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터널 내부 도상 블록형 흡음재의 고속철도차량 내부 소음에 미치는 영향에 대한 고찰
Investigation into influence of sound absorption block on interior noise of high speed train in tunnel 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.37 no.4, 2018년, pp.223 - 231  

이상헌 (부산대학교) ,  정철웅 (부산대학교) ,  이송준 (부산대학교) ,  김재환 (현대로템) ,  손동기 ((주)지이티-피씨) ,  심규철 ((주)지이티-피씨)

초록
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최근 여러 환경적인 요인으로 인해 기존의 자갈 도상의 터널에서 콘크리트 도상의 터널로 교체가 되고 있지만 콘크리트 도상 터널의 경우 자갈 도상의 터널 보다 소음에 악영향을 미치고 있어 부수적으로 소음에 대한 대책이 필요한 실정이다. 이러한 대책 중 하나로 흡음블록은 설치의 제약이 적고 쉽고 빠르게 설치가 가능하기 때문에 많은 철도에서 시범적으로 적용되고 있다. 하지만 실제 환경과 운영조건에서 흡음블록의 성능에 대한 검증이 필요한 실정이다. 본 논문에서는 터널 내의 흡음블록의 성능을 확인하기 위해 흡음블록의 소음저감효과의 예측뿐만 아니라 호남선의 달성터널의 일부 구간에 흡음블록 설치 전 후의 KTX 실내 소음을 측정하고 그 결과를 비교, 분석하였다. ISO 3381를 준용한 측정장비, 측정방법을 사용하여 고속철도차량 실내소음을 측정하였으며, 터널 내부 운행시간동안에 등가소음도를 계산했다. 또한 흡음블록의 주파수별 흡음특성과 객실내부 장치소음이 영향을 주는 주파수 영역의 영향을 고려하기 위하여 가청주파수 영역 전체에 대한 등가소음도 뿐만 아니라 1/3-octave band를 기초로 주파수 영역대별 영향도도 함께 분석하였다. 또한, 열차의 운행속도와 측정시의 환경조건 등을 고려하여 흡음블록의 실내소음에 대한 영향을 평가하기 위하여 달성터널 전후에 위치한 터널내부 소음 측정값을 사용하여 보정하였다. 측정 결과의 분석을 통하여 흡음블록위에서 주행 할 때 최대 6.8 dB(A) 저감량을 나타내었다. 최종적으로 열차실내소음에 대한 1/3-octave band SPLs(Sound Pressure Levels) 예측값과 실측값을 비교하여 흡음블록에 의한 소음저감 메커니즘에 대한 이해를 증진시켰다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, due to various environmental problems, blast tracks in tunnel are replaced with concrete tracks, but they have more adverse effects on noise than blast tracks so that additional noise measures are needed. Among these measures, sound-absorbing blocks start to be used due to its easy and qui...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 앞 절에서 기술한 바와 같이 측정값은 여러 환경적인 요인을 포함하여 흡음블록의 실질적인 효과를 가늠할 수 있는 반면에 제어할 수 없는 여러 요인으로 인하여 설계자의 입장에서는 흡음블록의 물리적인 효과를 정확하게 가늠하기에 미흡한 면이 있다. 따라서 본 절에서는 흡음블록에 의한 KTX 실내소음 예측값을 측정값과 비교함으로써 물리적인 저감 메커니즘을 규명하고자 한다. 잔향실에서 측정한 흡음블록의 주파수별 흡음율을 이용하여 터널내부를 운행중인 KTX열차의 실내소음 변화를 예측하였다.
  • 본 논문은 국토교통과학기술진흥원에서 지원하는 “호남고속철도 테스트베드를 활용한 인프라 통합모니터링 시스템 구축 및 소음저감장치 고도화” 연구단 과제의 연구성과임을 밝히며, 이에 감사드린다.
  • 본 연구에서는 실제 운행 중인 KTX 차량과 호남선에 위치한 달성터널의 일부 구간을 대상으로 흡음 블록 설치전 ‧ 후에 실내소음을 측정함으로써 흡음 블록의 실내소음에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 실내소음의 정량적인 평가를 위해 등가소음도를 사용하였다.
  • 본 연구에서는 호남선의 달성터널에 흡음블록 설치 전 ‧ 후의 KTX 객차 실내소음 측정 및 예측을 통하여 흡음블록의 효과를 정량적으로 확인하였다. 공력소음만을 고려한 흡음블록의 소음 저감량 예측에서는 4 dB(A)의 저감 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
  • 또한 흡음블록의 주파수별 흡음특성과 객실 내부 장치 소음이 영향을 주는 주파수 영역의 영향을 고려하기 위하여 가청주파수 영역대에서의 1/3-octave band level 분석도 추가로 수행하였다. 측정시의 열차운행 조건과 객차, 환경 요인들에 의한 영향을 고려하기 위하여 달성터널 앞뒤에 위치한 터널내 실내소음측정결과를 보정하여 흡음블록에 의한 영향을 최대한 객관적으로 평가하고자 하였다. 마지막으로 잔향실에서의 실험을 통하여 측정한 흡음블록의 흡음율을입력값으로 터널내에서 KTX 열차의 터널내부 진행 시 내부소음을 예측하고 측정값과 비교하였다.

가설 설정

  • 또한 터널에서는 airborne noise가 지배적이므로 airborne noise 모델링만으로 소음저감 예측을 실시하였다.[8] 대상차량이 중간객차이므로 구동장치 소음의 영향은 거의 없고, 차륜-레일의 전동음과 공력소음이지배적이다. 따라서 예측에서는 관절형 대차 위치에 차륜-레일 소음원을 위치시키고, 차량의 차체 주변에 공력소음원을 배치하여 예측값이 부설 전 측정값에 근접하도록 공력 소음원의 음향파워레벨을 조정하였다.
  • 열차는 터널 구간에서 일정한 속도로 운행한다고 가정 하고 열차의 평균 속력을 계산 후 흡음블록 위를 달리는 시간을 계산하였다. 열차의 평균 속도는 Table 3과 같다.
  • 측정 당시 차량의 터널 진·출입 시간은 창문 밖을 동영상(29 frame/s)으로 촬영을 통해 확인하였다. 흡음블록의 위치는 철도차량이 일정한 속도로 터널을 주행한다는 가정 하에 촬영한 동영상의 시간과 터널의 길이를 바탕으로 평균속력을 구하여 흡음 블록 위에서 주행하는 시간을 계산했다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고속철도차량 운행 시 발생하는 소음은 어떤 환경에서 더 크게 발생하는가? 고속철도차량 운행 시 발생하는 소음은 개활지 보다 터널 운행에서 더 높은 소음을 발생 시키는데, 이는 고속철도차량에서 발생하는 소음이 터널 외부로 빠져 나가지 못하고 터널 내부에서 잔향 음장을 형성하기 때문이다. 또한 최근 도상의 유지관리 및 천연골재 고갈 등 환경문제로 인해 자갈도상의 터널이 콘크리트 도상의 터널로 교체가 되고 있는 추세인데 콘크리트 도상은 자갈도상보다 소음적인 측면에서 악영향을 끼쳐 부수적인 소음에 대한 대책이 필요한 실정이다.
콘크리트 도상은 기존의 자갈 도상보다 소음적인 측면에서 악영향을 끼치는데 이를 해결하기 위한 방법으로는 무엇이 있는가? 이러한 콘크리트 도상의 단점을 보완하기 위해 여러 가지 소음저감 장치가 개발되어 왔다. 레일 웹댐퍼는 철도에 설치하여 철도 차량의 휠과 레일상에서 발생하는 전동소음을 저감시킬 수 있고, 도유기 설치는 커브구간에서 휠의 플렌지면과 철도 사이에간헐적으로 발생하는 고주파의 스퀼소음을 저감시킬 수 있다. 또한 흡음블록은 터널에서 발생한 소음의 에너지를 흡수함으로써 터널내 소음의 크기를 감소시킬 수 있다. 이중 흡음블록은 다른 소음저감 장치에 비해 설치의 큰 제약이 없고, 쉽고 빠르게 설치가 가능하여 일부 구간에서 시범적으로 적용되고 있지만 고속철도차량의 실제 운영 환경에서 그 성능의 검증이 이루어지지 않고 있다.
철도 차량 운행속도의 증가로 인하여 발생하는 문제점은 무엇인가? 이에 따라 국내의 철도 차량 관련 기술도 꾸준히 성장하여 현재는 400 km/h급의 고속 철도 차량이 등장하였다. 하지만 이러한 운행속도의 증가는 전통적인 철도차량 바퀴와 철로 사이의 구름소음뿐만 아니라 공력 소음 또한 증가 시키고 있다. 차량에서 발생하는 소음은 차량의 천장과 바닥 또는 옆벽을 통하여 내부로 전파되고 이러한 소음으로 인해 철도차량을 이용하는 승객은 불편함을 겪을 수 있다.
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참고문헌 (8)

  1. H. -J. Lee, S. -T. Oh, and D. -J. Lee, "An optimal mix design of sound absorbing blokc on concrete ballast in urban train tunnel" (in Korean), J. Korean Tunnelling Underground Space Association, 18, 75-82 (2016). 

  2. T. H. Park, J. H. Ko, K. M. Lee, D. K. Son, and S. I. Chang, "The effect of shape on the absorption coefficient of noise absorbing block for hi-speed railway" (in Korean), Trans. KSNVE, 2012, 323-324 (2012). 

  3. C. -K. Hong, Jeong R. T. Jeong, and B. -H. Kim,"A study on an analysis of noise reduction effects using the tentatively installed sound-absorbing materials in metro tunnel" (in Korean), Koeran Society for Railway, 2008.11, 125-131 (2008). 

  4. KS | ISO 3381 : 2014, Acoustics-measurement of noise inside railbound vehicles. 

  5. D. J. Kang, I. R. Chung, S. K. Jang, C. Y. Seo, J. C. Park, Y. C. Kim, and J. K. Hong. "Characteristic of high speed railway noise" (in Korean), National Institute of Environmental Research (2001). 

  6. J. S. Ryue and S. H. Jang, "Comparison of track vibration characteristics for domestic railway tracks in the aspect of rolling noise" (in Korean), J. the Korean Society for Railway, 16, 85-92 (2013). 

  7. I. -K. Na and B. -C. Goo, "Frequency band of the squeal noise of KTX trains" (in Korean), J. the Koreans Society for Railway, 2013, 1137-1141 (2013). 

  8. H. S. Lim, H. S. Jang, J. H. Kim, B. H. Kim, and K. -B. Park, "Advanced transfer path analysis of interior noise for the electric multiple unit" (in Korean), J. KSNVE, 27, 2017, 389-396 (2017). 

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