축척 모형을 이용한 근접 저상 방음벽의 음향성능평가 및 예측 Acoustic Performance Evaluation and Prediction for Low Height Noise Barriers Installed Adjacent To Rails Using Scale Down Model원문보기
철도 선로에 근접하여 설치하는 근접 저상 방음벽은 방음벽 높이를 저감시키기 위한 방안으로 외국에서는 많은 연구가 수행되고 있으나 국내에서의 연구는 매우 미흡한 실정이다. 본 논문에서는 근접 저상 방음벽의 음향특성을 파악하고자 축척 모형을 제작하여 성능평가를 수행하였다. 실험결과, 'ㄱ'자형 방음벽 설치 시에는 방음벽의 안쪽뿐만 아니라 상부에도 흡음재를 설치하는 것이 삽입손실의 개선효과가 있는 것으로 분석되었고, 방음벽의 삽입손실 평가를 위해 단순한 경험식 대신에 경계요소법과 같은 보다 해석적인 방법으로 삽입손실을 예측할 필요가 있다. 또한, 흡음재를 부착한 근접 방음벽을 설치하면 승객 위치에서의 소음 증가현상은 미미한 것으로 분석되었다. 그리고, 근접 방음벽의 음향성능 예측을 위해 2차원 경계요소법을 이용한 소음해석을 수행하였으며, 측정결과와의 비교 분석을 수행함으로서 예측 프로그램의 활용 가능성을 검증하였다.
철도 선로에 근접하여 설치하는 근접 저상 방음벽은 방음벽 높이를 저감시키기 위한 방안으로 외국에서는 많은 연구가 수행되고 있으나 국내에서의 연구는 매우 미흡한 실정이다. 본 논문에서는 근접 저상 방음벽의 음향특성을 파악하고자 축척 모형을 제작하여 성능평가를 수행하였다. 실험결과, 'ㄱ'자형 방음벽 설치 시에는 방음벽의 안쪽뿐만 아니라 상부에도 흡음재를 설치하는 것이 삽입손실의 개선효과가 있는 것으로 분석되었고, 방음벽의 삽입손실 평가를 위해 단순한 경험식 대신에 경계요소법과 같은 보다 해석적인 방법으로 삽입손실을 예측할 필요가 있다. 또한, 흡음재를 부착한 근접 방음벽을 설치하면 승객 위치에서의 소음 증가현상은 미미한 것으로 분석되었다. 그리고, 근접 방음벽의 음향성능 예측을 위해 2차원 경계요소법을 이용한 소음해석을 수행하였으며, 측정결과와의 비교 분석을 수행함으로서 예측 프로그램의 활용 가능성을 검증하였다.
Research on low height noise barriers installed adjacent to railways to reduce the height of the noise barrier has actively progressed in many countries except Korea. The performance of low height noise barriers is evaluated to identify barrier acoustic characteristics using a scale model of the bar...
Research on low height noise barriers installed adjacent to railways to reduce the height of the noise barrier has actively progressed in many countries except Korea. The performance of low height noise barriers is evaluated to identify barrier acoustic characteristics using a scale model of the barrier in the present research. As shown in the experimental results, if it is considered the installation of 'ㄱ' type noise barrier, sound absorption material should be installed on both the top and the vertical surfaces of the barrier to improve insertion loss. Also, an analytical method such as the boundary element method, rather than a simple empirical equation, is required to evaluate the insertion loss of the barrier. In addition, noise level increase in passenger position is very small if a barrier with sound absorption material is installed. Finally, the two dimensional boundary element method is implemented to predict the acoustic characteristics of the low height barrier; the possibility of the application is confirmed from a comparison of the results of measurements and predictions.
Research on low height noise barriers installed adjacent to railways to reduce the height of the noise barrier has actively progressed in many countries except Korea. The performance of low height noise barriers is evaluated to identify barrier acoustic characteristics using a scale model of the barrier in the present research. As shown in the experimental results, if it is considered the installation of 'ㄱ' type noise barrier, sound absorption material should be installed on both the top and the vertical surfaces of the barrier to improve insertion loss. Also, an analytical method such as the boundary element method, rather than a simple empirical equation, is required to evaluate the insertion loss of the barrier. In addition, noise level increase in passenger position is very small if a barrier with sound absorption material is installed. Finally, the two dimensional boundary element method is implemented to predict the acoustic characteristics of the low height barrier; the possibility of the application is confirmed from a comparison of the results of measurements and predictions.
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문제 정의
또한, 경계요소법을 이용한 예측결과 및 방음벽의 삽입손실 측정결과를 비교하여 해석프로그램의 타당성을 확보함으로서 향후 근접방음벽의 개발을 위한 기술력을 확보하고자 하였다.
이러한 근접 저상 방음벽에 관한 연구를 수행하기 위해서는 방음벽이 레일과 근접하여 설치되므로 근접 음장에 대한 이론적 평가뿐만 아니라 근접 음장에서의 방음벽 음향성능 분석 및 소음 전파특성에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이러한 다양한 연구 항목 중 본 논문에서는 근접 저상 방음벽의 음향성능에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 축척 모형의 열차 및 근접 방음벽을 제작하여 방음벽의 형상 및 흡음 처리 유·무에 따른 삽입손실의 변화와 승객 위치에서의 소음레벨 변화를 측정·분석하였다.
가설 설정
근접 저상 방음벽의 삽입손실 예측을 위해 Table 1과 같이 차량 유·무 및 방음벽 형태에 따른 소음해석을 수행하였다. 평가위치는 소음원으로부터 2.1m 이격된 위치에 높이가 서로 다른 3개의 지점으로 선정하였고, 방음벽은 높이가 0.3m이고 폭은 0.02m로 가정하였다. 해석모델 중에서 Case01은 ‘I’자 형태, Case03은 ‘ㄱ’자 형태의 저상 방음벽을 설치하는 방안이며, Case02~Case03은 차량 모형까지 포함한 저상 방음벽을 설치하는 방안을 의미한다.
제안 방법
11~13에 나타내었다. 그리고, 열차 모형이 있는 경우에 대한 측정위치 별 삽입손실은 방음벽 설치 전 모델인 Case13의 소음레벨과 방음벽 설치 후 모델인 Case15~Case17 및 Case20과의 소음레벨 차이로 구하였다.
또한, 근접 저상 방음벽의 설치에 따른 승객 위치에서의 소음레벨의 변화를 분석하였다. 그리고, 음원의 위치에 따른 삽입손실의 변화를 살펴보기 위해 스피커 위치를 아래의 그림과 같이 S1 및 S2 위치로 구분하여 각각 설치하였다. 상기와 같은 분석을 위해 마이크로폰은 Fig.
9의 MP09 및 MP10에서의 측정결과를 분석하였다. 그리고, 측정위치별 삽입손실은 방음벽 설치 전 모델인 Case11의 소음레벨과 방음벽 설치 후 모델인 Case12, Case18, Case19 및 Case21과의 소음레벨 차이로 구하였다. 측정결과를 Table 3 및 Fig.
3m인 파이프를 설치하였다. 그리고, 측정은 반무향실에서 수행하였으며 삽입손실은 1/3옥타브밴드의 30초 등가소음도로 분석하였다.
근접 방음벽 설치로 인한 열차 내부 승객 위치에서의 소음레벨 영향을 평가하기 위해 열차 모형 본체 측면에 마이크로폰(M_Passenger)을 추가로 설치하였다. 측정결과, Table 4에서 보는 바와 같이 방음벽 전면에 흡음재를 설치하기 전에는 음원 위치에 따라 다르기는 하지만 Case16 모델의 경우 최대 4dB(A)까지도 소음레벨이 증가하는 것으로 분석되었다.
근접 저상 방음벽의 삽입손실 예측을 위해 Table 1과 같이 차량 유·무 및 방음벽 형태에 따른 소음해석을 수행하였다.
근접 저상 방음벽의 삽입손실 평가를 수행하기 위해 실제 모델에 비해 ‘3.33’의 축척비를 갖는 크기로 열차 및 방음벽의 모형을 제작하였다.
우선, 실험항목은 차량 유·무 및 방음벽 유·무에 따른 삽입손실, 방음벽 형상에 따른 삽입손실, 흡음재 설치 여부에 따른 삽입손실 변화를 분석하였다. 또한, 근접 저상 방음벽의 설치에 따른 승객 위치에서의 소음레벨의 변화를 분석하였다. 그리고, 음원의 위치에 따른 삽입손실의 변화를 살펴보기 위해 스피커 위치를 아래의 그림과 같이 S1 및 S2 위치로 구분하여 각각 설치하였다.
식에서 Lref,B 및 Lref,A는 기준 위치에서의 방음벽 설치 전·후 음압레벨을, Lr,B 및 Lr,A는 수음자 위치에서의 방음벽 설치 전·후 음압레벨을 의미한다. 본 논문에서는 Lr,B 및 Lr,A만을 고려하여 평가하였다.
본 연구에서는 근접 저상 방음벽에 대한 성능평가를 위해 축척 모형 제작을 통한 측정·분석 및 2차원 경계요소법을 이용한 음향해석을 수행하였고, 연구 결과는 다음과 같다.
그리고, 음원의 위치에 따른 삽입손실의 변화를 살펴보기 위해 스피커 위치를 아래의 그림과 같이 S1 및 S2 위치로 구분하여 각각 설치하였다. 상기와 같은 분석을 위해 마이크로폰은 Fig. 9와 같이 총 12개를 설치하되, 방음벽 후단으로 거리 및 높이별로 배치하여 다양한 경우에 대한 삽입손실 및 음압 분포의 특성이 분석 가능하도록 하였다. 참고로, 열차와 방음벽까지의 이격거리를 0.
열차 모형이 없는 경우에 대한 방음벽의 삽입손실 평가를 위해 스피커를 S1 위치에 설치하였고, Fig. 9의 MP09 및 MP10에서의 측정결과를 분석하였다. 그리고, 측정위치별 삽입손실은 방음벽 설치 전 모델인 Case11의 소음레벨과 방음벽 설치 후 모델인 Case12, Case18, Case19 및 Case21과의 소음레벨 차이로 구하였다.
우선, 실험항목은 차량 유·무 및 방음벽 유·무에 따른 삽입손실, 방음벽 형상에 따른 삽입손실, 흡음재 설치 여부에 따른 삽입손실 변화를 분석하였다.
이를 위해 축척 모형의 열차 및 근접 방음벽을 제작하여 방음벽의 형상 및 흡음 처리 유·무에 따른 삽입손실의 변화와 승객 위치에서의 소음레벨 변화를 측정·분석하였다.
제작한 모형의 크기는 열차가 0.9*0.9m, 방음벽의 높이는 0.3m이고, 방음벽은 ‘I’자 형태와 ‘ㄱ’자 형태로 제작하였다.
대상 데이터
측정 시 사용한 스피커는 혼 스피커 드라이버 유닛(모델명 : NSU-50N)으로 5kHz까지 백색잡음의 발생이 가능하며, 점음원으로 가정하기 위해 드라이버 유닛의 끝단에 내경이 0.025m이고 길이가 0.3m인 파이프를 설치하였다. 그리고, 측정은 반무향실에서 수행하였으며 삽입손실은 1/3옥타브밴드의 30초 등가소음도로 분석하였다.
데이터처리
향후 근접 저상 방음벽의 개발을 위해서는 다양한 경우에 대한 해석과정이 필요하므로, 2차원 경계요소법을 기반으로 하는 해석프로그램인 OpenBEM을 이용한 예측결과를 본 연구에서 수행한 측정결과와 비교·분석하여 보았다.
이론/모형
방음벽의 삽입손실 예측 및 평가를 위해 본 연구에서는 Peter M. Juhl 박사가 개발한 OpenBEM 프로그램을 사용하였다[8]. 이 프로그램은 직접법(direct method)을 이용하여 음향해석을 수행하며, 3차원·축대칭 및 2차원 문제의 해석이 가능한데, 본 연구에서는 방음벽의 음향성능 예측을 위해 2차원 경계요소법을 사용하였다.
이 프로그램은 직접법(direct method)을 이용하여 음향해석을 수행하며, 3차원·축대칭 및 2차원 문제의 해석이 가능한데, 본 연구에서는 방음벽의 음향성능 예측을 위해 2차원 경계요소법을 사용하였다.
성능/효과
· 근접 저상 방음벽의 설치로 인한 승객 위치에서의 소음레벨 변화를 측정한 결과 방음벽에 흡음재를 설치하지 않으면 최대 4dB(A)까지도 증가하지만, 흡음재를 설치하면 소음증가량은 미미한 것으로 분석되었다.
· 열차 모형이 설치되어 있는 경우에 대한 삽입손실 측정결과 흡음재를 부착하지 않은 경우에는 ‘I’자 형태의 방음벽이 ‘ㄱ’자 형태의 방음벽보다 성능이 우수한 것으로 분석되었는데, 이것은 ‘ㄱ’자 형태의 방음벽 상부에 있는 반사면에서 소음이 다시 전파되어 삽입손실이 저감되기 때문인 것으로 분석되었다.
우선, 일반적으로 알려진 바와 같이 음원이 S1에 위치하는 것보다 회절각이 상대적으로 적은 S2에 위치하는 경우가 삽입손실이 우수한 것으로 나타났다. 그리고, 음원 위치가 S2인 경우, 방음벽 전면에 흡음재 설치 전·후(Case14 & Case15, Case16 & Case17)에 따른 삽입손실 변화를 Fig.
근접 방음벽 설치로 인한 열차 내부 승객 위치에서의 소음레벨 영향을 평가하기 위해 열차 모형 본체 측면에 마이크로폰(M_Passenger)을 추가로 설치하였다. 측정결과, Table 4에서 보는 바와 같이 방음벽 전면에 흡음재를 설치하기 전에는 음원 위치에 따라 다르기는 하지만 Case16 모델의 경우 최대 4dB(A)까지도 소음레벨이 증가하는 것으로 분석되었다. 그러나, 방음벽에 흡음재를 부착하면 1dB(A) 정도로 미미하게 소음이 증가할 것으로 분석되어 흡음재를 부착한 근접 방음벽을 설치하면 승객위치에서의 소음레벨 증가량은 미미할 것으로 예상된다.
후속연구
· 2차원 경계요소법을 이용한 소음해석결과 흡음재가 설치되어 있지 않은 경우에는 비교적 정확한 예측이 가능하였다. 그러나, 흡음재가 설치되어 있는 경우에는 측정 및 해석결과와의 오차가 다소간 발생하여 이에 대한 원인 분석 및 다양한 형상을 갖는 근접 저상 방음벽에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Table 5는 다양한 경우에 대한 방음벽의 삽입손실 예측 및 측정결과를 비교하여 정리한 것으로, 흡음재가 설치되어 있지 않은 경우에는 비교적 정확한 예측이 가능한 것으로 분석되어 근접 저상 방음벽에 대한 삽입손실 예측을 수행하기 위해 본 연구에서 사용한 해석 프로그램을 사용해도 무방하리라 판단된다. 그러나, 흡음재가 설치되어 있는 경우에는 측정에 사용된 흡음재의 임피던스(Z, impedance)를 측정하여 해석 프로그램에 어드미턴스(1/Z, admittance) 경계조건으로 입력하였지만 측정 및 해석결과와의 오차가 다소간 발생하였는데, 이에 대한 원인 분석 등과 같은 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 해석 프로그램을 이용해 보다 다양한 형상을 갖는 근접 저상 방음벽에 대한 추가적인 연구도 필요할 것으로 예상된다.
12에 나타내었는데, 열차 모형 설치 전·후에 관계없이 동일한 형상을 갖는 방음벽을 설치하면 삽입손실은 유사한 특성을 나타내고는 있으나, 열차 모형이 설치된 경우에 반사음의 영향으로 주파수에 따른 삽입손실값이 크게 변동하는 것을 알 수 있다. 따라서, 1kHz에서 최대값을 나타내는 도로소음과 달리 철도소음은 다양한 주파수에서 소음이 발생하므로 근접 저상 방음벽의 삽입손실 계산 시 ISO 9613-2 등과 같은 단순한 경험식 대신에 경계요소법과 같은 보다 해석적인 접근이 필요할 것으로 예상된다. 참고로, Fig.
그러나, 흡음재가 설치되어 있는 경우에는 측정에 사용된 흡음재의 임피던스(Z, impedance)를 측정하여 해석 프로그램에 어드미턴스(1/Z, admittance) 경계조건으로 입력하였지만 측정 및 해석결과와의 오차가 다소간 발생하였는데, 이에 대한 원인 분석 등과 같은 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 해석 프로그램을 이용해 보다 다양한 형상을 갖는 근접 저상 방음벽에 대한 추가적인 연구도 필요할 것으로 예상된다.
1과 같이 높이가 1m 이하인 저상 방음벽을 선로에 근접 설치하여 방음벽 높이를 줄이기 위한 연구[2]를 수행하고 있지만, 국내의 경우에는 연구 실적이 매우 미흡한 상황이다. 이러한 근접 저상 방음벽에 관한 연구를 수행하기 위해서는 방음벽이 레일과 근접하여 설치되므로 근접 음장에 대한 이론적 평가뿐만 아니라 근접 음장에서의 방음벽 음향성능 분석 및 소음 전파특성에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이러한 다양한 연구 항목 중 본 논문에서는 근접 저상 방음벽의 음향성능에 관한 연구를 수행하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경계요소법이란?
경계요소법(BEM, Boundary element method)은 임의 형상을 갖는 음장 경계면의 경계조건(음압, 진동속도, 음향 임피던스)으로부터 음장 내의 임의의 점에서 음압, 입자속도, 음향 인텐시티, 음향 방사파워 등을 계산해 내는 수치해석 방법으로 아래의 그림과 같은 절차에 따라 계산을 수행한다[3]. 음향 경계요소법의 구현에는 경계에서의 음압 및 표면 속도 또는 임피던스 중 두개의 물리량을 이용하여 계산을 수행하는 직접법(direct method)과, 표면을 가상적인 음원의 분포로서 나타내어 음압 및 속도의 차이를 매개로 계산을 수행하는 간접법(indirect method)이 있다.
‘ㄱ’자 형태의 근접 방음벽 설치 시에는 방음벽 안쪽 뿐만 아니라 상부에도 흡음재를 설치해야 할 것으로 판단되는 이유는?
· 열차 모형이 설치되어 있는 경우에 대한 삽입손실 측정결과 흡음재를 부착하지 않은 경우에는 ‘I’자 형태의 방음벽이 ‘ㄱ’자 형태의 방음벽보다 성능이 우수한 것으로 분석되었는데, 이것은 ‘ㄱ’자 형태의 방음벽 상부에 있는 반사면에서 소음이 다시 전파되어 삽입손실이 저감되기 때문인 것으로 분석되었다. 따라서, ‘ㄱ’자 형태의 근접 방음벽 설치 시에는 방음벽 안쪽 뿐만 아니라 상부에도 흡음재를 설치해야 할 것으로 판단된다.
음향 경계요소법의 구현에는 무엇이 있는가?
경계요소법(BEM, Boundary element method)은 임의 형상을 갖는 음장 경계면의 경계조건(음압, 진동속도, 음향 임피던스)으로부터 음장 내의 임의의 점에서 음압, 입자속도, 음향 인텐시티, 음향 방사파워 등을 계산해 내는 수치해석 방법으로 아래의 그림과 같은 절차에 따라 계산을 수행한다[3]. 음향 경계요소법의 구현에는 경계에서의 음압 및 표면 속도 또는 임피던스 중 두개의 물리량을 이용하여 계산을 수행하는 직접법(direct method)과, 표면을 가상적인 음원의 분포로서 나타내어 음압 및 속도의 차이를 매개로 계산을 수행하는 간접법(indirect method)이 있다.
참고문헌 (9)
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