[논문]비상방송용 스피커의 음향 특성 비교

정정호; 서보열; 박계원; 신이철; 홍원화

doi:10.7731/kifse.2019.33.1.130

비상방송용 스피커의 음향 특성 비교
Acoustic Characteristic of Emergency Broadcasting Speakers 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.33 no.1, 2019년, pp.130 - 137

정정호 (한국화재보험협회 부설 방재시험연구원) , 서보열 (한국화재보험협회 부설 방재시험연구원) , 박계원 (한국화재보험협회 부설 방재시험연구원) , 신이철 (한국화재보험협회 부설 방재시험연구원) , 홍원화 (경북대학교 건축학부)

초록
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본 연구에서는 비상방송용 스피커 13종을 대상으로 UL 2043 화재 시험 조건에서 광대역 음원을 발생시켜 13종 비상방송용 스피커의 특성을 분석하였다. 1 W 스피커의 특성을 15 W 출력 스피커와 비교하면 20 dB 이상 낮은 주파수 대역도 있는 것으로 나타났다. Loudness 분석 결과 1 W와 10 W 이상 출력의 스피커의 음향 크기를 비교하면 사람이 2배 이상의 크기로 차이를 느끼게 되는 것이다. Articulation index (room)는 Loudness와는 반대로 스피커의 출력이 감소함에 따라 증가되는 경향을 갖는 것으로 나타났다. 이상의 결과에서 스피커의 출력이 커지면 발생되는 음량은 증가하지만 명료하게 스피커에서 발생되는 음향의 명료도는 낮아지는 것으로 분석되었다. 향후 다양한 공간에 충분하고 명료한 음향이 발생되도록 비상방송용 스피커를 개선과 비상방송용 스피커의 음향 특성을 합리적이고 정량적으로 측정 평가할 수 있는 표준 기반과 성능 평가 기준 설정이 필요하다. 또한 다양한 공간의 비상방송음 명료도 기준 등을 수립하는 것이 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the acoustic characteristics of 13 types of emergency broadcasting speakers were tested under the test set-up of UL 2043 and compared. When the sound pressure level of 1 W speakers was compared with speakers with a 15 W output, the SPL of the 15 W speakers was approximately 20 dB higher in some frequency bands. Loudness analysis showed that people can recognize emergency sound from a 15 W speaker twice as loud as the emergency sound from 1 W speakers. The analysis results on the articulation index (room) had an opposite tendency with loudness results, meaning that small speakers can generate clearer sound. Therefore, it is necessary to improve emergency broadcasting speakers to generate louder and clearer sound. Moreover, a performance evaluation standard is needed based on the reasonable and quantitative measurements and evaluations of the acoustic characteristics of the emergency-broadcasting speakers so that a sufficient and clear sound can be generated in various spaces. In addition, it is necessary to establish standards for the clarity of emergency broadcasting in various spaces.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. Experimental set-up for acoustics characteristics of emergency broadcasting speakers based on UL 2043 test.
표 Table 1. Specification of Emergency Broadcasting Speakers
그림 Figure 2. Frequency characteristics of emergency broadcasting speakers with 15 W output.
표 Table 2. Specification of Emergency Broadcasting Speakers
그림 Figure 3. Frequency characteristics of emergency broadcasting speakers with 10 W output.
그림 Figure 4. Frequency characteristics of emergency broadcasting speakers with 5 W output.
그림 Figure 5. Frequency characteristics of emergency broadcasting speakers with 3 W output.
그림 Figure 6. Frequency characteristics of emergency broadcasting speakers with 1 W output.
그림 Figure 7. Comparison of averaged frequency and loudness characteristics of each categories of emergency broadcasting speakers.
그림 Figure 8. Loudness analysis results of 13 speakers.
그림 Figure 9. Sharpness analysis results of 13 speakers.
그림 Figure 10. Articulation index(room) analysis results of 13 speakers.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 비상방송용 스피커의 음향특성에 관한 연구로서 비상방송용 스피커 13종을 대상으로 UL 2043(12) 화재 시험 조건에서 광대역 음원을 발생시킨 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다. 1 W 스피커의 특성을 15 W 출력 스피커와 비교하면 20 dB 이상 낮은 주파수 대역도 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 비상방송용 스피커 유니트 13종을 대상으로 UL 2043⁽¹²⁾ 시험 조건에서 광대역 음원을 발생시켜 13종 비상방송용 스피커의 특성을 분석하였다. 비상방송용 스피커의 특성 분석에는 동일한 크기와 특성을 갖는 광대역 음원을 각 스피커에 입력하였을 때의 주파수 대역별 음압레벨과 사람이 느끼는 소리 높낮이(임계 대역폭(Critical bandwidth), 단위 - Bark⁽¹³⁾)에 기반 한 음압 레벨을 분석하였다.

제안 방법

13종의 비상방송용 스피커별 고유 음향 특성은 UL 2043의 실험 조건을 따라 각 스피커를 설치하고 화재실험을 실시하지 않은 조건에서 1회씩 측정하였다. 비상방송용 스피커는 파워 앰프에 연결하였으며, 동일한 출력을 갖는 광대역 소음(Pink noise)을 음원으로 구동시켰다.
Articulation index는 높은 값이 좋은 청취력을 나타냄. 3 가지 주요 알고리즘(Room, Unikeller, NVH)을 사용. Room 알고리즘은 특히 사무실, 회의실 및 공공 장소의 음향 측정에 사용.
A-가중 레벨과 C-가중 레벨의 차이가 작으면 중,고주파수 대역에 음에너지가 많은 것으로 판단할 수 있다. A-가중 레벨과 C-가중 레벨의 차이는 0.5 dB～5.5 dB 범위로 나타나 주파수 대역별 특성 및 심리음향 지표 분석을 추가로 수행하였다.
공동주택의 경우 현관문, 창호 등의 차음성능이 증가함에 따라 실제 공동주택 거주자들이 거주하는 공간까지 화재경보음이 전달되기 어렵다고 보고되고 있다^(1-3). 또한 사업장 화재 경보음의 경우도 사업장의 소음 특성을 고려하여 적용하는 방안과 사업장 소음이 85 dB(A) 이상인 경우 화재 경보음은 배경소음 보다 15 dB(A) 이상 높게 하도록 한 NFPA 기준⁽⁷⁾을 활용하는 것을 제안하였다^(4-6).
이와 함께 청취자의 청각 특성과 상관성이 높은 것으로 알려진 심리음향지표(Psycho-acoustics parameters)를 함께 분석하여 비교하였다. 분석 대상 지표는 Loudness,Sharpness와 음성 명료도와 관련된 지표인 Articulation index(room)을 분석하였다. 각각의 심리음향 지표에 대한 정의⁽¹⁴⁾는 다음과 같다.
비상 방송용 스피커는 현재 시판되고 있는 비상 방송용 스피커 현황을 바탕으로 음향 출력과 크기 등을 주요인으로 선정하고 해당 스피커의 재질, 무게, 형태 등은 제조자가 제공하는 정보를 바탕으로 Table 1과 같이 정리하였다. 음향 특성 측정 대상 비상방송용 스피커는 Table 1에서와 같이 총 13종을 대상으로, 비상방송용 스피커는 출력별로 1 W 3종, 3 W와 5 W 2종, 10 W 4종, 15 W 이상의 출력을 갖고 있는 스피커는 2종으로 구성하였다.
13종의 비상방송용 스피커별 고유 음향 특성은 UL 2043의 실험 조건을 따라 각 스피커를 설치하고 화재실험을 실시하지 않은 조건에서 1회씩 측정하였다. 비상방송용 스피커는 파워 앰프에 연결하였으며, 동일한 출력을 갖는 광대역 소음(Pink noise)을 음원으로 구동시켰다. 스피커를 통해 재생된 광대역 소음은 화재실험을 위한 UL 2043 측정 설정(test set-up, Figure 1 참고)에서 스피커로 부터 약 1 m 떨어진 지점에서 무지향성 마이크로폰(Type 4942, B & K, 덴마크)으로 주파수 대역별 음압 레벨을 30 s간 측정하였다.
3. 비상방송용 스피커의 음향 특성 분석 및 비교

비상방송용 스피커의 음향 특성 비교를 위해 각 스피커에 동일한 음원(Sound source)을 입력한 경우의 청감 보정을 적용하지 않은 총합 음압 레벨(L_lin, overall Sound Pressure Level, dB), A-가중 특성을 적용한 음압 레벨(L_A)과 C-가중 특성을 적용한 음압 레벨(L_C)을 측정하였다. 이와 함께 1/3옥타브 대역(50 Hz∼10 000 Hz)의 음압 레벨을 분석하여 비교하였다.
시험 조건에서 광대역 음원을 발생시켜 13종 비상방송용 스피커의 특성을 분석하였다. 비상방송용 스피커의 특성 분석에는 동일한 크기와 특성을 갖는 광대역 음원을 각 스피커에 입력하였을 때의 주파수 대역별 음압레벨과 사람이 느끼는 소리 높낮이(임계 대역폭(Critical bandwidth), 단위 - Bark⁽¹³⁾)에 기반 한 음압 레벨을 분석하였다. 심리음향 지표로는 라우드니스(Loudness), 샤프니스(Sharpness) 및 Articulation Index (room)을 분석하여 소리 크기와 명료한 정도를 비교하였다.
스피커를 통해 재생된 광대역 소음은 화재실험을 위한 UL 2043 측정 설정(test set-up, Figure 1 참고)에서 스피커로 부터 약 1 m 떨어진 지점에서 무지향성 마이크로폰(Type 4942, B & K, 덴마크)으로 주파수 대역별 음압 레벨을 30 s간 측정하였다.
비상방송용 스피커의 특성 분석에는 동일한 크기와 특성을 갖는 광대역 음원을 각 스피커에 입력하였을 때의 주파수 대역별 음압레벨과 사람이 느끼는 소리 높낮이(임계 대역폭(Critical bandwidth), 단위 - Bark⁽¹³⁾)에 기반 한 음압 레벨을 분석하였다. 심리음향 지표로는 라우드니스(Loudness), 샤프니스(Sharpness) 및 Articulation Index (room)을 분석하여 소리 크기와 명료한 정도를 비교하였다.
이와 함께 1/3옥타브 대역(50 Hz∼10 000 Hz)의 음압 레벨을 분석하여 비교하였다.
이와 함께 1/3옥타브 대역(50 Hz∼10 000 Hz)의 음압 레벨을 분석하여 비교하였다. 이와 함께 청취자의 청각 특성과 상관성이 높은 것으로 알려진 심리음향지표(Psycho-acoustics parameters)를 함께 분석하여 비교하였다. 분석 대상 지표는 Loudness,Sharpness와 음성 명료도와 관련된 지표인 Articulation index(room)을 분석하였다.

대상 데이터

비상방송용 스피커의 형태는 원형과 정사각형 구성되었으며, Table 1에서와 같이 음향 출력이 증가함에 따라 스피커의 크기 및 무게도 증가하는 경향을 갖는 것으로 나타났다. 비상방송용 스피커를 구성하는 외함의 주요 재질은 합성수지(HIPS 또는 ABS 등)로, 1종의 스피커(S4)는 알루미늄으로 조사되었다. 스피커에서 발생된 음향을 대상실로 전달하기 위해 타공형태로 구성되는 그릴의 구성 재질도 8종은 합성수지, 5종은 철판으로 구성되었다.
비상방송용 스피커를 구성하는 외함의 주요 재질은 합성수지(HIPS 또는 ABS 등)로, 1종의 스피커(S4)는 알루미늄으로 조사되었다. 스피커에서 발생된 음향을 대상실로 전달하기 위해 타공형태로 구성되는 그릴의 구성 재질도 8종은 합성수지, 5종은 철판으로 구성되었다.
비상 방송용 스피커는 현재 시판되고 있는 비상 방송용 스피커 현황을 바탕으로 음향 출력과 크기 등을 주요인으로 선정하고 해당 스피커의 재질, 무게, 형태 등은 제조자가 제공하는 정보를 바탕으로 Table 1과 같이 정리하였다. 음향 특성 측정 대상 비상방송용 스피커는 Table 1에서와 같이 총 13종을 대상으로, 비상방송용 스피커는 출력별로 1 W 3종, 3 W와 5 W 2종, 10 W 4종, 15 W 이상의 출력을 갖고 있는 스피커는 2종으로 구성하였다. 비상방송용 스피커의 형태는 원형과 정사각형 구성되었으며, Table 1에서와 같이 음향 출력이 증가함에 따라 스피커의 크기 및 무게도 증가하는 경향을 갖는 것으로 나타났다.

성능/효과

본 연구는 비상방송용 스피커의 음향특성에 관한 연구로서 비상방송용 스피커 13종을 대상으로 UL 2043(12) 화재 시험 조건에서 광대역 음원을 발생시킨 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다. 1 W 스피커의 특성을 15 W 출력 스피커와 비교하면 20 dB 이상 낮은 주파수 대역도 있는 것으로 나타났다. 또한 심리음향 지표인 Loudness 분석 결과 1 W와 10 W 이상 출력의 스피커의 음향 크기를 비교하면 사람이 2배 이상의 크기로 차이를 느끼게 되는 것이다.
또한 3 W 스피커의 음압 레벨은 5 W 스피커에 비해 상당히 낮은 것을 알 수 있다. 1 W 스피커의 평균 특성의 경우 모든 주파수 대역에서 3 W 스피커보다 낮은 음압 레벨을 갖는 것으로 나타났다. 15 W 출력 스피커와 비교하면 20 dB 이상 낮은 주파수 대역도 있는 것으로 나타났다.
Figure 6은 1 W 출력 3종의 음향 특성을 나타낸 것이다. 1 W 출력의 스피커의 경우 다른 범주의 스피커와 달리 주파수 대역별 음압 레벨과 Loudness 특성 차이가 크게 발생되는 것으로 나타났다. S11 스피커의 경우 1 000 Hz 대역을 이하 대역의 경우 S12, S13 스피커보다 높은 음압 레벨을 발생시켰으며, 1 000 Hz 이상 대역의 경우는 낮은 음압레벨을 발생시키는 것으로 나타났다.
10 W 출력을 갖는 스피커는 4종을 측정하였으며, 4종별 음압 레벨 차이는 1 dB∼2 dB 정도 발생되었다(Table 2 참고).
이는 실제 음압 레벨 차이 발생이 실제 사람이 듣는 청취 레벨의 차이와 정비례하지 않을 수 있음을 의미한다. 10 W 출력을 갖는 스피커의 음압 레벨 특성을 15 W 이상의 출력을 갖는 스피커의 특성과 비교할 경우 80 Hz 이하 저주파수 대역의 음압이 낮게 재생되는 것으로 나타났다. 이는 일반적으로 스피커의 출력이 증가함에 따라 스피커 유니트의 크기(지름)가 증가하며, 스피커 유니트의 크기가 증가함에 따라 해당 유니트에서 발생시킬 수 있는 하한 주파수 대역이 낮아지기 때문인 것으로 사료된다.
Figure 7은 13개 비상방송용 스피커를 출력별로 구분하고 평균한 주파수 대역별 음압 레벨과 Critical bandwidth 대역별 음압 레벨을 비교한 것이다. 15 W 스피커와 10 W 스피커는 100 Hz 이상 대역에서 유사한 주파수 특성을 갖지만 10 W 스피커의 음압 레벨이 다소 낮은 것으로 나타났다. 5W 스피커의 경우 500 Hz 이상 대역의 특성은 10 W와 유사하였지만, 500 Hz 이하 대역의 음압 레벨이 급격히 낮아지는 특성을 갖는 것으로 나타났으나, 3 W 스피커는 200 Hz∼400Hz 대역의 특성이 5 W 스피커 보다 높은 것으로 나타났다.
5 W 출력 스피커의 총합 음압레벨은 10W 출력의 스피커에 비해 평균 2.5 dB∼4.3 dB 낮아졌다.
Figure 4는 5 W 출력을 갖는 스피커의 주파수 특성을 나타낸 것이다. 5 W 출력을 갖는 스피커의 경우 400 Hz 이하 주파수 대역의 출력이 상대적으로 낮으며, 임계 대역폭 분석 결과 4 bark 대역 이하가 상대적으로 낮은 레벨을 갖는 것으로 나타났다. 5 W 출력 스피커의 총합 음압레벨은 10W 출력의 스피커에 비해 평균 2.
음향 특성 측정 대상 비상방송용 스피커는 Table 1에서와 같이 총 13종을 대상으로, 비상방송용 스피커는 출력별로 1 W 3종, 3 W와 5 W 2종, 10 W 4종, 15 W 이상의 출력을 갖고 있는 스피커는 2종으로 구성하였다. 비상방송용 스피커의 형태는 원형과 정사각형 구성되었으며, Table 1에서와 같이 음향 출력이 증가함에 따라 스피커의 크기 및 무게도 증가하는 경향을 갖는 것으로 나타났다. 비상방송용 스피커를 구성하는 외함의 주요 재질은 합성수지(HIPS 또는 ABS 등)로, 1종의 스피커(S4)는 알루미늄으로 조사되었다.
Critical bandwidth로 분석한 결과에서도 스피커의 출력 감소에 비례하여 낮아지는 것으로 나타났다. 스피커 출력별로 최대 15 dB 이상의 차이가 발생되는 대역도 있었으며, 스피커 출력이 낮아짐에 따라 상대적으로 저주파수 대역의 크기는 감소되고 고주파수 대역의 크기가 전체 소리 특성을 지배하는 경향을 갖는 것을 알 수 있다.
Figure 8은 각 스피커별 Loudness 분석 결과를 나타낸 것이다. 스피커 출력이 낮아짐에 따라 각 스피커에서 발생되는 음향의 Loudness도 감소되는 경향을 갖는 것으로 나타났다. 15 W와 10 W 스피커의 경우 대부분 40 Sone 이상의 크기로 소리를 발생시키는 것으로 나타났으며, 3 W 스피커는 30 Sone 이상 1 W 스피커는 20 Sone 이상 크기로 나타났다.
Table 2는 13개의 비상방송용 스피커에 동일한 출력을 음원을 입력한 경우에 발생되는 총합 음압 레벨의 평균을 나타낸 것이다. 음원의 출력이 증가함에 따라 스피커에서 발생되는 총합 음압 레벨도 증가되는 것으로 나타났다. A-가중과 C-가중 음압 레벨은 사람의 청감 특성을 보정하여 나타낸 것이다.
이 결과는 광대역 소음(Pink noise)에 대한 것으로 실제 비상방송음을 활용한 실험과 같은 추가적인 실험이 필요하다. 이상의 결과에서 스피커의 출력이 커지면 발생되는 음량은 증가하지만 명료하게 스피커에서 발생되는 음향의 명료도는 낮아지는 것으로 분석되었다. 향후 다양한 공간에 충분하고 명료한 음향이 발생되도록 비상방송용 스피커를 개선하는 것이 필요하다.
전체적인 음압 레벨은 5 W 스피커에 비해 낮았으며, 특히 400 Hz∼4 000 Hz 대역의 음압 레벨은 5 W 스피커에 비해 낮은 것을 알 수 있다.

후속연구

1 W 출력의 스피커는 70% 이상의 값을 갖는 것으로 나타나 명료한 음성 전달이 가능한 것으로 판단된다. 이 결과는 광대역 소음(Pink noise)에 대한 것으로 실제 비상방송음을 활용한 실험과 같은 추가적인 실험이 필요하다. 이상의 결과에서 스피커의 출력이 커지면 발생되는 음량은 증가하지만 명료하게 스피커에서 발생되는 음향의 명료도는 낮아지는 것으로 분석되었다.
이상의 결과에서 스피커의 출력이 커지면 발생되는 음량은 증가하지만 명료하게 스피커에서 발생되는 음향의 명료도는 낮아지는 것으로 분석되었다. 향후 다양한 공간에 충분하고 명료한 음향이 발생되도록 비상방송용 스피커를 개선하는 것이 필요하다. 또한 비상방송용 스피커의 음향 특성을 합리적이고 정량적으로 측정 평가할 수 있는 표준 기반과 성능 평가 기준 설정이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경보설비의 규정은?	경보설비의 경우 경종에서 발생되는 음압 레벨에 대해서만 1 m 거리에서 90 dB이상으로 규정하고 있다. 공동주택의 경우 현관문, 창호 등의 차음성능이 증가함에 따라 실제 공동주택 거주자들이 거주하는 공간까지 화재경보음이 전달되기 어렵다고 보고되고 있다(1-3).
	비상방송용 스피커의 음향특성에 관한 연구 결과, 출력과 명료도의 상관관계는?	이 결과는 광대역 소음(Pink noise)에 대한 것으로 실제 비상방송음을 활용한 실험과 같은 추가적인 실험이 필요하다. 이상의 결과에서 스피커의 출력이 커지면 발생되는 음량은 증가하지만 명료하게 스피커에서 발생되는 음향의 명료도는 낮아지는 것으로 분석되었다. 향후 다양한 공간에 충분하고 명료한 음향이 발생되도록 비상방송용 스피커를 개선하는 것이 필요하다.
	화재경보음이 실제 공동주택 거주자들에게 전달되기 어려운 이유는?	경보설비의 경우 경종에서 발생되는 음압 레벨에 대해서만 1 m 거리에서 90 dB이상으로 규정하고 있다. 공동주택의 경우 현관문, 창호 등의 차음성능이 증가함에 따라 실제 공동주택 거주자들이 거주하는 공간까지 화재경보음이 전달되기 어렵다고 보고되고 있다(1-3). 또한 사업장 화재 경보음의 경우도 사업장의 소음 특성을 고려하여 적용하는 방안과 사업장 소음이 85 dB(A) 이상인 경우 화재 경보음은 배경소음 보다 15 dB(A) 이상 높게 하도록 한 NFPA 기준(7)을 활용하는 것을 제안하였다(4-6).

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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