pp.491 - 500

박찬재 (충북대학교 건축공학과) , 지용수 ((주)에스코알티에스) , 임재현 ((주)에스코알티에스) , 한찬훈 (충북대학교 건축공학과)

초록
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본 논문에서는 공기를 통과시켜 풍압을 저감하면서 소음을 제어할 수 있는 새로운 개념의 방음벽의 음향감쇠 특성을 분석하였다. 통기형 방음벽의 소음저감 특성을 조사하기 위하여 우선 개구부의 크기 및 공명기의 체적 등을 변화시켜 총 17가지 방음벽 모델의 음향감쇠계수를 측정하였다. 실험결과 공명기의 체적과 개구부의 면적에 따라 음향감쇠계수 값이 달라지고 있으며, 목표 주파수대역(400 ~ 1250 Hz)에서 단일 방음벽보다 이중 방음벽의 음향감쇠계수가 더 높게 나타났다. 이를 통해 개구부 및 공명기의 물리적 특성이 통기형 방음벽의 차음특성에 영향을 미친다는 점을 밝혀냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study describes the acoustical characteristics of the new noise barriers which can control not only noise but also wind pressure by allowing air flow through barriers. In order to investigate the sound reduction index of the air transparent noise barrier, 17 models in total were examined with various size of openings and the volume of the resonators. As a result, it was found that the sound reduction index varies with the volume of the resonator and the area of the openings. Also, it was revealed that double layer of units has more sound reduction index than the single layer of unit at the frequency band from 400 Hz to 1250 Hz. This denoted that physical features of openings and resonators affect the sound reduction index of the air transparent noise barrier.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

[9] 따라서 본 연구에서는 통기형 방음벽의 차음성능이 대한민국 환경부에서 고시한 ‘방음벽의 성능 및 설치기준’을 만족하는지 알아보기 위하여 목표 차음 주파수대역을 400 Hz에서 1250 Hz로 설정하였다.
그러나 현재까지 개발된 통기형 방음벽은 대한민국 환경부에서 제시한 방음판의 성능기준을 만족하지 못하고 있다는 한계를 가지고 있다. 따라서본 연구의 내용을 바탕으로 통기형 방음벽의 지속적인 개선을 진행할 예정이며 이를 통해 실제 현장에 적용 가능한 성능을 확보하고자 한다.
목표 주파수대역의 차음을 위해 설계된 통기형 방음벽의 실제 음향감쇠계수를 평가하기 위하여 실험을 수행하였다. 모든 실험은 KS F 2808:2011^[10]의 건물 부재의 공기전달음 차단 성능 실험실 측정 방법을 준수하여 진행하고 평가 되었으며 보다 정확한 측정을 위하여 국가공인 시험기관인 한국건설생활 시험연구원에 의뢰하여 시험을 수행하였다.
목표 주파수대역의 차음을 위해 설계된 통기형 방음벽의 실제 음향감쇠계수를 평가하기 위하여 실험을 수행하였다. 모든 실험은 KS F 2808:2011^[10]의 건물 부재의 공기전달음 차단 성능 실험실 측정 방법을 준수하여 진행하고 평가 되었으며 보다 정확한 측정을 위하여 국가공인 시험기관인 한국건설생활 시험연구원에 의뢰하여 시험을 수행하였다.
본 논문에서는 공기를 통과시켜 풍하중을 최소화하면서도 높은 방음성능을 갖춘 통기형 방음벽의 음향감쇠 특성을 분석하기 위하여 공명기의 개구부 크기 및 공명기 체적을 변화시킨 뒤 음향감쇠계수를 측정해 분석하였다.
본 논문에서는 크게 개구부의 형상 및 공명기의 체적, 방음벽의 적층 형태에 따른 음향감쇠계수의 변화를 알아보고자 한다. Fig.
본 논문은 현재 개발 중인 통기형 방음벽의 차음 성능을 분석하며 방음벽으로써의 가능성을 제시하고 나아가 개선방안에 대해 논의하는데 그 목적이 있다. 그러나 현재까지 개발된 통기형 방음벽은 대한민국 환경부에서 제시한 방음판의 성능기준을 만족하지 못하고 있다는 한계를 가지고 있다.
본 연구는 방음벽의 구조체가 공기를 통과시킴으로써 표면에서 발생하는 풍압을 현저히 저감시키고 동시에 소음을 제어할 수 있는 새롭고 창의적인 방식의 방음벽을 제안하고 그 성능을 검증하였다. 특히 특정 주파수대역에서의 높은 음향감쇠계수를 유도하기 위해 개구부의 크기, 공명기의 체적 및 깊이의 변화에 따른 차이를 분석하였다.

가설 설정

그러나 HC 타입인 그림 (c)의 경우 개구부 및 공명기 모두 C 타입을 반으로 분할한 형태로써 반원형의 개구부를 갖고 있다. 그림(d)인 CC 타입은 단위 개체를 2겹으로 적층한 형태로써 각 개체의 체적은 공유되지 않는다. 다만 모델에 따라 다양한 형태의 개구부를 갖고 있다.

제안 방법

5는 실제 실험 수행시 음향감쇠계수 시험실에 설치된 통기형 방음벽 시료의 모습을 보여주고 있다. 시험 수행시 모든 방음벽 시료는 실제 규격에 맞게 제작되었으며 단위개체를 수평 및 수직으로 연결함으로써 너비와 높이를 조정하였다. 실제 시험실에 설치된 시료의 크기는 가로 1.
즉, ISO 10140-5^[11]에 의거해 직육면체 형태로 제작되었으며 공진 및 정재파를 제어하기 위하여 내부에 다양한 크기의 확산체를 불균등하게 설치하였다. 시험실은 2개의 잔향실을 연결한 형태로써 격벽에 시료를 설치한 후 음원실에서 방사한 소리를 수음실에서 측정하는 방식으로 진행된다. 이때 공간에 의한 영향을 최소화하기 위하여 음원실 및 수음실의 평균 음압레벨 및 잔향시간 등을 측정해 보정함으로써 음향감쇠계수를 산출한다.
Table 3는 C 타입의 음향감쇠계수 측정결과를 수치로써 보여주고 있다. 음향감쇠계수가 가장 높은 주파수대역을 보다 용이하게 확인하기 위하여 최고 값을 음영과 굵은 외곽선으로 표시하였다.
시험실은 2개의 잔향실을 연결한 형태로써 격벽에 시료를 설치한 후 음원실에서 방사한 소리를 수음실에서 측정하는 방식으로 진행된다. 이때 공간에 의한 영향을 최소화하기 위하여 음원실 및 수음실의 평균 음압레벨 및 잔향시간 등을 측정해 보정함으로써 음향감쇠계수를 산출한다. 측정용 마이크로폰은 음원실 및 수음실 모두 5개씩 설치되어 있으며 모든 측정은 1/3 옥타브밴드로 이루어졌으며 100 Hz에서 5000 Hz의 중심주파수 대역으로 표시되었다.
통기형 방음벽의 구조적･물리적 특성에 따른 음향감쇠계수 값을 알아보기 위하여 개구부의 개폐방식에 따른 음향감쇠계수를 알아보았다. Fig.
본 연구는 방음벽의 구조체가 공기를 통과시킴으로써 표면에서 발생하는 풍압을 현저히 저감시키고 동시에 소음을 제어할 수 있는 새롭고 창의적인 방식의 방음벽을 제안하고 그 성능을 검증하였다. 특히 특정 주파수대역에서의 높은 음향감쇠계수를 유도하기 위해 개구부의 크기, 공명기의 체적 및 깊이의 변화에 따른 차이를 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 아래와 같다.

대상 데이터

6의ⓑ는 공명기의 입구인 개구부가 폐쇄된 형태이며, ⓒ는 일반적인 통기형 방음벽으로써 공명기의 개구부와 통기부가 개방된 형태를 나타내고 있다. 개구부 및 통기부를 폐쇄할 때 사용된 자재는 단위 개체의 본체와 동일한 재료를 사용하였다. 다음 Fig.
시험일시는 2015년 3월 24일부터 2015년 11월 27일에 걸쳐 총 30회 이상의 시험이 진행되었다. 실험시 수음실의 중간주파수대역 잔향시간 평균(RT_mid) 은 약 1.
음향감쇠계수 측정이 수행된 장소는 충북 오창에 위치한 음향감쇠계수 측정용 잔향실로써 그 형상은 Fig. 4에 나타난 바와 같다. 즉, ISO 10140-5^[11]에 의거해 직육면체 형태로 제작되었으며 공진 및 정재파를 제어하기 위하여 내부에 다양한 크기의 확산체를 불균등하게 설치하였다.

성능/효과

1) 공명기의 체적과 개구부의 면적에 따라 음향감쇠계수 값이 달라지며 최대값이 나타나는 주파수대역 또한 달라진다.
2) 목표 주파수대역(400 ~ 1250 Hz)에서 단일 방음벽보다 이중 방음벽의 음향감쇠계수가 더 높게 나타났다.
3) 이중형 방음벽의 경우 음향감쇠계수의 최고점이 2개 이상의 주파수대역에서 발생하거나, 넓은 주파수대역에 걸쳐 있는 것으로 나타났다.
대한민국 정부의 이러한 노력에도 불구하고 생활 소음에 대한 국민의 피해는 증가하고 있다. 그 중에서도 주거지역의 소음 피해가 매우 심각한 수준으로 일반지역 내 전용주거지역의 경우 전국 44개 도시 중 낮에는 75 %, 밤의 경우는 86 %의 도시에서 환경 기준을 초과하는 것으로 나타났으며 도로변지역 내 전용주거지역에서는 낮의 경우는 36 %, 밤에는 68 %의 도시에서 환경기준을 초과하고 있다.^[3]이러한 이유로 대한민국에서는 매년 소음 관련 민원이 크게 증가하고 있는 추세이다.
그래프 분석 결과, C 타입과 마찬가지로 TC 및 HC 타입 모두 315 Hz부터 1000 Hz 대역 내에서 높은 차음성능을 나타내고 있었다. 또한 C 타입과 마찬가지로 250 Hz 이하의 저주파수대역에서 차음성능이 매우 낮고 1600 Hz 이상의 고주파수대역의 차음성능이 상대적으로 높은 것 또한 통기형 방음벽의 전반적인 특성으로 보인다.
이것은 통기형 방음벽의 공명기를 2중으로 배치함으로써 공명현상 또한 2중으로 발생함에 따라그 효과가 더욱 커진 것으로 평가된다. 그러나 저주파수대역의 음향감쇠계수가 낮고 고주파대역에서 높은 주파수특성은 단일형 방음벽과 유사한 것으로 나타났다.
2 dB이 커진 것을알 수 있다. 또한 1000 Hz를 기준으로 비교해 볼 때 단일형 방음벽(TC-03)이 20.4 dB, 이중형 방음벽(CC-04) 이 31.6 dB로 나타나 약 11.2 dB의 큰 편차를 보이고 있다. 이것은 통기형 방음벽의 공명기를 2중으로 배치함으로써 공명현상 또한 2중으로 발생함에 따라그 효과가 더욱 커진 것으로 평가된다.
또한 모델CC-01과 CC-02의 음향감쇠계수 결과 비교를 통해 같은 단위개체를 2중으로 연결하는 것보다 서로 다른 단위개체를 연결하는 것이 동일 주파수대역(415 ~ 630 Hz)의 음향감쇠계수를 평균적으로약 2.3 dB 향상시키는 것을 알 수 있었다.
모든 입구를 개방한 ⓒ의 경우 목표 주파수대역인 400 Hz부터 1250 Hz까지의 음향감쇠계수가 상대적으로 높게 나타났다. 이것은 ⓒ가 ⓐ와 달리 중앙의 통기부를 통해 공기 및 음에너지가 통과되어 공명기로 전달되어 공진되기 때문인 것으로 판단된다.
시험일시는 2015년 3월 24일부터 2015년 11월 27일에 걸쳐 총 30회 이상의 시험이 진행되었다. 실험시 수음실의 중간주파수대역 잔향시간 평균(RT_mid) 은 약 1.72 s이며 배경소음은 500 Hz 및 1000 Hz 대역에서 평균14.1 dB과 14.8 dB으로 나타났다.
이중 방음벽의 음향감쇠계수 측정결과 중간주파수대역의 음향감쇠계수가 크게 향상된 것을 알 수있었다. 특히 500 Hz를 기준으로 볼 때 단일형 방음벽(C-05)의 최대값이 26.
측정 결과 단위 개체 표면의 통기부를 폐쇄한 ⓐ 의 경우 160 Hz 이상의 주파수대역에서 높은 음향감쇠계수를 나타내고 있음을 알 수 있었다.특히 500 Hz에서 27.
측정결과, 당초 계획한 바와 같이 모든 모델에서 희망 차음 주파수대역인 315 Hz부터 1000 Hz 대역에서 가장 높은 값을 나타내고 있었다. 이것은 당초 예측한 목표 차음주파수대역의 범위가 400 Hz부터 1250 Hz인 것과 연관성이 있다고 볼 수 있다.
한편 C-07을 제외한 대부분의 방음벽 모델에서 특정 주파수대역에서만 최고값이 나타나는 것이 아니라 500 Hz에서 1000 Hz의 범위에 걸쳐 높은 음향감쇠 계수가 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다. 이것은 공명기의 형태가 사각형인 관계로 변 및 모서리의 체적이 서로 달라 다양한 고유진동수가 발생한 결과로 유추된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로변지역 내 전용주거지역에서 소음 관련 환경 기준 초과 상태는 어떠한가?	대한민국 정부의 이러한 노력에도 불구하고 생활 소음에 대한 국민의 피해는 증가하고 있다. 그 중에서도 주거지역의 소음 피해가 매우 심각한 수준으로 일반지역 내 전용주거지역의 경우 전국 44개 도시 중 낮에는 75 %, 밤의 경우는 86 %의 도시에서 환경 기준을 초과하는 것으로 나타났으며 도로변지역 내 전용주거지역에서는 낮의 경우는 36 %, 밤에는 68 %의 도시에서 환경기준을 초과하고 있다.[3]이러한 이유로 대한민국에서는 매년 소음 관련 민원이 크게 증가하고 있는 추세이다.
	일반지역 내 전용주거지역에서 소음 관련 환경 기준 초과 상태는 어떠한가?	대한민국 정부의 이러한 노력에도 불구하고 생활 소음에 대한 국민의 피해는 증가하고 있다. 그 중에서도 주거지역의 소음 피해가 매우 심각한 수준으로 일반지역 내 전용주거지역의 경우 전국 44개 도시 중 낮에는 75 %, 밤의 경우는 86 %의 도시에서 환경 기준을 초과하는 것으로 나타났으며 도로변지역 내 전용주거지역에서는 낮의 경우는 36 %, 밤에는 68 %의 도시에서 환경기준을 초과하고 있다.[3]이러한 이유로 대한민국에서는 매년 소음 관련 민원이 크게 증가하고 있는 추세이다.
	도심의 환경 소음이 증가하는 이유는?	현대 사회가 발전될수록 도시의 인구 증가와 함께 운송수단의 수 또한 증가하고 있다. 이로 인해 도심의 환경 소음이 날로 증가하고 있는 추세이다.

참고문헌 (11)

Ministry of Environment of Korea, Noise and Vibration Control Act (in Korean), Act No.13805, 2016.
Environmental Dispute Resolution Commission, http://ecc.me.go.kr, 2016.
Ministry of Environment of Korea, "Operating report for environmental noise measuring network in 2013," (in Korean) Ministry of Environment, 2014.
Ministry of Environment of Korea, "Noise and vibration management policy: The actual progress report for local government in 2014," (in Korean) Ministry of Environment, 2016.
Ministry of Environment of Korea, "Noise and vibration management policy: The actual progress report for local government in 2004," (in Korean) Ministry of Environment, 2005.
S. H. Kim and S. H. Lee, "Air transparent soundproof window," AIP Advances, 1-4 (2013).
T. M. Kim and J. T. Kim, "Noise protection roof: Partial opening effect for noise reduction" (in Korean), J. Kr. Soc. Railway. 18, 522-532 (2015).

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C. H. Kim, T. S. C, and D. S. Kim, "Characteristics analysis of highway traffic noise" (in Korean), KSNVE, 22, 1191-1198 (2012).

원문보기 상세보기
Ministry of Environment of Korea, Standard of the acoustical performance and installation of noise barrier (in Korean), Notification No.2002-184, 2002.
KS F 2808, Laboratory Measurements of Airborne Sound Insulation of Building Elements (in Korean), Korea Standard, 2011.
ISO 10140-5, Acoustics - Laboratory Measurement of Sound Insulation of Building Elements, American National Standard, 2010.

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