교실 음환경은 학생들에게 매우 중요한 요소로 학습효과와 학업 성취에 매우 큰 영향을 미친다는 연구결과가 다수 발표되고 있다. 그러나 학교 교실의 신축이나 리모델링 시에 가이드라인 및 설계방안이 제시된 바 없어 적절한 음환경을 실현하는데 큰 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 연구에서는 이론적 수식과 현장실험을 통하여 교실의 음환경 기준을 만족하기 위한 다양한 설계방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 국내 중 고등학교의 교실에서 실내음향성능 기준을 만족하기 위해 필요한 최소 흡음면적을 계산하였다. 또한 교실의 천장 및 뒷벽의 다양한 마감상태에 따른 실내음향성능을 알아보고자 현장실험을 진행하여 실험 결과를 비교 분석하였다. 연구 결과, 국내 교실 천장에 현재 거의 모든 학교에서 시행하고 있는 것처럼 천정흡음재를 설치하지 않아도 잔향시간 기준인 0.8 s를 만족할 수 있는 것으로 나타났다. 특히, 천장 일부 면적에 반사재를 적용하되 면적의 비율이 흡음 2 : 반사 1이면서 가로로 구획하는 것이 음압레벨을 향상시키며 전체가 흡음인 경우와 비슷한 명료도[$C_{50}$, $D_{50}$, RASTI(Rapid Speech Transmission Index)]를 확보할 수 있다.
교실 음환경은 학생들에게 매우 중요한 요소로 학습효과와 학업 성취에 매우 큰 영향을 미친다는 연구결과가 다수 발표되고 있다. 그러나 학교 교실의 신축이나 리모델링 시에 가이드라인 및 설계방안이 제시된 바 없어 적절한 음환경을 실현하는데 큰 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 연구에서는 이론적 수식과 현장실험을 통하여 교실의 음환경 기준을 만족하기 위한 다양한 설계방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 국내 중 고등학교의 교실에서 실내음향성능 기준을 만족하기 위해 필요한 최소 흡음면적을 계산하였다. 또한 교실의 천장 및 뒷벽의 다양한 마감상태에 따른 실내음향성능을 알아보고자 현장실험을 진행하여 실험 결과를 비교 분석하였다. 연구 결과, 국내 교실 천장에 현재 거의 모든 학교에서 시행하고 있는 것처럼 천정흡음재를 설치하지 않아도 잔향시간 기준인 0.8 s를 만족할 수 있는 것으로 나타났다. 특히, 천장 일부 면적에 반사재를 적용하되 면적의 비율이 흡음 2 : 반사 1이면서 가로로 구획하는 것이 음압레벨을 향상시키며 전체가 흡음인 경우와 비슷한 명료도[$C_{50}$, $D_{50}$, RASTI(Rapid Speech Transmission Index)]를 확보할 수 있다.
There are many results in which acoustical conditions of a classroom play an important role for studying effects and academic achievement of students. However, there are very few guidelines or design proposals which could make appropriate acoustic environment when classrooms are built or renovated. ...
There are many results in which acoustical conditions of a classroom play an important role for studying effects and academic achievement of students. However, there are very few guidelines or design proposals which could make appropriate acoustic environment when classrooms are built or renovated. The present study suggests various design proposals satisfying acoustic standards of classrooms based on theoretical calculation and acoustic field experiments. At first, minimum area of sound absorption was calculated which is required to satisfy the acoustic standard for domestic middle and high schools. Also, room acoustic measurements were carried out in order to investigate the acoustic performance of an existing classroom by changing interior finishing materials on ceiling and rear walls. As a result, it was revealed that reverberation time standard below 0.8 s can be acquired even if there is no sound absorption on ceiling which is a general practice executed in Korea. Specially, it was found that if partial area of ceiling would be treated as reflective with the ratio of sound absorption and reflection as 2:1, almost similar acoustic parameters of $C_{50}$, $D_{50}$, RASTI (Rapid Speech Transmission Index) and higher sound levels could be acquired in comparison with the case of entire sound absorption on ceiling.
There are many results in which acoustical conditions of a classroom play an important role for studying effects and academic achievement of students. However, there are very few guidelines or design proposals which could make appropriate acoustic environment when classrooms are built or renovated. The present study suggests various design proposals satisfying acoustic standards of classrooms based on theoretical calculation and acoustic field experiments. At first, minimum area of sound absorption was calculated which is required to satisfy the acoustic standard for domestic middle and high schools. Also, room acoustic measurements were carried out in order to investigate the acoustic performance of an existing classroom by changing interior finishing materials on ceiling and rear walls. As a result, it was revealed that reverberation time standard below 0.8 s can be acquired even if there is no sound absorption on ceiling which is a general practice executed in Korea. Specially, it was found that if partial area of ceiling would be treated as reflective with the ratio of sound absorption and reflection as 2:1, almost similar acoustic parameters of $C_{50}$, $D_{50}$, RASTI (Rapid Speech Transmission Index) and higher sound levels could be acquired in comparison with the case of entire sound absorption on ceiling.
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문제 정의
따라서 Eq.(3)을 응용하여 흡음재 최소설치면적을 바닥 면적에 대한 비율로써 계산하고자 한다. 이를 위해 사용한 식은 다음 Eq.
이와 같이 대부분의 연구가 측벽과 뒷벽에 한정되어 이루어지고 있으며 교실 내에서 가장 많은 면적인 천장의 다양한 설계방안과 이를 실제 교실에 적용한 사례는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실내음향성능 기준을 만족하기 위한 교실 내 흡음면적에 대해 알아보고, 교실 천장과 뒷벽의 흡음재 설치 면적에 따른 실내음향성능 차이를 비교 및 평가하고자 한다.
본 연구에서는 국내 학교 교실의 음환경 기준을 만족하는 가이드라인 설정을 위한 다양한 설계 방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 국내 교실의 표준 모델을 사용하여 실내음향 성능 기준을 만족시키는 흡음재의 권장설치면적과 비율에 대해 조사하였다.
본 연구에서는 국내 학교 교실의 음환경 기준을 만족하는 다양한 설계방안을 제시하고자 하였다. 비록 경우의 수가 국한되어 있으나 향후 연구에서는 보다 많은 유형의 비교 실험을 통해 가이드라인을 보강할 수 있을 것이다.
제안 방법
교실 내 실내 마감재 위치에 따른 선행 연구에 따라 본 연구에서는 실내 마감재의 위치를 천장과 뒷벽으로 설정하고 시뮬레이션을 통한 선행연구를 진행하였다. 다음 Table 2에서는 교실의 천장과 뒷벽의 흡음재 위치에 따른 모델을 보여주고 있다.
교실에서 실내마감재 위치에 따른 실내음향성능은 잔향시간(Reverberation Time, RT), 초기감쇠시간(Early Decay Time, EDT), 음압레벨(Sound Pressure Level, SPL), C50, 언어명료도(C50, D50), RASTI(Rapid Speech Tramsmission Index)를 통해 분석하였으며 이를 국내 교실의 기준을 참고하여 평가하였다.
국내 교실의 음환경 기준을 만족하기 위해 필요한 흡음면적을 산출하기 위하여 이론적 수식을 사용하고자 한다. 따라서 가장 보편적으로 사용하는 Sabin의 잔향공식을 기본으로 다양한 흡음률과 교실의 높이에 따른 흡음면적을 계산하였으며 계산공식은 다음 Eq.
국내 교실의 음환경 기준을 만족하기 위해 필요한 흡음면적을 산출하기 위하여 이론적 수식을 사용하고자 한다. 따라서 가장 보편적으로 사용하는 Sabin의 잔향공식을 기본으로 다양한 흡음률과 교실의 높이에 따른 흡음면적을 계산하였으며 계산공식은 다음 Eq.(1)과 같다.
선행연구 결과를 토대로 실내음향실험 대상을 현재 교실의 상태(C-A)와 비교를 위해 전체 면적이 반사면적인 C-R을 선정하였으며 다른 물리적 인자들과 큰 편차를 나타내고 있지 않은 CH-2와 CV-1을 대상으로 하였다. 또한 뒷벽에 흡음재를 설치할 경우 큰 편차를 나타내고 있지 않은 RW-2와 RW-3 중 유지 및 관리성을 고려하여 RW-3으로 설정하여 실험을 진행하였다.
이를 위해 국내 교실의 표준 모델을 사용하여 실내음향 성능 기준을 만족시키는 흡음재의 권장설치면적과 비율에 대해 조사하였다. 이를 바탕으로 실내마감재 위치에 따른 천장 및 뒷벽의 다양한 흡음계획을 설정하여 선행연구를 진행하였으며 결과 분석을 통하여 현장실험을 수행하였다.
이를 위해 본 논문에서는 이론적 수식을 이용하여 교실의 실내음향성능을 만족할 수 있는 최소 권장흡음면적과 비율에 대해 파악한 후 천장 및 뒷벽 마감재의 면적과 위치에 따른 모델을 설정하였다. 이를 시뮬레이션을 통한 사전연구를 진행하여 실내음향성능을 분석하였으며 이 중 유의한 결과를 보이는 모델을 선정하고 현장 음향실험을 통하여 적정성을 평가하였다.
본 연구에서는 국내 학교 교실의 음환경 기준을 만족하는 가이드라인 설정을 위한 다양한 설계 방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 국내 교실의 표준 모델을 사용하여 실내음향 성능 기준을 만족시키는 흡음재의 권장설치면적과 비율에 대해 조사하였다. 이를 바탕으로 실내마감재 위치에 따른 천장 및 뒷벽의 다양한 흡음계획을 설정하여 선행연구를 진행하였으며 결과 분석을 통하여 현장실험을 수행하였다.
따라서 일반 교실 설계 시 실내음향성능 기준을 만족시키는 다양한 설계 가이드라인이 반드시 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 이론적 수식을 이용하여 교실의 실내음향성능을 만족할 수 있는 최소 권장흡음면적과 비율에 대해 파악한 후 천장 및 뒷벽 마감재의 면적과 위치에 따른 모델을 설정하였다. 이를 시뮬레이션을 통한 사전연구를 진행하여 실내음향성능을 분석하였으며 이 중 유의한 결과를 보이는 모델을 선정하고 현장 음향실험을 통하여 적정성을 평가하였다.
특히 음압레벨 측정 결과 실내마감재 위치를 변화시킨 모델들이 표준모델보다 음압레벨이 증가한다는 결과를 얻을 수 있었다. 향상 된 음압레벨이 초기음에너지에 의한 영향인지 파악하기 위하여 C50을 분석하였다. 다음 Fig.
대상 데이터
따라서 청주시 소재 중학교 17개와 고등학교 7개 학교의 일반교실의 건축제원을 조사하고 각 부위의 평균값을 이용해 작성한 표준교실을 사용하였다.[5] 특히 표준교실을 사용하여 음환경 기준을 만족하기 위한 흡음면적을 계산하였으며 현장실험을 위한 실험대상은 표준교실과 유사한 규모를 가진 교실로 선정하였다. 다음 Table 1에는 표준교실과 실험대상교실의 건축적 제원을 나타내고 있으며 Fig.
학교 교실의 음환경 기준에 따른 실내마감 방안 설정을 위해 국내 교실의 건축적 특성을 대표하는 공간으로 선정하는 것이 중요하다. 따라서 청주시 소재 중학교 17개와 고등학교 7개 학교의 일반교실의 건축제원을 조사하고 각 부위의 평균값을 이용해 작성한 표준교실을 사용하였다.[5] 특히 표준교실을 사용하여 음환경 기준을 만족하기 위한 흡음면적을 계산하였으며 현장실험을 위한 실험대상은 표준교실과 유사한 규모를 가진 교실로 선정하였다.
또한 뒷벽에 설치한 흡음재는 중 · 고주파수 대역에서 흡음성능이 우수한 다공질성 흡음재를 사용하였다.
본 연구에서 시뮬레이션과 현장실험에서 사용된 천장의 흡음재와 반사재는 미네랄 흡음텍스와 석고보드이다. 이는 현재 교실에서 흡음면적을 확보하기 위하여 천장에 가장 많이 쓰이는 재료가 흡음텍스로 실제 교실에 이미 설치되어 있어 실험에 용이하기 때문이다.
선행연구 결과를 토대로 실내음향실험 대상을 현재 교실의 상태(C-A)와 비교를 위해 전체 면적이 반사면적인 C-R을 선정하였으며 다른 물리적 인자들과 큰 편차를 나타내고 있지 않은 CH-2와 CV-1을 대상으로 하였다. 또한 뒷벽에 흡음재를 설치할 경우 큰 편차를 나타내고 있지 않은 RW-2와 RW-3 중 유지 및 관리성을 고려하여 RW-3으로 설정하여 실험을 진행하였다.
수음점은 교실 내 32개 좌석을 균등한 간격으로 9개소로 나누어 배치하였으며 중학생의 착석 시 귀 위치를 고려하여 1.15 m 높이로 설정하였다. 측정 시 수음점의 설치위치는 Fig.
실내음향실험은 학교의 방학기간인 2014년 8월 13일 오전 9시에서 오후 6시 사이에 수행하였으며 학생들이 없는 공석 시에 진행하였고 모든 실험은 KSF 2864를 준수하였다. 음원의 경우 교사의 발성방향을 재현하기 위하여 지향성 스피커(수평 90º, 수직 60º)를 사용하였다.
성능/효과
1) 국내 표준교실을 이용하여 음환경 기준을 만족시킬 수 있는 흡음면적을 산출한 결과 천장의 전체 면적을 흡음재(500 Hz와 1 kHz의 평균 흡음률: 0.40이상 사용)로 마감하지 않아도 잔향시간 기준인 0.8 s를 만족 할 수 있는 것으로 나타났다.
2) 실내음향성능 측정 결과, 천장 전체가 흡음면적과 반사면적인 경우 모두 잔향시간 기준을 만족하는 것으로 나타났으며 천장 전체를 반사재로 마감 한다면 음압레벨은 상승되지만 언어명료도(C50 , D50), RASTI는 최소변화감지폭을 초과하여 낮아지는 것으로 나타났다.
3) 실내마감재의 면적은 같지만 가로(CH-2)와 세로(CV-1)로 구분한 모델에서는 세로로 구분한 경우 모두 음압레벨은 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 초기감쇠시간은 가로(CH-2)로 구분한 모델에서 감소되며 이에 따라 D50 및 C50의 평균은 향상되는 것을 알 수 있다.
4) 천장 전체를 반사재로 마감할 경우, 벽의 1.2 m 높이 위 면적에 흡음률이 높은 흡음재로 마감한다면 초기감쇠시간은 짧아지고 이에 따라 언어명료도(D50, C50), RASTI를 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다.
38 dB 증가하고 있다. C50의 최소변화감지폭(JND)인 1.1 dB에는 미치지 못하지만 초기음에너지가 소폭 향상하는 것으로 나타났다. 또한 CV-1의 경우 6.
49 s로 측정되어 기준을 만족하고 있으며 편차가 나지 않고 있음을 알 수 있다. 뒷벽의 1.2 m 높이 상부에 게시판을 포함하여 흡음재를 설치한 경우인 RW-3에서의 잔향시간 평균은 0.54 s로 천장이 전체 반사일 때보다 0.15 s 감소하는 것으로 나타났고 현재의 교실보다는 약 0.09 s 늘어난 것으로 측정되었다. 주파수대역별로 분석하여 보면 저주파대역에서 반사재를 설치한 모델들의 잔향시간이 표준 교실보다 짧아졌는데 이는 반사재로 쓰인 석고보드는 판재로 저주파대역에서의 흡음률이 미네랄 흡음텍스보다 높기 때문에 나타난 현상으로 판단된다.
77 dB 감소하는 것으로 나타났다. 뒷벽의 흡음재를 적용한 RW-3에서는 6.09 dB로 측정되었으며 C-R과 비교할 경우 약 1.48 dB 증가하는 것을 알 수 있다.
1 dB에는 미치지 못하지만 초기음에너지가 소폭 향상하는 것으로 나타났다. 또한 CV-1의 경우 6.33 dB로 측정되어 표준 모델인 C-A과 비교하였을 때 0.77 dB 감소하는 것으로 나타났다. 뒷벽의 흡음재를 적용한 RW-3에서는 6.
특히 CH-2에서 가장 짧은 초기감쇠시간으로 측정되었는데 현재의 교실과 비교하였을 때 그 편차가 최소변화감지폭(JND)인 5 %를 초과하는 값으로 나타났다. 또한 RW-3에서의 초기감쇠시간은 0.51 s로 C-A보다 0.07 s 증가하였으나 C-R과 비교하였을 때 약 0.13 s 감소하는 것으로 나타났다.
[10] 한 연구에서는 천장의 25 % 면적에 확산체를 설치한다면 초기반사음에너지를 증가시킬 수 있음을 알아낸 바 있으며[11] 또 다른 연구에서는 초기반사음이 직접음을 충분히 보강할 수 있도록 최소한 천장의 전면 및 중앙부위까지 반사재로 마감해야 한다[12]는 결과가 발표된 바있다. 또한 교실의 뒷벽은 강의실의 명료도(D50, STI)를 향상시키기 위한 가장 효율적이라는 부위라는 연구결과를 발표하였다.[13]
분석결과 현재 사용되고 있는 교실인 C-A에서의 잔향시간 평균은 0.45 s로 나타났으며 천장 전체가 반사인 C-R에서는 0.69 s로 나타나 모두 잔향시간 기준인 0.8 s를 만족하는 것으로 나타났다. 가로와 세로로 반사재를 설치한 CH-2와 CV-1에서도 각각 0.
3 dB(A)로 나타났다. 세로로 반사재를 설치한 CV-1에서의 음압레벨은 69.0 dB(A)로 C-A보다 4.2 dB(A) 증가한 것으로 나타났으며 CH-2에서는 0.4 dB(A)의 편차로 증가하여 큰 차이가 나지 않고 있음을 알 수 있다.
실험대상의 6개 수음점에서 측정한 C50 결과 표준모델인 C-A의 C50값은 7.47 dB로 측정되었으며 C-R에서는 약 4.66 dB로 나타나 C-R에서의 음압레벨의 증가는 후기음에너지의 증가로 인한 것임을 알 수 있다.
이를 바탕으로 시뮬레이션을 통하여 선행연구를 진행한 결과 C-A, CH-2, CV-1, RW-1이 실내음향성능 기준인 잔향시간 0.8 s를 만족하는 것으로 나타났으며 음압레벨 또한 상승하는 것으로 나타났다. 특히 CH-2, CV-1의 언어명료도 및 음성전달지수 결과 현재 교실과 큰 차이를 보이지 않고 있음을 알 수 있었다.
8 s를 만족하는 것으로 나타났으며 음압레벨 또한 상승하는 것으로 나타났다. 특히 CH-2, CV-1의 언어명료도 및 음성전달지수 결과 현재 교실과 큰 차이를 보이지 않고 있음을 알 수 있었다.[16]
06 s 감소하거나 비슷한 결과를 보이고 있다. 특히 CH-2에서 가장 짧은 초기감쇠시간으로 측정되었는데 현재의 교실과 비교하였을 때 그 편차가 최소변화감지폭(JND)인 5 %를 초과하는 값으로 나타났다. 또한 RW-3에서의 초기감쇠시간은 0.
C50은 50 ms 이후에 인입되는 후기 반사음은 음성의 전달성능을 방해하는 요소이며 50 ms 이전에 인입되는 직접음과 초기 반사음은 음성의 인식에 유용한 음에너지로 평가한다. 특히 음압레벨 측정 결과 실내마감재 위치를 변화시킨 모델들이 표준모델보다 음압레벨이 증가한다는 결과를 얻을 수 있었다. 향상 된 음압레벨이 초기음에너지에 의한 영향인지 파악하기 위하여 C50을 분석하였다.
특히 표준 교실은 높이가 2.7 m이며 흡음재로 가장 많이 사용되고 있는 마이텍스 (500 Hz, 1 kHz의 평균 흡음률: 약 0.60)를 적용한다면 천장의 66 %만 흡음하여도 잔향시간 0.8 s를 만족할 수 있음을 알 수 있다.
후속연구
하지만 초기감쇠시간은 가로(CH-2)로 구분한 모델에서 감소되며 이에 따라 D50 및 C50의 평균은 향상되는 것을 알 수 있다. 따라서 세로로 구분하여 계획한다면 모든 구역의 음압레벨을 증가시킬 수는 있지만 가로로 계획하는 것이 천장 전체를 흡음 면적으로 사용하는 것과 같은 명료도를 실현할 수 있을 것으로 판단된다.
비록 경우의 수가 국한되어 있으나 향후 연구에서는 보다 많은 유형의 비교 실험을 통해 가이드라인을 보강할 수 있을 것이다. 또한 국내 교실의 실내 음향성능기준을 만족하기 위한 가이드라인뿐만 아니라 배경소음 기준을 만족하기 위한 연구가 필요함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 국내 학교 교실의 음환경 기준을 만족하는 다양한 설계방안을 제시하고자 하였다. 비록 경우의 수가 국한되어 있으나 향후 연구에서는 보다 많은 유형의 비교 실험을 통해 가이드라인을 보강할 수 있을 것이다. 또한 국내 교실의 실내 음향성능기준을 만족하기 위한 가이드라인뿐만 아니라 배경소음 기준을 만족하기 위한 연구가 필요함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
학교시설에서의 핵심은 무엇인가?
학교시설에서의 핵심은 단위교실에 있으며 교실 공간의 특성상 바람직한 청취환경은 매우 중요하다. 교실에서 학생은 교사의 음성전달에 의해 지식을 전달 받으며 멀티기기에 의한 시청각 교육이 활발히 이루어지고 있어 적절한 청취환경은 매우 중요한 요소라 할 수 있다.
교실에서 적절한 청취환경이 중요한 요소라고 할 수 있는 이유는?
학교시설에서의 핵심은 단위교실에 있으며 교실 공간의 특성상 바람직한 청취환경은 매우 중요하다. 교실에서 학생은 교사의 음성전달에 의해 지식을 전달 받으며 멀티기기에 의한 시청각 교육이 활발히 이루어지고 있어 적절한 청취환경은 매우 중요한 요소라 할 수 있다. 특히 적절한 청취환경은 학습효과와 학업 성취에 큰 역할을 한다는 국내외 연구결과에 따라 학생들에게 질 높은 환경을 동등하게 제공하는 것은 매우 중요하다.
학생들에게 적절한 청취환경을 제공하기 위하여 국외에서는 어떤 방법을 사용하고 있는가?
이에 국외에서는 학교 교실에 관한 연구가 오랜기간 동안 끊임없이 이루어지고 있으며 미국과 영국의 경우 학교 교실의 규모나 용도에 따라 최소 기준치를 제시하고 이를 신축이나 리모델링 시에 적용하도록 규제하고 있다.[1,2] 또한 각각의 음향성능 기준을 만족시키기 위한 건축계획방법 및 실내마감재 적용에 대한 가이드라인을 제시하고 있으며 많은 사례 연구를 통하여 실제 교실에 적용하도록 관리하고 있다.
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