근접 방음벽의 음향성능평가 및 삽입손실 예측을 위한 근사식의 제안 Acoustic Performance Evaluation of Noise Barriers Installed Adjacent to Rails and Suggestion of Approximation Formula for the Prediction of Insertion Loss원문보기
본 논문에서는 선로와 근접하여 설치하는 근접 방음벽에 관한 음향성능평가와 근접 방음벽의 삽입손실 예측을 위해 경계요소법 대신에 비교적 용이하게 사용 가능한 근사식의 제안에 관한 연구를 수행하였다. 우선, 근접 방음벽을 축척 모형으로 제작하여 무향실에서 음향성능평가를 수행하였으며, 스피커 음원 위치에 따른 총합 삽입손실을 등고선 형태로 분석하였다. 그리고, 무향실에서 수행한 축척 모형 근접 방음벽에 대한 삽입손실 측정결과를 이용하여 다양한 형상의 근접 방음벽에 대한 삽입손실 예측을 위한 근사식을 제안하였다. 또한, 무향실에서의 측정결과 및 예측결과와의 상호 비교를 통해 예측 프로그램의 타당성을 검증하였다. 마지막으로, 열차 소음원의 주파수 특성을 고려하고 높이가 1.0m, 상부 방음판의 크기가 0.5m이며 'ㄱ'자 형상을 갖는 흡음형 근접 방음벽을 철도의 건축한계선에 설치하는 경우에 대한 삽입손실 예측 및 음향성능 평가를 수행하였으며, 삽입손실 예측을 위한 근사식을 제안하였다.
본 논문에서는 선로와 근접하여 설치하는 근접 방음벽에 관한 음향성능평가와 근접 방음벽의 삽입손실 예측을 위해 경계요소법 대신에 비교적 용이하게 사용 가능한 근사식의 제안에 관한 연구를 수행하였다. 우선, 근접 방음벽을 축척 모형으로 제작하여 무향실에서 음향성능평가를 수행하였으며, 스피커 음원 위치에 따른 총합 삽입손실을 등고선 형태로 분석하였다. 그리고, 무향실에서 수행한 축척 모형 근접 방음벽에 대한 삽입손실 측정결과를 이용하여 다양한 형상의 근접 방음벽에 대한 삽입손실 예측을 위한 근사식을 제안하였다. 또한, 무향실에서의 측정결과 및 예측결과와의 상호 비교를 통해 예측 프로그램의 타당성을 검증하였다. 마지막으로, 열차 소음원의 주파수 특성을 고려하고 높이가 1.0m, 상부 방음판의 크기가 0.5m이며 'ㄱ'자 형상을 갖는 흡음형 근접 방음벽을 철도의 건축한계선에 설치하는 경우에 대한 삽입손실 예측 및 음향성능 평가를 수행하였으며, 삽입손실 예측을 위한 근사식을 제안하였다.
In this paper, an investigation was conducted to evaluate the acoustic performance of low height noise barriers installed adjacent to rails; an easy-to-use approximation formula was suggested for the evaluation of insertion loss (IL), instead of using the boundary element method. At first, the acous...
In this paper, an investigation was conducted to evaluate the acoustic performance of low height noise barriers installed adjacent to rails; an easy-to-use approximation formula was suggested for the evaluation of insertion loss (IL), instead of using the boundary element method. At first, the acoustic performance of the low height noise barriers was measured in an anechoic chamber using a scaled down model; the overall IL according to the source location was analyzed with the equivalent IL contour line. Using the measurement results obtained from the scaled down model, an approximation formula was suggested for the IL of low height noise barriers having various shapes. Also, the prediction program was validated through a comparison between the actual measurement results in the anechoic chamber and the prediction results. Finally, using the prediction program, an approximation formula for IL was suggested for the low height noise absorption barriers. Considering the frequency characteristics of the noise sources of the train, the absorptive low height noise barriers have a 'ㄱ' type shape, a height of 1.0m, and a length of 0.5m when they are installed on the structure gauge for the train.
In this paper, an investigation was conducted to evaluate the acoustic performance of low height noise barriers installed adjacent to rails; an easy-to-use approximation formula was suggested for the evaluation of insertion loss (IL), instead of using the boundary element method. At first, the acoustic performance of the low height noise barriers was measured in an anechoic chamber using a scaled down model; the overall IL according to the source location was analyzed with the equivalent IL contour line. Using the measurement results obtained from the scaled down model, an approximation formula was suggested for the IL of low height noise barriers having various shapes. Also, the prediction program was validated through a comparison between the actual measurement results in the anechoic chamber and the prediction results. Finally, using the prediction program, an approximation formula for IL was suggested for the low height noise absorption barriers. Considering the frequency characteristics of the noise sources of the train, the absorptive low height noise barriers have a 'ㄱ' type shape, a height of 1.0m, and a length of 0.5m when they are installed on the structure gauge for the train.
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문제 정의
이를 위해 근접 방음벽을 축척 모형으로 제작하여 무향실에서 음향성능평가를 수행하였으며, 경계요소법을 이용한 해석 프로그램의 타당성 검토 및 열차 소음원을 고려한 삽입손실의 예측을 수행하였다. 또한, 축척 모형을 이용한 무향실에서의 측정결과 및 실제 크기의 모델에 대한 음향해석 결과를 이용하여 경계요소법을 이용한 근접 방음벽의 삽입손실 예측 대신에 현장에서 사용이 용이하도록 간단히 계산 가능한 근사식을 제안하고자 하였다.
본 논문에서는 근접 방음벽의 음향성능평가와 삽입손실 예측을 위한 근사식의 제안에 관한 연구를 수행하고자 하였다. 이를 위해 근접 방음벽을 축척 모형으로 제작하여 무향실에서 음향성능평가를 수행하였으며, 경계요소법을 이용한 해석 프로그램의 타당성 검토 및 열차 소음원을 고려한 삽입손실의 예측을 수행하였다.
본 연구에서는 근접 방음벽에 대한 음향성능평가 및 삽입손실 예측을 위한 근사식을 제안하는 연구를 수행하였으며, 주요 연구 결과는 다음과 같다.
가설 설정
그리고, 근접 방음벽은 유동저항이 13,000mks rayl/s를 갖는 글라스울 흡음재가 부착된 ‘ㄱ’자 형태로 가정하였으며, 높이는 1.0m, 방음판 상부 길이는 0.5m로 가정하였다.
0m로 가정하였다. 그리고, 소음원의 위치는 선로 중앙의 바닥으로 가정하였다. 음향해석에 필요한 흡음재의 음향특성은 Delany와 Bazley가 제안한 모델을 이용해 어드미턴스를 수치적으로 계산한 후 해석 프로그램의 경계조건으로 입력하였다.
5m로 가정하였다. 또한, 방음벽 끝단과 열차 외벽과의 최단 거리는 열차의 건축한계선에 해당하는 0.5m, 방음벽 끝단과 소음원과의 최단 거리는 2.0m로 가정하였다. 그리고, 소음원의 위치는 선로 중앙의 바닥으로 가정하였다.
제안 방법
· 무향실에서 수행한 축척 모형 근접 방음벽에 대한 삽입손실 측정결과를 이용하여 다양한 형상의 근접 방음벽에 대한 삽입손실 예측을 위한 근사식을 제안하였다.
· 음원이 열차 중앙 바닥에 위치하며, 높이가 1.0m이고 상부 방음판의 크기가 0.5m이며 ‘ㄱ’자 형상을 갖는 흡음형 근접 방음벽을 철도의 건축한계선에 설치하는 경우에 대한 삽입손실 예측 및 음향성능 평가를 수행하였으며, 삽입손실 예측을 위한 근사식을 아래의 식과 같이 제안하였다.
경계요소법을 기반으로 하는 예측 프로그램인 OpenBEM을 이용한 예측결과를 무향실에서 수행한 축척 모형에 대한 측정결과와 비교·분석하여 예측 프로그램에 대한 타당성을 검증하였다.
3에 나타내었으며, 스피커는 S1과 S2 위치에 설치하였고 음원은 백색잡음으로 발생시켰다. 그리고 삽입손실 측정은 반무향실에서 수행하였으며, 1/3옥타브밴드의 30초 등가소음도로 분석하였다. 그리고, 총합 삽입손실(overall insertion loss)은 동일한 마이크로폰 설치 위치에서 방음벽 설치 전 모델인 Case 1과 Case 2~Case 6과의 총합 음압레벨 차이(overall SPL difference)로부터 구하였다.
그리고 삽입손실 측정은 반무향실에서 수행하였으며, 1/3옥타브밴드의 30초 등가소음도로 분석하였다. 그리고, 총합 삽입손실(overall insertion loss)은 동일한 마이크로폰 설치 위치에서 방음벽 설치 전 모델인 Case 1과 Case 2~Case 6과의 총합 음압레벨 차이(overall SPL difference)로부터 구하였다.
근접 방음벽의 경우 방음벽이 선로에 근접하여 설치되며, 또한 반사음의 영향으로 인해 부지경계선에 설치되는 일반적인 방음벽과는 다른 음향성능을 가질 것으로 예상되는바 정량적인 분석을 위해 삽입손실 측정을 수행하였다. 이를 위해 실제 모델에 비해 ’1/3’의 축척비를 갖는 크기로 열차 및 방음벽의 모형을 제작하였으며, Table 2와 같은 다양한 경우에 대한 측정을 수행하였다.
따라서, 경계요소법을 이용하면 보다 정확한 음향성능의 예측이 가능하나, 경계요소법은 사용하기가 까다롭고 해석시간이 오래 소요되며, 별도의 소음해석 전용 프로그램을 사용해야 하므로 매우 번거롭다. 따라서, Ogata[13]가 선행 연구한 바와 같이 엑셀에서 제공하는 2차 다항식 추세선을 이용해 근접 방음벽의 삽입손실 예측을 위한 근사식을 제안하였다. Fig.
근접 방음벽의 삽입손실 평가를 위해서는 차량 종류별 소음원의 주파수특성이 필요하다. 본 논문에서는 한국철도시설공단에서 제공하는 소음예측 프로그램인 KRNoise[6]를 이용하여 열차 종류별(디젤전기, 전기기관차, KTX, 전철) 주파수특성을 분석하였다. Fig.
근접 방음벽의 설치 유·무에 따른 수음점 위치에서의 총합 삽입손실을 평가하기 위해서는 열차 소음원의 특성을 고려하여 평가해야 한다. 이를 위해 Table 6과 같이 본 논문의 2.1.2절에서 언급한 KRNoise를 이용하여 방음벽 설치 전 평가 위치에서의 소음레벨을 예측하고, 예측 프로그램(OpenBEM)을 이용하여 구한 삽입손실로부터 최종 평가 위치에서의 총합 삽입손실을 계산하였다. KRNoise로 계산 시 입력한 주요 인자는 Table 7과 같이 임의로 입력하였다.
본 논문에서는 근접 방음벽의 음향성능평가와 삽입손실 예측을 위한 근사식의 제안에 관한 연구를 수행하고자 하였다. 이를 위해 근접 방음벽을 축척 모형으로 제작하여 무향실에서 음향성능평가를 수행하였으며, 경계요소법을 이용한 해석 프로그램의 타당성 검토 및 열차 소음원을 고려한 삽입손실의 예측을 수행하였다. 또한, 축척 모형을 이용한 무향실에서의 측정결과 및 실제 크기의 모델에 대한 음향해석 결과를 이용하여 경계요소법을 이용한 근접 방음벽의 삽입손실 예측 대신에 현장에서 사용이 용이하도록 간단히 계산 가능한 근사식을 제안하고자 하였다.
이를 위해 실제 모델에 비해 ’1/3’의 축척비를 갖는 크기로 열차 및 방음벽의 모형을 제작하였으며, Table 2와 같은 다양한 경우에 대한 측정을 수행하였다.
10과 같이 실제 현장에 적용 가능한 실제 크기의 모델을 고려하였다. 이를 위해, 수평방향으로는 선로 중심으로부터 각각 7.5~30m 사이에 이격된 지점을, 그리고 수직방향으로는 1.5~12m까지 1.5m 간격으로 등분하여 총 48개의 평가위치를 선정하였다. 그리고, 근접 방음벽은 유동저항이 13,000mks rayl/s를 갖는 글라스울 흡음재가 부착된 ‘ㄱ’자 형태로 가정하였으며, 높이는 1.
대상 데이터
축척 모형 시험 시 사용한 흡음재의 재질은 폴리우레탄이며 두께는 20mm의 것을 사용하였다. 그리고, Fig.
이론/모형
6. Deduction method of approximation formula for the evaluation of IL of low height noise barriers.
음향 경계요소법(BEM, Acoustic 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 방법이다[4]. 본 논문에서는 Peter M. Juhl 박사가 개발한 OpenBEM 예측 프로그램을 사용하였다[5]. 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.
그리고, 소음원의 위치는 선로 중앙의 바닥으로 가정하였다. 음향해석에 필요한 흡음재의 음향특성은 Delany와 Bazley가 제안한 모델을 이용해 어드미턴스를 수치적으로 계산한 후 해석 프로그램의 경계조건으로 입력하였다.
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.
흡음재의 음향특성은 특성임피던스와 전파상수로 표현되며 모두 복소수의 값을 갖는다. 흡음재의 특성임피던스 및 전파상수는 Utsuno가 제안한 Two cavity method[7]를 이용해 실험적으로 구할 수 있다. 반면에, 일반적으로 잘 알려진 암면과 유리면에 대해서는 Delany와 Bazley가 제안한 모델[8]이 있고, 폴리에스터 흡음재에 대해서는 Garai와 Pompoli가 제안한 모델[9]이 있어 수치적으로도 계산이 가능하다.
성능/효과
· 무향실에서의 측정결과 및 예측결과와의 상호 비교를 통한 예측 프로그램의 타당성 검증을 수행하였으며, 방음판에 흡음재가 설치된 경우에도 비교적 정확한 삽입손실의 예측이 가능함을 확인하였다.
따라서, 다양한 형태의 근접 방음벽에 대한 소음해석 시 Table 4의 근사식을 사용해도 큰 무리는 없으리라 예상되나, 환경영향평가와 민원 발생구간에의 대응과 같은 정밀도를 요구하는 경우에는 경계요소법을 이용하여 보다 정확한 예측을 수행하는 것이 바람직할 것으로 예상된다. 다만, 각도가 증가할수록 상호간의 삽입손실 차이가 조금씩 증가하고 있는데, 이것은 축척 모형 실험 시 사용한 흡음재의 두께가 20mm로 축척 모형에 비해 상대적으로 조금 두꺼운 편이었으며, 이러한 흡음재 두께에 의한 영향으로 축척 모형 실험 시 각도가 큰 경우에는 삽입손실이 실제보다도 큰 값으로 측정된 것으로 판단된다. 또한, 축척 모형인 Case 6은 스피커 음원이고 실제 크기의 Fig.
후속연구
참고로, 총합 삽입손실(overall insertion loss)을 계산하는 방법에 대해서는 Table 6에 간단히 설명하였으며, 삽입손실 계산 시 필요한 음원은 현장에서 사용된 스피커 음원을 적용하여 평가하였다. 따라서, 예측 프로그램을 이용하면 비교적 정확한 예측이 가능할 것으로 예상되는 바, 근접 방음벽에 대한 삽입손실 예측을 수행하기 위해 본 연구에서 사용한 예측 프로그램을 사용해도 무방하리라 판단된다.
이러한 근사식은 음원이 열차 중앙 바닥에 위치하며, 높이가 1.0m이고 상부 방음판의 크기가 0.5m이며 ‘ㄱ’자 형상을 갖는 흡음형 근접 방음벽을 철도의 건축한계선에 설치하는 경우에 대한 삽입손실 예측을 위해 유용하게 사용될 수 있을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도의 특징은 무엇인가?
철도는 물류 및 승객의 수송 능력과 에너지 효율이 다른 교통수단에 비해 우수하다. 따라서, 정부에서도 앞으로 10년 동안 시속 200km로 달리는 준고속철도망 구축 사업을 올해 발표한 바 있다.
철도 소음을 줄이기 위해 연구되는 방안에는 무엇이 있는가?
그러나, 선로 주변에 민가 특히 고층아파트가 있는 경우에는 철도 소음으로 인한 심각한 민원을 초래하게 된다. 이러한 철도 소음을 줄이기 위해 방음벽, 방음벽 상단장치 및 흡음블럭 등의 현장 설치가 고려되고 있으며[1], 외국의 경우에는 높이가 낮은 방음벽을 선로에 근접하여 설치하는 방안에 대해 연구하고 있다[2,3].
본 논문에서 수행한, 근접 방음벽에 대한 음향성능평가 및 삽입손실 예측을 위한 근사식을 제안하는 연구의 결과는 어떠한가?
· 무향실에서 수행한 축척 모형 근접 방음벽에 대한 삽입손실 측정결과를 이용하여 다양한 형상의 근접 방음벽에 대한 삽입손실 예측을 위한 근사식을 제안하였다.
· 무향실에서의 측정결과 및 예측결과와의 상호 비교를 통한 예측 프로그램의 타당성 검증을 수행하였으며, 방음판에 흡음재가 설치된 경우에도 비교적 정확한 삽입손실의 예측이 가능함을 확인하였다.
· 음원이 열차 중앙 바닥에 위치하며, 높이가 1.0m이고 상부 방음판의 크기가 0.5m이며 ‘ㄱ’자 형상을 갖는 흡음형 근접 방음벽을 철도의 건축한계선에 설치하는 경우에 대한 삽입손실 예측 및 음향성능 평가를 수행하였으며, 삽입손실 예측을 위한 근사식을 아래의 식과 같이 제안하였다. 이러한 근사식은 무향실에서의 측정결과와 비교 시 모든 각도에 대해 ±2.1dB 이내의 차이값을 갖는 것으로 나타나 비교적 정확한 예측이 가능하리라 판단되지만, 환경영향평가와 민원 발생구간에의 대응과 같은 정밀도를 요구하는 경우에는 경계요소법을 이용하여 보다 정확한 예측을 수행하는 것이 바람직할 것으로 예상된다.
IL=0.004θ2-0.4755θ+16.895
참고문헌 (13)
J.T. Kim, Y.H. Hong (2007) Installation effect on noise reducer for railway traffic noise, Journal of the Korean Society for railway, 10(3), pp. 278-283.
www.tuxbel.eu, www.zbloc-international.com, www.forster.at (Accessed 8 April 2016).
Alexandre Jolibois (2014) A study on the acoustic performance of tramway low height noise barriers : gradient-based numerical optimization and experimental approaches, PhD Thesis, Paris-EST University.
J.K. Lee (1993) Fundamentals and applications of Acoustic BEM, The Korean Society for Noise and Vibration Engineering, pp. 85-108.
www.openbem.dk (Accessed 2 April 2014).
KRNoise (2013) V1.4 Manual, Korea Rail Network Authority.
H. Utsuno, T. Tanaka, T. Fujikawa, A.F. Seybert (1989) Transfer function method for measuring characteristic impedance and propagation constant of porous materials, Journal of Acoustical Society of America, 86(2), pp. 637-643.
J.W. Yoon, K.S. Jang, Y.T. Cho (2016) Acoustic performance evaluation and prediction for low height noise barriers installed adjacent to rails using scale down model, Journal of the Korean Society for railway, 19(2), pp. 124-134.
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