[논문]축척모형을 활용한 개방형 천장의 흡음률 측정

이혜미; 김용희; 전진용

문제 정의

본 연구에서는 공연장의 음향 성능 및 기능적 목적으로 설계되고 있는 개방형 천장을 조사하고 음향 특성을 알아보고자 하였다. 국내 공연장 현황 조사를 통해 개방형 천장의 1: 25 축척 모형 시료를 설계 하였고, 실험을 통해 흡음률의 변화를 알아보고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 개방형 천장의 음향 특성을 조사를 하기 위해 개방형 천장을 축소모형으로 제작하여 각 설비 구성요소의 변화에 따른 흡음력의 영향을 평가하고자 하였다. 국내 공연장의 현황조사를 통해 실험용 모델을 선정하였고, 축소모형 잔향실에서의 음향 측정을 통해 흡음률을 계산 하였다.
본 연구에서는 공연장의 음향 성능 및 기능적 목적으로 설계되고 있는 개방형 천장을 조사하고 음향 특성을 알아보고자 하였다. 국내 공연장 현황 조사를 통해 개방형 천장의 1: 25 축척 모형 시료를 설계 하였고, 실험을 통해 흡음률의 변화를 알아보고자 하였다.

가설 설정

1과 같이 1:25 축척으로 제작하였다. 공연장 현황조사 결과 나타난 천장 평균 높이인 6m를 기준으로 하여 시료를 설계하였으며, 철골 구조는 현황 조사 결과 평균 간격과 높이는 각각 4m, 2.8m 높이로 나타났으며, 이때의 철골 구조를 천장높이 6m로 가정하였다. 또한 바닥 면적의 30%를 캣워트의 면적으로, 천장 용적의 0.

제안 방법

따라서 Table. 1과 같이 국내 공연장 현황 조사를 선행하였으며, 시료 설계를 위해 객석부 홀, 천장, 철골 구조, 덕트, 캣워크와 관련된 지표들을 산출하였다. 공연장의 천장 높이는 1.
따라서 본 연구에서는 개방형 천장의 음향 특성을 조사를 하기 위해 개방형 천장을 축소모형으로 제작하여 각 설비 구성요소의 변화에 따른 흡음력의 영향을 평가하고자 하였다. 국내 공연장의 현황조사를 통해 실험용 모델을 선정하였고, 축소모형 잔향실에서의 음향 측정을 통해 흡음률을 계산 하였다.
8m 높이로 나타났으며, 이때의 철골 구조를 천장높이 6m로 가정하였다. 또한 바닥 면적의 30%를 캣워트의 면적으로, 천장 용적의 0.9%를 덕트의 용적으로 설계하였으며, 마감재의 개구율은 20%, 50%, 77%, 100%를 적용하였다.
시료 모형의 재료는 밀도와 흡음률을 고려하여 실제 재료의 특성을 재현할 수 있도록 고려하였다. 철의 밀도는 7833kg/m3(5)으로 1:25 축척에서 철골구조의 강성을 충분히 재현할 수 있는 라이싱 뮤지엄 보드(Rising museum board)를 사용하였다.
시료가 없는 빈상태의 잔향실과 천장높이 6m에서 내부 구성요소가 있는 개방형 천장 모형 시료에서 다양한 개구율을 가진 타공판을 설치한 잔향실의 잔향시간을 측정하여 개방형 천장의 흡음률을 산출하였다. 개구율에 따른 개방형 천장의 흡음률 측정 결과는 Fig.
3과 같이 잔향실의 한쪽 면에 시료를 매입하였다. 시료는 두께 3mm인 아크릴 판으로 잔향실 외부로 공기가 새지 않도록 수밀하게 고정하였으며 축척비를 고려할 때 이것은 ASTM 10.2.5항⁽⁶⁾의 재료기준을 만족한다.
시료의 유무에 따를 잔향시간의 변화는 고압 전기 스파크 음원과 1/8″마이크로폰을 이용하여 측정하였다.
시료의 유무에 따를 잔향시간의 변화는 고압 전기 스파크 음원과 1/8″마이크로폰을 이용하여 측정하였다. 잔향시간의 차이를 이용해 등가흡음면적을 계산하여 시료의 면적으로 나누어 흡음률을 산출하였다.

대상 데이터

개방형 천장의 구성 요소에 따른 음향 특성을 조사하기 위해 흡음률 측정을 위한 시료는 Fig. 1과 같이 1:25 축척으로 제작하였다. 공연장 현황조사 결과 나타난 천장 평균 높이인 6m를 기준으로 하여 시료를 설계하였으며, 철골 구조는 현황 조사 결과 평균 간격과 높이는 각각 4m, 2.
철의 밀도는 7833kg/m3(5)으로 1:25 축척에서 철골구조의 강성을 충분히 재현할 수 있는 라이싱 뮤지엄 보드(Rising museum board)를 사용하였다. 덕트의 주재료인 아연도 강판은 원재료인 철과 비교하여 밀도와 흡음률을 고려한 알루미늄 판 0.2mm로 재현하였다. 캣워크는 실제 재료인 익스펜디드 메탈과 77%의 유사한 개구율을 갖는 알루미늄 타공판을 이용하였다.
천장 내부에는 덕트 설비 외에도 조명과 전기 설비를 보수 점검을 위한 캣워크와 투광실이 있으며, 철골 구조 및 경량 철골 구조, 배선, 배관 등 다양한 시설들이 존재한다. 시료 설계에서는 점유율이 큰 철골 구조와 캣워크를 고려하였으며, 철골 구조는 주로 트러스 형태로 평균 2.8m의 높이를 차지하였으며, 내화 처리를 위한 뿜칠 및 페인트 마감이 되어 있었다. 익스펜디드 메탈(Expanded metal)과 각 파이프로 구성된 캣워크는 객석 바닥 면적 대비 30%를 차지하는 것으로 나타났다.
캣워크는 실제 재료인 익스펜디드 메탈과 77%의 유사한 개구율을 갖는 알루미늄 타공판을 이용하였다. 천장 마감재의 개구율 재현은 Fig.2와 같은 모양으로 20, 50, 77%의 개구율을 가지고 있는 알루미늄 타공판을 이용하였으며, 100%의 개구율은 별도의 마감을 하지 않았다.
시료 모형의 재료는 밀도와 흡음률을 고려하여 실제 재료의 특성을 재현할 수 있도록 고려하였다. 철의 밀도는 7833kg/m3(5)으로 1:25 축척에서 철골구조의 강성을 충분히 재현할 수 있는 라이싱 뮤지엄 보드(Rising museum board)를 사용하였다. 덕트의 주재료인 아연도 강판은 원재료인 철과 비교하여 밀도와 흡음률을 고려한 알루미늄 판 0.
2mm로 재현하였다. 캣워크는 실제 재료인 익스펜디드 메탈과 77%의 유사한 개구율을 갖는 알루미늄 타공판을 이용하였다. 천장 마감재의 개구율 재현은 Fig.
현황조사를 실시한 15개의 국내 공연장 중에서 설비시설(덕트, 투광실 등)이 천장의 유효 마감면(루버, 그릴, 반사판)에 의해 노출 된 개방형 천장(Open-type ceiling)은 6개의 공연장에서 나타났다. 소규모 실험 극장과 같이 별도의 마감면 없이 모든 설비들이 노출된 타입과 잔향용적 증대를 위한 400석 이상의 중규모 클래식 전용 홀, 다양한 공연 목적에 따른 음향 성능 구현을 위한 1,000석 이상의 공연장이 있었다.

이론/모형

본 실험의 시료는 ASTM E795⁽⁶⁾에서 규정되어 있는 배후의 공기층이 있는 천장 마감재의 흡음률 측정 시료 설치 방법(Type E Mounting)에 따라 설치하였다. 목표한 시료의 단면 높이가 6m(1/25축척에서 240mm)로 매우 높았기 때문에 Fig.
시료의 흡음률 측정법은 ISO 354⁽⁷⁾를 준용하였다. 시료의 유무에 따를 잔향시간의 변화는 고압 전기 스파크 음원과 1/8″마이크로폰을 이용하여 측정하였다.

성능/효과

4로 나타났다. 50%개구율의 마감재에 내부 구성 요소가 있을 경우 각 조합에 따라 250Hz에서 2kHz의 평균흡음률은 0.18에서 0.39의 범위로 나타났다. 개방형 천장의 흡음률은 고주파로 갈수록 흡음률이 높은 경향이 나타나며, 내부 구성요소에 의해 흡음 현상이 나타나는 것으로 사료된다.
51로 나타났다. 개방형 천장은 고주파로 갈수록 흡음률이 증가하는 경향이 나타났다.
소규모 실험 극장과 같이 별도의 마감면 없이 모든 설비들이 노출된 타입과 잔향용적 증대를 위한 400석 이상의 중규모 클래식 전용 홀, 다양한 공연 목적에 따른 음향 성능 구현을 위한 1,000석 이상의 공연장이 있었다. 개방형 천장의 개구율은 40%에서 100%으로 다양하게 나타났으며, 마감방식은 목재나 각 파이프로 일정한 간격으로 배열하는 방식, 천장 반사판을 설치하는 방식과 천장 전체를 어두운색으로 페인트 마감하는 방식으로 조사 되었다.
1과 같이 국내 공연장 현황 조사를 선행하였으며, 시료 설계를 위해 객석부 홀, 천장, 철골 구조, 덕트, 캣워크와 관련된 지표들을 산출하였다. 공연장의 천장 높이는 1.2m에서 9.9m의 범위로 나타났으며, 객석 수가 많은 대규모의 공연장일수록 천장 높이는 크게 나타났으며, 15개의 평균 천장 높이는 6m로 나타났다.
저주파에서는 개구율이 높을수록 흡음률이 다소 낮게 나타나는 경향을 보였으나 500Hz에서는 77%의 개구율을 가진 타공판이 다소 높게 나타났다. 또한 고주파에서는 개구율에 따른 흡음률의 경향은 나타나지 않았으나, 50%의 개구율을 가진 타공판일 경우 흡음률이 다른 개구율에 비해 0.09 낮게 나타났다. 개방형천장의 흡음률 차이는 0.
최근 리노베이션이나 새로 건립한 공연장의 경우 균일하고, 저속기류, 저소음 공조가 가능한 바닥 취출 공조 방식을 적용한 케이스가 많았다. 본 연구에서는 바닥 취출 공조 시스템을 적용하고 있는 공연장의 덕트 용적을 조사하였으며, 천장 용적 대비 덕트 용적의 비율을 산출한 결과 평균 0.9%의 용적을 차지하는 것으로 나타났다.
8m의 높이를 차지하였으며, 내화 처리를 위한 뿜칠 및 페인트 마감이 되어 있었다. 익스펜디드 메탈(Expanded metal)과 각 파이프로 구성된 캣워크는 객석 바닥 면적 대비 30%를 차지하는 것으로 나타났다.
5와 같이 나타났으며, 고주파로 갈수록 흡음률이 증가하는 개방형 천장의 흡음률 특성은 동일하였다. 저주파에서는 개구율이 높을수록 흡음률이 다소 낮게 나타나는 경향을 보였으나 500Hz에서는 77%의 개구율을 가진 타공판이 다소 높게 나타났다. 또한 고주파에서는 개구율에 따른 흡음률의 경향은 나타나지 않았으나, 50%의 개구율을 가진 타공판일 경우 흡음률이 다른 개구율에 비해 0.
천장 높이 6m에서 50%개구율을 가진 마감재로만 마감을 하고 내부 구성요소가 없는 경우에는 평균 흡음률이 0.4로 나타났다. 50%개구율의 마감재에 내부 구성 요소가 있을 경우 각 조합에 따라 250Hz에서 2kHz의 평균흡음률은 0.

후속연구

또한 천장 높이가 변화하였을 때 흡음특성의 변화를 알아보고, 더 나아가 실험 결과로 얻은 개방형 천장의 흡음률을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 검증하는 연구가 진행되어야 할 것이다. 또한 실내음향 성능 예측 시 필요한 천장의 확산율 측정 방법 및 시뮬레이션 적용 방법에 대한 연구를 진행하여야 할 것이다.
따라서 개방형 천장에서 흡음배너의 영향에 따른 흡음특성과 개구부 형상에 따른 흡음특성에 대한 연구가 필요하다. 또한 천장 높이가 변화하였을 때 흡음특성의 변화를 알아보고, 더 나아가 실험 결과로 얻은 개방형 천장의 흡음률을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 검증하는 연구가 진행되어야 할 것이다. 또한 실내음향 성능 예측 시 필요한 천장의 확산율 측정 방법 및 시뮬레이션 적용 방법에 대한 연구를 진행하여야 할 것이다.

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