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문제 정의
- 식생의 지속적인 생존으로 미관적 · 환경적 측면을 고려하였으며 무엇보다 방음벽의 본기능인 소음저감성능이 식생의 적용과 방음벽 형태의 아이디어로 기존 일반적인 방음벽보다 뛰어나야 하는 것을 목표로 설계를 진행하였다.
- 이러한 관점에서 방음벽이 단순히 소음의 저감을 위한 구조물의 역할을 넘어 소음저감기능과 함께 도시환경을 개선하는 우수한 성능의 식생형 방음벽을 연구하고자 하였다.
제안 방법
- 평면형 방음벽과 블록식 식생형 방음벽의 삽입손실의 성능 비교를 위해 유사한 두께와 면밀도를 가진 평면형 방음벽과 블록식 식생형 방음벽의 삽입손실을 비교하였다. 12 t와 24 t 평면형 방음벽의 비교를 통해 두께차이에 따른 삽입손실의 값을 비교하였고, 24 t의 평면형 방음벽과 20 mm크기의 블록식 방음벽과 비교하였는데 총 두께가 유사하여 평면형과 블록형의 단순비교가 가능하다.
- Fig. 10과 같이 방음벽을 중심에 두고 방음벽의전면과 후면에 음원과 수음점을 배치하였으며 방음벽 설치 전과 후를 수음점의 순서대로 매 수음점마다 3회 반복 측정하여 이를 평균한 값으로 삽입손실을 계산하였다. 수음점 R1, R2, R3, R4의 값을 비교함으로써 수 음점 거리에 따른 삽입손실의 변화와 방음벽 유무에 따른 방음벽의 소음 저감 효과를 알아 볼 수 있다.
- Fig. 2와 같이 소음원의 반사를 음선으로 고려해 볼 때 음선이 반사되어 되돌아가는 것이 아니라 방음벽면과 기본적으로 흡음력을 가지고 있는 식물·토양을 향해 반사되도록 계획하였다.
- [12] 일반적인 방음벽의 형상과 설계된 블록식생형 방음벽의 형상 간 삽입손실비교와 블록의 크기 변화에 따른 삽입손실의 변화, 수음점 위치에 따른 삽입손실의 변화를 측정하고 이를 종합하여 소음저감성능을 예측하였다.[13]
- 따라서 축소모형실험은 5 × 4 × 4 m의 무향실에서 진행하였으며 바닥면은 아스팔트 또는 콘크리트 포장도로를 가정하여 12 t MDF패널2장을 설치하였다.
- 축소모형실험은 컴퓨터 시뮬레이션이나 예측공식에 의한 계산보다 실제와 가장 유사한 결과를 얻을 수 있다. 또한 금형사출을 통한 식생블록을 제작하고 철물을 이용한 방음판구조물을 제작하여 식생형 방음벽의 소음저감성능을 평가하였다.
- 새로운 형태로 제안한 식생형 방음벽의 설계와 음향성능을 평가하기위해 KS I ISO 10847 “음향 - 옥외방음벽의 삽입손실 측정”에 근거하여 1/10 축소모형 실험과 1/2스케일 모형실험을 실시하였다.
- 설계의 주안점은 5가지 항목으로 나누어 필요조건들을 설정하였다. 식생의 지속적인 생존으로 미관적 · 환경적 측면을 고려하였으며 무엇보다 방음벽의 본기능인 소음저감성능이 식생의 적용과 방음벽 형태의 아이디어로 기존 일반적인 방음벽보다 뛰어나야 하는 것을 목표로 설계를 진행하였다.
- 수음점 거리에 따른 삽입손실 변화와 동일 거리에서의 방음벽들 간의 효과를 비교하기 위해 각 방음벽 모형마다 벽면으로부터 2.5, 5, 10 m의 거리에서 삽입손실을 측정하여 비교하였다. Fig.
- 1을 이용하여 2 ~ 20 kHz 대역의 음압 스펙트럼을 구하였으며 이는 실제 축척으로 환산 시 200 Hz ~ 2 kHz 대역의 값이다. 수음점별 실험은 5 s 동안의 Leq를 측정하였으며 수음점마다 5회 반복 측정하였다. Fig.
- 8에 나타낸 식생블록은 일종의 화분으로 벽면에 식물과 토양을 담는 그릇역할을 하며 방음판 몸체철물에 접하게 되고 상부에는 방음판에 설치된 걸쇠에 걸칠 수 있도록 ‘ㅅ’형의 홈이 있어 방음판에 고정하고 빗면 하부에 배수구멍이 있다. 식생블록의 균일한 품질과 성능을 위해 금형제작을 하였으며 친환경적이고 내구성이 우수한 합성목재를 이용하여 사출제작 하였다.
- 식생블록의 크기에 따른 삽입손실의 변화를 살펴보기 위해 식생블록의 크기를 한변이 각각15, 20, 25, 30 cm의 4가지 크기로 구분하여 나무목재를 이용한 식생형 방음벽을 제작하였으며 삽입손실을 비교하였다.
- 식생형 방음벽의 확산효과를 알아보기 위해 축소모형실험을 통해 음향성능을 예측해 보았다. 축소모형실험은 컴퓨터 시뮬레이션이나 예측공식에 의한 계산보다 실제와 가장 유사한 결과를 얻을 수 있다.
- 야외실험이므로 비교적 암소음레벨이 낮은 밤시간대에 실험을 실시하였으나 상대적으로 높은 약 43 dBA로 측정되었다. 우리나라의 주요 지역 교통소음 평균이 70 dBA 내외인 것을 감안하고 음원의 크기를 상향조정하여 실험을 실시하였다.
- 평면형 방음벽과 블록식 식생형 방음벽의 삽입손실의 성능 비교를 위해 유사한 두께와 면밀도를 가진 평면형 방음벽과 블록식 식생형 방음벽의 삽입손실을 비교하였다. 12 t와 24 t 평면형 방음벽의 비교를 통해 두께차이에 따른 삽입손실의 값을 비교하였고, 24 t의 평면형 방음벽과 20 mm크기의 블록식 방음벽과 비교하였는데 총 두께가 유사하여 평면형과 블록형의 단순비교가 가능하다.
대상 데이터
- 1/10 스케일 축소모형실험에서 실제 축척의 주파수보다 10배수 높은 대역의 주파수를 확인해야 하므로 음원은 고주파수대역의 스피커 음원을 사용하였다. Table 5에서는 축소모형실험 시 사용한 스피커의 출력레벨을 보여주고 있다.
- 1/2 축소모형실험 역시 KS I ISO 10847 ‘음향 - 옥외방음벽의 삽입손실 측s정’에 근거하여 진행하였다. 또한 실험을 위해 토양이 담긴1200여개의 식생블록을 걸고 식재역할을 대신할 인조이끼를 도포하였으며 그 모습은 Fig. 9에 나타난 바와 같다.
- 방음벽의 축소모형은 실제 높이 3 m, 길이 24 m의 방음벽을 1/10로 축소하여 높이 0.3 m, 길이 2.4 m로 제작하였으며 12 t두께의 MDF(Medium Density Fibreboard)패널과 나무각재를 이용하여 제작하였다. 식생블록의 크기를 15, 20, 25, 30 mm의 경우로 구분하였으며 (1/10 축척이므로 실제 15, 20, 25, 30 cm이다.
- 본 실험에서는 실제크기 길이 10 m, 높이 4 m의 방음벽의 1/2스케일로 제작하였으며[14]실제 블록의 크기는 20 × 20 cm의 1/2 축소모형인 10 × 10 cm크기로 제작하였다.
- 수음점은 고주파수에서 평탄한 주파수특성을 나타내는 1/8 inch 마이크로폰(B & K 4138)을 사용하였다.
이론/모형
- 설계된 식생형 방음벽의 형태의 음향성능을 평가하기 위해 KS I ISO 10847[11] “음향 - 옥외 방음벽의 삽입손실 측정”의 방법을 이용하여 1/10 스케일의 축소모형실험을 통해 삽입손실을 측정하였으며 직접법의 측정방법 기준을 따라 측정하였다.
성능/효과
- 1) 1/10 축소모형실험을 통해 평면형 방음벽보다 블록식 방음벽이 0.7 ~ 0.9 dB 더 높은 삽입손실을 나타냈으며 두께가 두꺼울수록 차이가 더 크게 나타났다. 블록의 크기가 클수록 더 높은 삽입손실을 나타내는 경향을 보였으며 20 × 20 cm 타입의 경우, 25 × 25 cm 타입보다 크기는 작지만 삽입손실이 더 크게 나타났다.
- 1/10 축소모형실험과 1/2 축소모형실험을 통해 식생형 방음벽이 기존 평면형 방음벽에 비해 좋은 음향성능을 보이는 것으로 나타났다. 실제 식생형 방음벽이 실용화되기 위해서는 무엇보다 소음저감성능을 최대화 하고 구조물의 형태를 보완하여 시공성을 향상시켜야 한다.
- 2) 12 t의 평면형 방음벽과 비교한 결과 블록식 방음벽이 2.5, 5, 10 m 거리에서 각각1.7, 1.9, 2.3 dB 더 높은 삽입 손실을 나타냈고, 블록식 방음벽과 두께가 비슷한 24 t의 평면형 방음벽과 비교한 결과 블록식 방음벽이 2.5, 5, 10 m 거리에서 각각 0.9, 0.7, 0.7 dB 더 높은 삽입 손실을 나타내며 블록식 방음벽의 소음 저감 성능을 나타냈다. 400 Hz이하의 구간에서 나타나는 작은 삽입손실의 경우 저주파수 대역에 의한 회절음장이 방음벽 후면 전반에 걸쳐 형성된 것으로 사료된다.
- 3) 1/2 축소모형실험에서 식생블록을 가진 식생형 방음벽의 음향성능은 기존 일반적인 평면형 방음벽의 방음성능인 약 5 ~ 10 dB보다[3]높은 약 14 ~17 dB의 만족스러운 방음성능을 보여주었다. 이는 방음벽의 형태가 소음의 반사뿐만 아니라 확산현상이 나타나며 식생블록 내부의 토양 및 식재가 흡음의 효과를 작용하는 것으로 사료된다.
- 4) 축소모형실험결과와 마찬가지로 저주파의 회절음장이 방음벽 후면에 걸쳐 형성되어 저주파수대역의 삽입손실이 작게 나타났으며 고주파수대역의 경우, 상대습도가 높았던 실험환경의 영향을 받아 삽입손실이 작게 나타난 것으로 판단된다. 500 Hz대역의 삽입손실이 급격하게 떨어진 이유는 방음판과 기둥, 식생블록 사이의 공간에서 일어나는 공진현상 과 실험 장소 환경의 영향으로 인한 에코현상 등으로 인한 영향이 작용한 것으로 예상된다.
- 5) 방음벽의 두께가 두꺼울수록 그 음향성능은 뛰어나며, 식생블록의 크기가 클수록 역시 방음성능이 뛰어난 것을 알 수 있지만 식생블록 제작비용, 운반 및 시공, 현실적인 문제를 고려하여 식생블록의 크기를 20 × 20 cm로 결정하였다.
- [4] 본 논문에서 다루고자 하는 식생형 방음벽은 설치목적이나 음향적 특성, 재료적인 측면 등으로 구분할 성격이 아니므로 별도로 식생적용 여부에 따라 일반형과 식생형 방음벽으로 구분할 수 있다.
- 9 dB 높은 삽입손실을 나타냈으며 수음점이 멀어질수록 평면형과 블록식 방음벽 간의 삽입손실 차이는 점점 줄어들고 있음을 볼 수 있다. 또한 평면형태의 방음벽의 두께가 얇고 블록식 방음벽의 식생블록이 작을 때 삽입손실이 작게 나타났다.
- 모든 주파수대역의 삽입손실을 평균한 값에서 그 차이를 확실히 알 수 있는데 2.5 m 떨어진 수음점 거리를 기준으로 블록식 방음벽이 평면형 방음벽보다 0.9 dB 높은 삽입손실을 나타냈으며 수음점이 멀어질수록 평면형과 블록식 방음벽 간의 삽입손실 차이는 점점 줄어들고 있음을 볼 수 있다. 또한 평면형태의 방음벽의 두께가 얇고 블록식 방음벽의 식생블록이 작을 때 삽입손실이 작게 나타났다.
- 분석결과 방음판벽의 두께가 두꺼워질수록, 블록의 크기가 커질수록 더 높은 삽입손실을 나타냈으며 주파수별 특성을 살펴보면 저주파수대역에선 큰 차이를 보이지 않았으나 고주파수대역으로 갈수록 조금씩 편차를 보이며 대부분의 주파수대역에서 식생방음블록을 가진 방음벽에서 일반적인 평면형태의 방음벽보다 좀 더 높은 삽입손실을 나타냈다.
- 블록의 크기가 클수록 더 높은 삽입손실을 나타내는 경향을 보였으며 20 × 20 cm 타입의 경우, 25 × 25 cm 타입보다 크기는 작지만 삽입손실이 더 크게 나타났다.
- 식생형 방음벽 최종설계안의 가장 큰 특징은 입체적인 표면의형상과 벽면에 배치된 식물과 토양과 식재가 포함한 블록이 있다는 것이다. 벽체의 차음성능은 투과손실에서의 큰 차이를 가져오게 되는데 이러한 투과손실은 벽체의 면밀도에 비례한다.
- 실험결과, 주파수대역 별 특성을 살펴보면 대체로 저주파수대역에서 고주파수대역으로 갈수록 점차 상승하다가 500 Hz대역에서 급격히 감소하고 이후 주파수대역이 올라갈수록 삽입손실의 증가와 감소가 반복적으로 나타나며 다시 고주파대역으로 갈수록 낮은 삽입손실을 나타내고 있다.
- 기준 위치와 수음자 위치에서 측정하는데 두 경우 모두에서 동일한 기준 위치와 수음자 위치를 사용해야 한다. 야외실험이므로 비교적 암소음레벨이 낮은 밤시간대에 실험을 실시하였으나 상대적으로 높은 약 43 dBA로 측정되었다. 우리나라의 주요 지역 교통소음 평균이 70 dBA 내외인 것을 감안하고 음원의 크기를 상향조정하여 실험을 실시하였다.
- 예외적으로 25 cm 크기의 경우, 20 cm 크기보다 작은 삽입손실을 나타냈다. 이러한 결과는 수음점의 거리가 변하더라도 동일하게 나타났으며 거리가 멀어질수록 식생블록의 크기에 따른 삽입손실이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 적절한 크기의 식생형 방음블록은 수음점의 거리가 멀어질수록 그 효과가 부각될 것으로 해석할 수 있다.
- 차이가 크지 않으나 블록식 방음벽이 평면형 방음벽보다 높은 삽입손실을 나타낸다. 이러한 삽입손실의 차이는 방음벽의 두께와 수음점 거리를 달리 하였을 경우에도 그 경향이 동일하게 나타나는 것으로 볼 때, 방음벽 표면 형상에 의한 영향으로 사료되며 수음점이 방음벽에 가까울수록 삽입손실의 차이가 더욱 분명하게 나타났다.
- 일반적인 방음벽과의 비교를 위해 24 t의 평면형 방음벽과 20 t의 블록식 방음벽을 비교한 결과, 수음점 거리 2.5 m에서 0.9 dB, 5 m에서 0.7 dB, 10 m에서 0.7 dB 평면형 방음벽보다 블록식 방음벽이 높은 삽입 손실을 나타내었다.
- 전 주파수대역을 평균한 값으로 보면 식생형 방음벽의 블록의 크기가 클수록 더 높은 삽입손실을 나타내는 경향을 확인할 수 있다. 예외적으로 25 cm 크기의 경우, 20 cm 크기보다 작은 삽입손실을 나타냈다.
- 제작한 방음벽 구조물은 철재로 만들어 졌으며 기존 방음벽 구조물과 유사한 구조로써 방음역할을 하며, 식생블록을 걸어 흡음 및 확산효과를 기대할 수 있다. 식생블록이 걸리는 방음벽판, 기둥, 기초부재로 구성되어 있으며 각 부재는 볼트접합으로 조립 및 해체가 가능하다.
후속연구
- 실제 식생형 방음벽이 실용화되기 위해서는 무엇보다 소음저감성능을 최대화 하고 구조물의 형태를 보완하여 시공성을 향상시켜야 한다. 또한 우리나라기후조건에 맞는 식생의 적용과 식재 생장환경 개선에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 식생블록의 입체적인 형상이 반복적으로 걸어져 만들어지는 식생형 방음벽은 모듈화 형식을 취하고 있다. 또한 입체적인 표면형태로 음의 확산을 일으켜 소음을 더욱 효과적으로 흡음 및 저감할 수 있을 것으로 예상된다.
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