[논문]시뮬레이션을 통한 주거공간 단독경보형감지기의 성능 분석

임근주; 박상천; 백은선

doi:10.7731/kifse.5e35cd22

문제 정의

본 연구는 단독주택에 사용되는 단독경보형감지기의 음향특성이 실내 공간에서 화재 피난음향특성으로 적절한지를 분석하고자 하였다. 음향예측 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션을 실시하였으며, 단독주택의 유형을 구분하여 유형별로 대상이 되는 각 주거공간에서 경보음 레벨의 적합성을 평가하였다.
본 연구는 단독주택에서 설치되는 단독경보형감지기에 대한 공간 내에서의 성능을 살펴보기 위하여 진행되었다. 주택의 유형은 1층으로 구성된 두 개의 유형과 2층 주택을 포함하여 세 개의 주택 평면을 활용하였다.
예측 결과를 보면 2층의 침실에서보다 1층의 침실(1)에서 음압레벨이 더 낮게 나타났다. 이와 같은 결과는 층이 달라지는 것보다 경보음의 전달경로에 문과 같은 장애물이 있는지의 여부가 각 실에서의 음압레벨 형성에 절대적인 영향을 줄 수 있음을 보여주는 것이다. 예측된 결과는 대상이 되는 모든 침실에서 NFPA 72의 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
주거공간에서의 단독경보형감지기는 대체적으로 열 또는 연기가 발생할 가능성이 높은 주방 부근에 설치되는 경우가 많다. 화재와 같은 상황이 발생할 경우 감지기가 작동하게 되는데, 침실과 같이 주방과 거리가 떨어져 있고 문으로 구획되어 있는 경우에는 경보기의 성능이 적합하는지에 대해서는 의문이다. Jo⁽²⁾는 최근의 화재통계의 주택화재 발생현황을 이용하여 주택화재의 화재발생빈도와 사망율과의 관계를 분석하고 단독경보형감지의 설치현황 및 문제점을 검토하고 단독경보형감지기의 음향특성을 실험을 통해 문제점을 고찰하였다.

제안 방법

측정시 감지기를 실험실의 바닥판 위에 설치하고 감지기로부터 수직으로 1 m 이격된 위치에서 60 s동안 발생하도록 하였다. 감지기의 경보음은 연기감지용 테스트 가스(Smoke detector tester)를 이용하여, 실제 상황을 고려하여 측정환경을 조성하였다(Figure 1).
소방청고시 검정기술기준에 준하여 감지기의 음향성능을 측정하였다. 감지기의 음향성능은 입력되는 전압에 따라 달라질 수 있으므로 일정한 전압이 되도록 디지털 파워서플라이를 사용하여 전압을 공급하였다. 측정기기는 소음분석기(SVANTEK사의 SVAN945A)를 이용하여 감지기에서 발생하는 경보음의 음압레벨을 측정하였다.
단독경보형감지기를 사용하여 주거 공간에서의 시뮬레이션을 수행하기 위해 실제 사용하는 감지기에 대한 음향성능을 실측하여 사용하였다. 측정에 사용된 감지시는 시중에서 상용되고 있는 7개를 대상으로 하였으며, Table 1과 같다.
단독경보형감지기의 음향파워레벨(PWL)을 적용하여 단독주택 Type 1의 각 실에서 음압레벨분포를 예측하였다(Table 5).
단독주택의 유형에 따라 단독경보형감지기의 경보음 발생시 부엌, 거실 및 침실에서 예측한 음압레벨을 비교하였다(Figure 6).
실내의 음장을 분석하고 음압 레벨을 비롯한 각종 음향 인자의 예측 및 계산을 위하여 최근에는 기학음향학에 기초를 둔 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한다. 본 연구에서는 Odeon ver.14.0을 이용하여 주거공간에서 단독경보형감지기의 경보음 발생시 각 실에서의 음압레벨에 대한 예측을 실시하였다. ODEON은 1984년 덴마크 공대에서 개발한 프로그램으로서 음선추적법(Ray tracing method) 및 영상음원법(Image source method)을 사용하는 혼합모델(Hybrid model)을 적용하여 사용된다.
소방청고시 검정기술기준에 준하여 감지기의 음향성능을 측정하였다. 감지기의 음향성능은 입력되는 전압에 따라 달라질 수 있으므로 일정한 전압이 되도록 디지털 파워서플라이를 사용하여 전압을 공급하였다.
측정값을 1/1 옥타브 밴드로 수치화한 값은 Table 4와 같으며, 7개의 대상 기기에 대한 산술평균값을 계산하였다. 시뮬레이션을 위해서는 음원의 파워레벨이 입력되어야 하며, 음압레벨을 사용하여 파워레벨을 계산하여 사용하였다. 특정기기의 음원특성이 과도하게 반영되지 않도록 하기 위해 평균값을 적용하였다.
본 연구는 단독주택에 사용되는 단독경보형감지기의 음향특성이 실내 공간에서 화재 피난음향특성으로 적절한지를 분석하고자 하였다. 음향예측 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션을 실시하였으며, 단독주택의 유형을 구분하여 유형별로 대상이 되는 각 주거공간에서 경보음 레벨의 적합성을 평가하였다.
주택의 유형은 1층으로 구성된 두 개의 유형과 2층 주택을 포함하여 세 개의 주택 평면을 활용하였다. 주거공간에서의 경보음 발생에 따른 음압레벨을 예측하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 이용하였으며, 시뮬레이션에 적용된 음원의 특성은 실제 사용되고 있는 감지기의 경보음을 직접 측정하여 입력 자료로 사용하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 주택 내부 공간에서의 음압레벨을 예측 및 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구는 단독주택에서 설치되는 단독경보형감지기에 대한 공간 내에서의 성능을 살펴보기 위하여 진행되었다. 주택의 유형은 1층으로 구성된 두 개의 유형과 2층 주택을 포함하여 세 개의 주택 평면을 활용하였다. 주거공간에서의 경보음 발생에 따른 음압레벨을 예측하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 이용하였으며, 시뮬레이션에 적용된 음원의 특성은 실제 사용되고 있는 감지기의 경보음을 직접 측정하여 입력 자료로 사용하였다.
감지기의 음향성능은 입력되는 전압에 따라 달라질 수 있으므로 일정한 전압이 되도록 디지털 파워서플라이를 사용하여 전압을 공급하였다. 측정기기는 소음분석기(SVANTEK사의 SVAN945A)를 이용하여 감지기에서 발생하는 경보음의 음압레벨을 측정하였다. 측정시 감지기를 실험실의 바닥판 위에 설치하고 감지기로부터 수직으로 1 m 이격된 위치에서 60 s동안 발생하도록 하였다.
측정기기는 소음분석기(SVANTEK사의 SVAN945A)를 이용하여 감지기에서 발생하는 경보음의 음압레벨을 측정하였다. 측정시 감지기를 실험실의 바닥판 위에 설치하고 감지기로부터 수직으로 1 m 이격된 위치에서 60 s동안 발생하도록 하였다. 감지기의 경보음은 연기감지용 테스트 가스(Smoke detector tester)를 이용하여, 실제 상황을 고려하여 측정환경을 조성하였다(Figure 1).
주거공간에서의 경보음 발생에 따른 음압레벨을 예측하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 이용하였으며, 시뮬레이션에 적용된 음원의 특성은 실제 사용되고 있는 감지기의 경보음을 직접 측정하여 입력 자료로 사용하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 주택 내부 공간에서의 음압레벨을 예측 및 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
시뮬레이션을 위해서는 음원의 파워레벨이 입력되어야 하며, 음압레벨을 사용하여 파워레벨을 계산하여 사용하였다. 특정기기의 음원특성이 과도하게 반영되지 않도록 하기 위해 평균값을 적용하였다.

대상 데이터

대상으로 하는 단독주택은 1층 및 2층으로 구성된 주택을 대상으로 하였으며, 층의 구분과 크게 관계 없이 전달경로상에 출입문이 실내에서의 음압레벨에 결정적인 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 주거 공간에서 침실의 출입문은 필수적으로 사용되어야 하므로, 각 실에서의 경보음에 대한 음압레벨 기준을 만족시키기 위해서는 별도의 노력이 필요함을 알 수 있다.
시뮬레이션을 위해 적용된 주거공간은 3 가지 형태의 주택을 대상으로 하였으며, 1층 단독주택 2 종류(Type 1, Type 2) 및 2층 단독주택 1 종류(Type 3)이다(Figure 3~Figure 5).
단독경보형감지기를 사용하여 주거 공간에서의 시뮬레이션을 수행하기 위해 실제 사용하는 감지기에 대한 음향성능을 실측하여 사용하였다. 측정에 사용된 감지시는 시중에서 상용되고 있는 7개를 대상으로 하였으며, Table 1과 같다.

데이터처리

측정값을 1/1 옥타브 밴드로 수치화한 값은 Table 4와 같으며, 7개의 대상 기기에 대한 산술평균값을 계산하였다. 시뮬레이션을 위해서는 음원의 파워레벨이 입력되어야 하며, 음압레벨을 사용하여 파워레벨을 계산하여 사용하였다.

이론/모형

그러기에 실내에 거주하는 사람이 경보음을 인지할 수 있도록 충분한 음압레벨을 발생해야 한다. 우리나라의 기준은 감지기의 자체성능에 초점을 맞추고 있고, 각 실에서의 음압레벨에 대한 기준이 없어 미국방화협회 기준인 NFPA 72를 분석기준으로 활용하였다. 감지기의 경보음 발생시 부엌 및 거실에서의 음압레벨은 대체적으로 기준을 만족하는 것으로 나타났다.

성능/효과

NFPA 72(미국방화협회)에서 제시하는 취침지역 음압레벨기준 “75 dB(A)”이며, 시뮬레이션 결과 침실에서의 경보음 레벨이 기준값보다는 매우 낮게 나타남을 알 수 있다.
우리나라의 기준은 감지기의 자체성능에 초점을 맞추고 있고, 각 실에서의 음압레벨에 대한 기준이 없어 미국방화협회 기준인 NFPA 72를 분석기준으로 활용하였다. 감지기의 경보음 발생시 부엌 및 거실에서의 음압레벨은 대체적으로 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나, 침실에서의 음압레벨은 기준값인 75 dB(A)보다 20 dB(A) 이상 낮은 값으로 예측되었다.
측정된 주파수 특성을 살펴보면 저주파수 대역에서 낮은 음에너지를 보이고 있으며 주파수에 따라 점차 에너지가 증가하여 1 kHz에서 4 kHz 대역 부근에서 가장 높은 에너지를 보이고 있다. 감지기의 종류에 따라 음에너지는 많은 차이를 보이고 있으나 본 연구에서 컴퓨터 시뮬레이션 입력을 위한 음향특성을 결정하기 위해서는 전체적인 스펙특럼 특성이 유사하여 평균값을 사용하는 것이 각 실내에서의 음압레벨을 예측할 때 용이할 것으로 판단된다. 특히, 감지기는 입력되는 전원의 전압이 낮아질 경우 파워레벨이 낮아질 수 있어, 공간에서 측정되는 음압레벨은 더 낮아질 소지가 있음을 주의해야 한다.
이와 같은 결과는 층이 달라지는 것보다 경보음의 전달경로에 문과 같은 장애물이 있는지의 여부가 각 실에서의 음압레벨 형성에 절대적인 영향을 줄 수 있음을 보여주는 것이다. 예측된 결과는 대상이 되는 모든 침실에서 NFPA 72의 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
단독경보형감지기에서 발생하는 경보음을 측정한 결과 Figure 2와 같은 스펙트럼 특성으로 나타났다. 측정된 주파수 특성을 살펴보면 저주파수 대역에서 낮은 음에너지를 보이고 있으며 주파수에 따라 점차 에너지가 증가하여 1 kHz에서 4 kHz 대역 부근에서 가장 높은 에너지를 보이고 있다. 감지기의 종류에 따라 음에너지는 많은 차이를 보이고 있으나 본 연구에서 컴퓨터 시뮬레이션 입력을 위한 음향특성을 결정하기 위해서는 전체적인 스펙특럼 특성이 유사하여 평균값을 사용하는 것이 각 실내에서의 음압레벨을 예측할 때 용이할 것으로 판단된다.

후속연구

단, 본 연구에서 활용한 감지기는 7개의 측정값을 평균하여 사용하였기 때문에 경보음의 파워레벨에 따라 침실에서의 음압레벨이 달라질 수 있다. 그럼에도 불구하고 평균적인 값이 기준값을 만족시키지 못하는 것에 착안하여 감지기의 성능에 대한 개선책이 마련되어야 할 것이다. 또한, 본 연구를 위해 감지기의 입력 전앖을 일정하게 유지하여 실험하였으나 실제 사용시 감지기의 입력전압이 사용시간의 증가에 따라 낮아질 우려가 있고, 그에 따라 파워레벨이 낮아질 수 있기 때문에 성능을 일정하게 유지하기 위한 방안도 함께 고려되어야 할 것이다.
그럼에도 불구하고 평균적인 값이 기준값을 만족시키지 못하는 것에 착안하여 감지기의 성능에 대한 개선책이 마련되어야 할 것이다. 또한, 본 연구를 위해 감지기의 입력 전앖을 일정하게 유지하여 실험하였으나 실제 사용시 감지기의 입력전압이 사용시간의 증가에 따라 낮아질 우려가 있고, 그에 따라 파워레벨이 낮아질 수 있기 때문에 성능을 일정하게 유지하기 위한 방안도 함께 고려되어야 할 것이다.
ODEON은 1984년 덴마크 공대에서 개발한 프로그램으로서 음선추적법(Ray tracing method) 및 영상음원법(Image source method)을 사용하는 혼합모델(Hybrid model)을 적용하여 사용된다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 방법은 파동성에 기초하여 정확한 결과를 확신할 수는 없지만, 가상의 다양한 모델에 대한 검토를 가능하게 하여 저비용으로 높은 효율을 기대할 수 있다. 특히 컴퓨터 시뮬레이션의 특성상 3차원 모델의 구체성에 따른 정확도의 차이가 발생하지만, 본 연구에서 대상으로 하는 주거 공간은 상대적으로 복잡한 모델이 아니기 때문에 모델의 구체성에 의한 정확성 차이는 크지 않을 것으로 사료된다(10).
이에 따라 주택 내부 침실 공간에서 충분한 경보음 레벨이 유지될 수 있는 방안이 마련되어야 할 것이며, 관련 기준이 제정됨으로써 화재시 안전한 대피가 가능하도록 노력이 필요할 것이다.

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