초록 ▼

IV. 주요 연구 결과
[철도소음 전파특성을 고려한 적응형 방음장치(Adaptive Noise Reducer) 개발]
1. 방음벽 설치개소 철도소음 전파특성 및 취약점 분석
현재 국내 주요 열차가 통과하는 구간 중에서 방음벽이 설치된 전형적인 지역을 선정하여 소음 측정 및 예측 해석을 통해 방음벽에 의한 소음 특성 변화에 대해 분석하였다. 이를 위해 현장조사를 통하여 고속선 1개소(B역 인근) 및 일반선 1개소(경부선 K역∼A역)구간을 선정하여 소음측정 및 분석을 수행하였다.

소음예측해석을 통해 고속선에

IV. 주요 연구 결과
[철도소음 전파특성을 고려한 적응형 방음장치(Adaptive Noise Reducer) 개발]
1. 방음벽 설치개소 철도소음 전파특성 및 취약점 분석
현재 국내 주요 열차가 통과하는 구간 중에서 방음벽이 설치된 전형적인 지역을 선정하여 소음 측정 및 예측 해석을 통해 방음벽에 의한 소음 특성 변화에 대해 분석하였다. 이를 위해 현장조사를 통하여 고속선 1개소(B역 인근) 및 일반선 1개소(경부선 K역∼A역)구간을 선정하여 소음측정 및 분석을 수행하였다.

소음예측해석을 통해 고속선에 열차가 통과할 때 방음벽 후방에서의 소음도 예측값을 이용하여 방음벽의 삽입손실값을 평가하였다. 방음벽이 설치되어 있는 경우에 대한 측정 및 해석결과를 비교해 보면, Ch 5에서 최대 2.0 dB(A)의 오차가 발생하고 있으나, 다른 예측지점에서는 비교적 정확한 예측이 가능하였다.

상행선에 열차가 통과하는 경우 통과소음도에 대한 삽입손실은 방음벽 후방에서 레일레벨 기준 5.5m(즉 Ch 6) 이상에서는 0.2dB 이하의 삽입손실이 얻어져 방음벽의 효과가 거의 없는 위치로 평가되었다. 하행선에 열차가 통과하는 경우, 5.5m (Ch 6)까지 1.3dB 이상의 삽입손실이 얻어졌다. 즉 상행에 비해 효과를 보는 지역의 높이가 확대되었음을 알 수 있다.
이와 같이 철도소음 측정 및 예측해석을 통해 방음벽 설치 개소의 소음전파 특성 및 방음벽에 의한 소음저감효과 등을 분석하여 적응형 방음장치 개념설계를 위한 기초 자료로 삼았다.

2. 고속선 소음환경을 고려한 soft-edge 방음벽 상단 향상
해석결과 높은 위치에서 소음원이 입사 시 음향임피던스 절대값이 ❘z❘＜0.1인 한 경우에 대하여 소음원이 3500Hz 및 250Hz∼315Hz 일 때 대상수음위치에서 방음벽의 상단높이보다 높은 수음높이까지 음압이 저감되었음을 볼 수 있다. 가시영역인 방음벽으로부터 5.5m 이격되고 지상에서 5.8m 높이의 수음위치에서 최고 18 dB 까지 향상도가 예측되었으며, 6.8m 높이에서는 10dB 에 가깝게 향상도를 나타내었다. 본 결과는 기존 국내외 연구들이 대부분 전동소음이나 도로교통 차륜소음이 위치한 낮은 위치에서의 소음원만 고려하여 예측한 결과와는 달리 방음벽 상단의 높이에서 수직으로 입사한 경우에 대한 결과로써 차별화되면서도 매우 긍정적인 성능결과라고 할 수 있다.

3. 기존선 저주파수 소음에 대한 방음벽 성능 향상-능동음장제어 상단 해석
능동음장제어 상단을 통해 상단을 타고 넘어가는 저주파수 회절음의 에너지의 흐름이 전향되고 저감되어 방음벽 후면 기존의 그늘음장 영역뿐 아니라 방음벽 상단보다 높은 위치까지 광범위하게 음압이 현저히 저감되었음을 볼 수 있다. 가시영역인 방음벽으로부터 47m 이격거리의 주거지역 12m 높이에서 최고 12 dB 이상, 55m 높이에서는 4 dB 에 이르는 저감성능 향상도를 예측하였다.

4. 광역주파수 효과를 위한 현장 소음환경 적응형 상단 설계(안)
위의 두 가지의 기술이 병합된 경우 각각의 향상효과를 모두 얻는다고 가정하여 그 결과를 동시에 나타낸다면 그림과 같이 125Hz 저주파수 영역에서 16 dB 까지, 고주파수 영역 4000Hz부근에서는 약 18 dB까지 동시에 향상된 것을 볼 수 있고, 방음벽으로부터 5.5m 이격, 지상에서 6m 높이의 수음위치에서 현재 측정되는 소음도가 저감될 주된 주파수 영역을 보여주고 있다. 이 영역에서 총합소음도는 4.4 dB 이상 저감될 것으로 예측되었다.

[판토그라프 저소음 설계를 위한 공력소음 발생 메카니즘 파괴 기술 개발]
1. 시간별 유동해석결과
해석결과 일정시간까지 각주단면을 지난 유동은 상하 평형을 이루며, 위의 그림과같이 유동장을 형성하게 된다. 각 Case별로 일정시간까지 균형을 이루며 흘러가던 유동이 한쪽부분의 밀도와 압력의 균형이 깨지면서, 점차 흔들리게 되고 그림에서 보는 바와 같이 상하로 규칙적으로 소용돌이를 형성하며 흘러가게 된다. 이러한 주기적인 소용돌이는 주파수를 발생하며, 물체를 진동시키고, 소음을 발생시키게 된다.

2. 유동주파수 분석을 통한 유동주기 분석
주파수 분석을 위해서는 시간 t의 함수를 ω에 관한 함수로 나타내어야 하는데 이때 퓨리에 변환이라는 방법을 사용한다. 주기함수 또는 비 주기함수일 수 있는 시간 t의 함수 x(t)는 다음과 같이 sin 과 cos의 합으로 나타낼 수 있다.
(수식)
이때 X(w)를 x(t)의 퓨리에 변환이라고 하고 다음과 같이 계산된다.
(수식)

이를 FFT 방법이라 하며, 본 연구에서는 이 방법을 이용하여 주파수 스펙트럼을 나타내었다. 이를 통하여 Strouhl 수를 다음 식을 통하여 얻을 수 있다.
St_D = fD/U_∞

3. 판토그라프 유체유동특성에 따른 소음 예측
본 연구에서는 속도장을 구하여 진동수를 구하였고 이를 이용하여 소음이 얼마만큼의 크기로 발생할지에 대하여 예측하여 보았다. 음압에 의한 데시벨 변환방법은 다음 식에 의하여 계산되어진다. 다음 식은 음압레벨을 구하는 식이다.
20log₁₀(p/p₀)

여기서, P는 측정 압력이며, p₀는 기준음압으로 정상적인 사람의 청력을 기준으로 하여 1kHz의 평면파의 소리에 대한 최소가청값[最小可聽値] p₀=2×10^-5N/m² = 2×10^-4dyn/cm² = 2×10^-4ubar를 기준음압으로 하였다.

아래 그림(좌)은 시간에 따른 압력변화를 그래프로 나타낸 것으로 속도의 흐름에 따라 점차 압력이 양압에서 음압으로 변화하는 모습을 보여주고 있다. 본 연구에서는 양압이냐 음압이냐가 중요한 문제가 아니고 그 크기에 따른 진동 문제에 관심이 있으므로 모두 양압으로 가정하여 연구를 수행하였다. 또, 그림(우)은 위의 식을 이용하여 데시벨로 변환한 그림이다. 평균 약90dB 정도로 추정되어진다.

또한, 아래 그림(좌)은 압력장 데이터를 Contour로 나타낸 것으로 입구에서 유동이 시작되어 각주면에 부딪쳐 막 진동이 시작되는 순간의 압력장을 나타낸 것이다. 각주면에 부딪친 유체는 회전운동을 하게 되고 유속이 증가하면서 압력이 떨어지게 된다. 그림(우)은 각주면 상하로 유동이 규칙적으로 회전운동을 하고 있을 때의 압력장으로 그림에서 보는 바와 같이 유체가 회전을 하면서 원형의 음압의 압력장을 형성하며 흘러가는 모습을 보여주고 있다.

[지반진동기준 및 전파예측에 관한 기술개발]
1. 지중(地中) 지반진동 정밀측정 장비 개발
본 과제 1차년도(2009)에는, 속도감지기 방향성 보정기능, 속도감지기 방향성 판독 및 조정기능, 관입장치 공벽 내부 고정 기능을 가진 지중 지반진동 정밀측정 장비 Mock-up 제작이 수행되었다.

2. 지반진동 현장측정 시험
본 과제 1차년도(2009)에 실시된 지반진동 현장측정 시험 결과, 전(全) 진동 성분(즉, 수직 및 각 수평성분)에 대해, 지표면에서 측정된 진동의 크기가 지중 경암층(깊이 20m)에서 측정된 진동의 크기보다 크게 나타났다. 수직 성분의 경우, 지표면에서 측정된 진동의 크기가 시추공 최하단 경암층에서 측정된 진동의 크기보다 약 3.5배 컸다. 수평 성분의 경우, 지표면에서 측정된 진동의 크기가 시추공 최하단 경암층에서 측정된 진동의 크기보다 8-9배 컸다. 이러한, 심도가 얕아짐에 따른, 진동의 증폭 현상은 호도그램에도 잘 나타난다. 지표면(B0)에서 측정된 입자운동 자취의 범위에 비해 경암층(B4)에서 측정된 입자운동 자취의 범위가 수배는 크게 나타났음에 주목할 필요가 있다. 또 다른 주목할 점은, 심도가 얕아짐에 따른 수평방향 진동의 증폭정도가 수직방향의 증폭정도보다 우세하다는 것이다. 경암층에서는 거의 원형이었던 수평 vs. 수직 호도그램의 입자운동 자취의 모양이 지표면으로 올라올수록 납작(즉, 수평성분>>수직성분)한 형상으로 변하는 것을 알 수 있다. 이는 지중 깊은 심도에서는 수직방향이었던 진동성분이 지표면으로 올라오면서 굴절되어 수평성분으로 변환되기 때문인 것으로 추측된다. 향후 이에 대한 검토 및 고찰이 요구된다.

(출처 : 요약문 6p)

Abstract ▼

In this study, the reducing measures of noise and vibration according to the railway speed-up were developed. Concept design of adaptive noise reducer, generation mechanism of aerodynamic noise from pantograph and measurement method establishment of vibration which is propagated under ground are stu

In this study, the reducing measures of noise and vibration according to the railway speed-up were developed. Concept design of adaptive noise reducer, generation mechanism of aerodynamic noise from pantograph and measurement method establishment of vibration which is propagated under ground are studied with considering the generation and propagating characteristics.

(source: 서지정보 - 초록 371p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 서 문 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• 목차 ... 16
• 표목차 ... 18
• 그림목차 ... 22
• 제1장 서 론 ... 34
• 제1절 연구개발의 필요성 ... 34
• 가. 연구개발 개요 ... 34
• 나. 연구개발의 중요성 ... 35
• 제2절 연구 목표 및 내용 ... 42
• 가. 최종목표 ... 42
• 나. 당해 연도 연구목표 및 내용 ... 42
• 제2장 전파특성을 고려한 적응형 방음장치 설계(안) ... 43
• 제1절 기존 철도소음 저감장치의 특성 및 한계점 분석 ... 43
• 가. 개발, 현장 시공된 국내외 방음벽 상단 저감장치의 특성 및 한계점 분석 ... 45
• 나. 철도소음 저감장치 국내외 특허 분석 ... 49
• 다. 특수 소음감소 상단장치 국외동향 ... 57
• 제2절 방음벽 설치개소 소음 특성 분석 ... 60
• 가. 고속선 구간 ... 63
• 나. 일반선 구간 ... 84
• 제3절 적응형 방음장치 성능 해석 및 설계(안) ... 147
• 가. 제안된 방음장치 유형별 소음 저감 성능해석 ... 149
• 제4절 소결론 ... 169
• 제3장 LES(Large Eddy Simulation) Code를 이용한 판토그라프 공력특성 연구 ... 170
• 제1절 수치해석기법 ... 170
• 가. LES 해석 Code(FDS) ... 170
• 나. RANS(Reynolds-averged Navier-Stokes) 해석 Code(FLUENT) ... 172
• 다. 병렬처리기법 ... 174
• 제2절 LES Code를 이용한 판토 모델(사각단면) 유체유동해석 ... 181
• 가. 경계조건 설정 ... 181
• 나. 해석 영역 및 그리드 시스템 ... 181
• 제3절 소결론 ... 219
• 제4장 터널구간 지반진동 정밀측정기술 개발 ... 221
• 제1절 지중(地中) 지반진동 정밀측정 장비 개발 ... 221
• 가. 현(現) 기술 수준 ... 221
• 나. 지중 지반진동 정밀측정 장비 기본설계 및 Mock-up 제작 ... 226
• 제2절 지반진동 현장측정 시험 ... 234
• 가. 개요 ... 234
• 나. 현장측정시험 결과 ... 250
• 제3절 국내외 진동기준 분석 ... 263
• 가. 국내 기준 ... 263
• 나. 해외 기준 ... 264
• 제4절 소결론 ... 267
• 제5장 결론 ... 268
• 참고문헌 ... 271
• 부록1 주요 특허 분석결과 ... 273
• 부록2 지반진동 현장측정시험 분석결과 ... 344
• 서 지 정 보 ... 371
• 끝페이지 ... 372