실험실 실험을 통한 벽체 차음성능 측정의 신뢰성 향상을 위한 실험적 연구

An Experimental Study to Improve Measurement Reliability for the Airborne Sound Insulation Performance by Laboratory Test

Abstract

Sound pressure levels in the receiving room while testing airborne sound insulation performance are varied by the measuring points. This may increase the measurement error, then decrease the measurement reliability. With this reason the research has carried out on the method to reduce deviations of sound pressure level in the ISO type rectangular laboratory focusing on the measurement of airborne sound insulation performance. Tests were made to see the effect of sound absorption in the receiving room, loudspeaker locations, microphones locations and flanking transmission path. Consequently, it was resulted that sound absorption in the receiving room and the loudspeaker location have influence on the sound level deviations especially in the low frequency. The microphone location was very important to get measurement reliability. The effective measuring point, which the sound level difference with average sound pressure level is within 2 dB, could yield most reliable average sound pressure level. Therefore it is necessary to find the effective measuring points in the receiving room. Flanking transmission path should be sealed using sound absorber or magnet etc. to prevent from lowering the sound insulation performance.

1. 서 론

삶의 질이 향상되고, 쾌적한 환경을 추구하는 시대에 맞춰 최근 강화되는 소음 기준을 만족하기 위한 여러 형태의 벽체가 개발되고 있다. 개발된 벽체의 검증은 일반적으로 실험실 방법과 현장측정 방법에 의한 차음 성능으로 평가되고 있으며, 측정된 값은 건축 기준값을 만족하는 경우에 한하여 건축물에 이용될 수 있게 된다(대통령령 제24910호 주택건설기준 등에 관한 규정 제14조를 통해 벽체의 차음구조를 규정함).

일반적으로 벽체의 차음 성능 평가가 이루어지는 표준실험실의 경우는 실의 형상에 따라 부정형과 직방형으로 나누고 있으며(1), 최근에는 거주 공간과 유사한 음장 특성을 가지는 직방형 실험실을 많이 사용하고 있으며, 실험실의 형태에 따른 결과의 신뢰성에 대한 연구도 진행되어 왔다(2). 그렇지만 직방형 실험실에서 실험하는 경우에는 실내 경계면이 대칭인 형상에 의해 정재파(standing wave)가 발생하게 된다. 이 때 발생한 정재파는 실내 음장 모드의 중첩을 야기하여 실내의 음압 편차를 발생시키고, 이러한 직방형 실험실 내의 음압 편차는 차음 성능 결과의 신뢰성에 좋지 않은 영향을 미치게 된다(3).

이에 이 연구에서는 장방형 평면을 가진 직육면체 실험실에서 차음 성능 측정 시 발생될 수 있는 편차 요인을 실험실 측면에서 확인하고 이를 제어하기 위한 방안을 검토함으로써 측정값의 신뢰성 향상 방안을 찾고자 한다.

 

2. 실험 개요

2.1 실험 대상 및 장치

이 연구는 잔향실 측정법에 준하여 진행하였으며, 사용된 실험 대상 벽체로는 마그네슘 보드와 콘크리트 패널로 구성된 200 mm 건식벽체로 차음 성능(Rw, STC) 59 dB을 갖는 벽체를 사용하였다. 차음성능이 비교적 높은 벽체를 선정함으로써 측로 전달음(flanking sound)에 대한 영향을 포함시키도록 하였다. 우리나라의 연구기관에서 초기에 설립한 차음실험동은 대부분 오각형 평면으로 된 부정형 구조였지만, 최근 장방형 평면으로 구성된 실험실이 건립되고 있다. 이 연구는 한국조선해양 기자재연구원의 장방형 평면 실험실에서 진행되었다. 측정방법은 ISO 10140-2:2010(4) 및 KS F 2808:2011(5)에 의거하여 실시되었고, 평가는 ISO 717-1:2013(6)에 따라 실시되었다.

Fig. 1은 벽체의 차음 성능 측정에 관한 전반적인 개략도이다. 실험실은 음원실과 수음실로 구성되어 있으며, 실간 사이에 실험 대상이 설치된다. 실험실 체적은 음원실, 수음실 각각 57.0 m3, 51.3 m3이고, ISO 140-1에서 실간 요구 조건인 두 실의 체적비가 10 % 이상의 차이를 만족시키고 있다. 실험실의 상세 규격은 Table 1과 같다.

Fig. 1Measurement diagram

Table 1Specification of test room

2.2 실험 조건 및 방법

(1) 수음실 흡음력

차음성능 측정 편차의 원인이 실의 공진에 의한 저음의 모드중첩에 의한 것이기 때문에 저음의 모드를 줄일 수 있다면 측정편차는 그만큼 줄어들 수 있을 것으로 기대할 수 있다(7). 이러한 근거로 ISO 140-1에서는 수음실의 잔향시간(T)을 수음실의 용적 (V)과 관련하여 저주파수 대역의 잔향시간을 다음 식(1)의 한계 이내로 유지할 것을 규정하고 있다.

따라서 ISO에서 제안하는 수음실의 저음 잔향시간을 일정 한계 이내로 줄여 모드의 발생을 제어한다면 측정의 편차를 상당 부분 줄일 수 있을 것으로 기대된다. ISO 140-1 실험실 조건으로 조정하기 위해 사용된 흡음재료로는 벽면에 부착하는 패널형 흡음재와 모서리에 설치할 수 있는 베이스트랩 등이 사용되었다.

(2) 스피커 및 마이크로폰 위치

음원실과 수음실의 음압분포 특성은 음원의 종류와 위치에 따라 크게 영향을 받으며 이는 차음 성능에 불리한 결과를 초래할 수도 있다(8). 이러한 이유 때문에 현행 ISO 규정에도 음원 스피커는 가능하면 확산 음장이 되도록 하며, 시료에 직접음이 강하게 입사하지 않는 장소의 2군데 이상에 설치하도록 규정하고 있다. 실제의 경우 저주파수에서 이상적인 확산음장을 구현하는 것은 거의 불가능하나, 음원실과 수음실 내의 음압 편차가 최소화되는 스피커 위치를 선정하여 최대한 이상적인 확산음장에 가까운 음장을 구현하는 것이 최선의 방안은 될 수 있다.

이에 이 연구에서는 시료에 직접음을 피하기 위해 시료와 가장 먼 3점(모서리 2점, 중앙 1점)에 스피커 위치를 선정하여, 스피커 위치에 따른 실내 음압 분포 특성을 확인하였다. 또한 실내 음압 분포를 확인하기 위하여 음원실과 수음실에 각각 90점의 마이크로폰 위치를 선정하였다. 스피커 및 마이크로폰 위치는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2Locations of microphones and speakers

(3) 측로 전달음

일반적으로 측로 전달음(flanking sound)이라고 하면 음 회절에 의한 외부에서 유입되는 소음과 외벽을 통해서 전달되는 고체 전달음을 뜻한다. 이는 차음 성능 측정 시 수음실에 전달되어 음압레벨이 커지는 요인으로 작용한다. 이 연구에서 사용된 실험실의 경우 외부 소음과 진동에 대한 절연 구조로 되어 있기 때문에 외부에서 유입되는 소음 및 진동에 의한 요소는 없었으며, 외벽을 통해 전달되는 측로 전달음만을 대상으로 실험을 하였다.

우선적으로 실링 튜브 공기압에 따른 음원실과 수음실 간 측로 전달음 영향을 알아보기 위해 튜브 공기압에 따른 실험을 진행하였다. 다음으로 음원실과 수음실을 완전 밀폐 조건으로 한 후 측로 전달에 대한 차음 성능 변화를 살펴보았다. 측로 진동 및 공진 제어를 위해 고무자석과 흡음재를 사용하였다.

 

3. 실험 결과

3.1 수음실 흡음력의 영향

수음실의 흡음력에 따른 영향을 확인해보기 위해 빈 잔향실과 흡음재를 설치한 ISO 140-1 실험실의 잔향시간을 비교해 보았다. Fig. 3에서 살펴보면 빈 잔향실의 경우 저주파수 대역에서 10초 이상의 긴 잔향시간 특성을 가지며, ISO 140-1 실험실의 경우 전 주파수 대역에서 1초~2초 범위 내의 짧은 잔향시간 특성을 가진다. 이는 실제 거주공간의 잔향시간과 유사한 특성을 보여준다.

Fig. 3Reverberation time according to install acoustic absorbent

흡음재 설치 후 실내 흡음력이 높아짐에 따라 수음실의 평균 음압레벨도 현저히 줄어든 것을 확인하였다(Fig. 4).

Fig. 4Change of sound pressure level in receiving room by sound absorber installation

특히 공실에서의 벽과 모서리 부근에서 크게 나타났던 저음의 모드 현상이 완화되면서(Fig. 5) 100 Hz에서는 음압 레벨의 표준편차가 5.3 dB에서 3.7 dB로 1.6 dB 감소하였고, 이에 따라 음향감쇠계수 (sound reduction index, SRI)의 표준편차도 1.2 dB 감소됨을 확인할 수 있었다(Fig. 6). 이는 단순히 음향감쇠계수의 감소가 중요하지 않으며, 단일 수치에 일반적으로 공실에서는 흡음력이 작기 때문에 잔향 (reverberation)이 오랫동안 지속되며, 동일한 음의 세기가 투과될지라도 흡음력이 큰 실에 비해 상대적으로 음압 레벨이 크게 측정된다. 흡음재가 설치되지 않은 수음실에서는 음압레벨이 커 흡음재를 설치한 실에 비해 음향감쇠계수가 낮게 평가될 것으로 예상되지만 실험 결과 수음실의 흡음력에 대한 보정값이 더 큰 영향을 미치게 되어 반대의 현상이 나타나게 되었다. 이와 같은 결과는 흡음력 보정 값이 과대 평가되었기 때문에 나타난 것이다. Fig. 7에 나타난 것과 같이 저주파수 대역인 100~315 Hz에서 음향감쇠계수가 크게 나타났으며, 이에 따라 단일수치 평가량인 Rw와 STC도 각각 2 dB 더 높게 나타났다.

Fig. 5Distribution of sound pressure level in receiving room with and without sound absorber

Fig. 6Standard deviation of sound pressure level in receiving room before and after sound absorber installation

Fig. 7Sound reduction index according to install acoustic absorbent

이와 같이 수음실의 잔향시간이 길어질 경우 흡음력 보정값이 실제 투과손실값을 일관되지 않게 평가할 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 수음실 내에 흡음재를 설치하여 잔향시간을 줄이고, 특히 저주파수 대역에서의 실내 음장의 편차를 감소시킴으로써 투과손실값의 측정 정확도를 보다 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

3.2 스피커 위치의 영향

음원실에서 음원 발생을 위해 사용하는 스피커의 위치 및 지향 각도에 따른 실내 음압 분포 특성을 검토하였다. 먼저 음원실에서의 실내 평균 음압레벨을 살펴보면, 저주파수 대역인 100~250 Hz 사이에서 스피커 위치별 음압 레벨 편차가 크게 나타났다. 모서리에 위치한 스피커 1번, 2번 위치에서는 유사한 스펙트럼을 보이고 있지만, 실의 중앙에 위치한 3번 위치에서는 상대적으로 다른 특성을 보이고 있다(Fig. 8). 이처럼 지향성 스피커의 경우, 스피커의 가진 위치 및 지향각에 따라 저주파수 대역에서의 음압 특성에 영향을 미치는 것으로 보인다.

Fig. 8Average sound pressure level in source room(Src. Rm : Source Room, Spk : loud Spearker)

Fig. 9는 음원실에서의 음압레벨 편차를 나타낸 것으로서 스피커 3번 위치(중앙점)에서의 표준 편차가 저주파수와 고주파수 대역에서 약간 크게 나타남을 알 수 있다. 이는 스피커가 중앙에 위치할 때보다 모서리에 위치하였을 때 보다 안정적인 위치임을 보여준다. 따라서 실내 분포되는 음압레벨의 표준편차를 줄이고 확산음장을 만들기 위해서는 스피커 위치를 모서리와 같이 편차가 적은 곳에 배치하여 가진하는 것이 좀 더 유리한 것으로 판단된다.

Fig. 9Standard deviation of sound pressure level in source room(STDEV : STandard DEViation)

이러한 음원실과 수음실의 음압 특성을 토대로 스피커 위치별 음향감쇠계수를 Fig. 10에서 비교해 보았다. 음원실에서 보였던 바와 같이 음압레벨의 편차가 컸으나, 음향감쇠계수는 대체적으로 유사한 결과를 보이고 있으며, 단일 수치 평가량(Rw, STC) 또한 동일한 값으로 나타났다. 스피커 위치에 따라 음원실과 수음실의 평균 음압레벨은 각각 차이를 보였지만 음원실에서 발생된 소리는 시료를 투과하여 수음실로 전달되어 그 차이만을 계산하기 때문에 음향감쇠계수값에는 큰 차이가 나타나지 않는 것이다. 그럼에도 불구하고 주파수별 감쇠계수를 살펴보면, 200 Hz에서의 음향감쇠계수가 스피커 3번 위치(중앙점)에서 4 dB 정도 크게 나타났다. 이러한 차이는 전체 음 에너지에 비하면 적은 수치일 수는 있으나, 때로 단일 수치 평가량을 결정하는데 있어서 매우 중요한 저주파수 대역이기 때문에 차음 성능 측정 시 음원 위치나 설치 방향(특히 지향성 음원의 경우)에 주의를 기울여야 할 것으로 판단된다.

Fig. 10Average sound reduction index by each speaker position

3.3 마이크로폰 위치의 영향

잔향실 내의 음장은 이상적인 상황을 가정하여 실내 모든 위치에서 음압레벨이 일정한 것으로 고려 하지만, 실제 음장에서는 위치에 따라 차이가 있다. 따라서 마이크로폰의 위치는 음압레벨을 산출하고, 차음성능을 결정하는 데 중요한 요인이 된다. 실험은 스피커 위치에 따른 실내 음압레벨 분포를 측정 하고, 음압레벨 편차와 평균값(E-Avg)을 통해 대표적인 위치를 찾아내어 측정값의 신뢰도를 향상시키고자 진행되었다. Fig. 11 및 Fig. 12에서 보이는 바와 같이 실내에 분포하는 음압레벨의 변동폭은 저주파수 대역인 100~315 Hz에서 약 5~15 dB의 차이가 발생되었으며, 저주파수 대역으로 갈수록 더 큰 편차를 나타냈다.

Fig. 11Sound pressure level in source room(speaker position #1)

Fig. 12Sound pressure level in receiving room(speaker position #1)

Fig. 13은 마이크로폰의 위치에 따라 산출되어질수 있는 음향감쇠계수를 나타낸 것이다. 여기서 Max.와 Min.은 음원실과 수음실에서 측정된 최대 및 최소 음압레벨을 이용하여 계산된 결과를 뜻한다. 저주파수 대역에서 가장 큰 차이가 발생되었으며, 100 Hz에서는 최소 14 dB 이상의 차이를 보이고 있다. 마이크로폰 위치별 단일 수치 평가량은 각각 Rw 56~60 dB, STC 53~60 dB이며 최소 4 dB 이상의 큰 오차 범위를 나타내었다(Fig. 14).

Fig. 13Sound reduction index(speaker position #1)

Fig. 14Distribution chart of Rw & STC

결과를 통해 볼 때, ISO 140-3 및 KS F 2808에서 규정하는 마이크로폰의 위치인 주위 벽으로부터 최소 0.7 m 이상 이격시킨 5점을 측정자가 임의로 선정하여 측정하게 될 경우 선정된 마이크로폰의 위치에 따라 음압레벨 및 차음성능의 차이를 가져오게 된다. Fig. 15는 음원실 및 수음실에서 측정된 음압레벨의 분포를 나타낸 것으로 음원실과 수음실에서 음압레벨 분포가 동일하지 않으며, 이에 따라 차음성능 값은 신뢰성이 낮을 가능성이 있음을 보여준다.

Fig. 15Deviation of sound pressure level(speaker position #1)

지금까지 살펴본 음압레벨 및 차음성능의 편차를 줄여 측정값의 신뢰도를 높이기 위해서는 공간에 분포하는 실내 평균 음압레벨과 가장 유사한 마이크로폰 위치인 유효 측정점을 선정하는 것이 필요하다.

여기서 유효 측정점이란 실내 평균 음압레벨(90지점)과의 오차 범위 2 dB 이하의 측정점을 말한다. 실험을 통해 선정된 유효 측정점 수는 스피커 1번 위치에서 음원실, 수음실 각각 17개, 15개, 스피커 2번 위치에서 음원실, 수음실 각각 18개, 12개, 그리고 스피커 3번 위치에서 음원실, 수음실 각각 15개, 8개로 스피커 위치마다 총 20개 이상의 유효 측정점이 나타났으며, 스피커 위치에 따라 1번 위치 > 2번 위치 > 3번 위치 순으로 개수의 차이가 있었다. 그리고 스피커 1번, 2번, 3번 위치에서 공통적으로 선정된 유효 측정점 수는 음원실, 수음실 각각 2개, 1개로 나타난 반면, 스피커 1번, 2번(모서리점)의 경우에는 공통된 유효 측정점 수가 음원실, 수음실 각각 5개, 6개로 표준 측정 규격에서 요구하는 최소 5개 이상의 측정점을 확보할 수 있었다(Table 2).

Table 2Effective measurement positions by speaker position

Fig. 16은 각 측정위치에서 유효 측정점을 나타낸 것이다. 유효 측정점에서의 측정 결과와 실내 공간내의 평균 음향감쇠계수를 비교함으로써 마이크로폰의 위치와 그에 따른 측정값의 신뢰도를 판단하고자 하였다.

Fig. 16Common effective measurement positions (speaker position #1, #2)

Fig. 17은 유효 측정점만을 대상으로 산출된 차음성능과 전체 측정점 평균값을 사용하여 산출된 차음성능 비교한 것이다. 전체 주파수 대역에서 매우 유사한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 이와같이 유효 측정점에서 측정을 함으로써 실내 공간내에 분포하는 전체 측정점(90점)에서의 평균 음향감쇠계수와 매우 일치하는 차음 성능 결과를 산출할 수 있게 된다.

Fig. 17Sound reduction index at effective measurement positions

3.4 측로 전달음의 영향

우선적으로 실링 튜브 공기압에 따른 음원실과 수음실 간의 측로 전달음 영향을 알아보기 위해 튜브 공기압에 따른 실험을 진행하였다. 양쪽 튜브의 공기압은 동일하게 0.5~2.0 bar까지 4단계로 설정하였다. 이에 따른 차음 성능 결과는 Fig. 18과 같다. 저주파수에서는 표준편차가 0.5 dB 내외로 나타났으나, 그 외 주파수에서는 거의 차이를 보이지 않으며 단일 수치 평가량 또한 동일한 결과가 나타났다. 따라서 벽체의 차음 성능 평가에 있어서 음원실과 수음실이 완전 밀폐 조건만 된다면 실링 튜브 공기압에 대한 편차는 무시해도 될 것으로 판단된다.

Fig. 18Sound reduction index according to air pressure of sealing tube

다음으로 음원실과 수음실의 완전 밀폐 조건하에서 측로 진동 전달에 대한 차음 성능 변화를 살펴보았으며, 실험 결과는 다음과 같다.

(1) 진동 전달 저감을 위한 고무자석 마감 효과

측로 전달음의 주요 원인 중 하나인 음원실, 실험틀, 그리고 수음실로 전달되어지는 진동 전달을 저감시키기 위해 음원실에서 실험틀, 실험틀에서 수음실로 이어지는 모든 전파 경로에 고무자석을 부착하였다. 실험 대상 벽체가 음원실과 수음실 사이에 끼워지기 때문에 가장자리가 음원실과 수음실 개구부 프레임에 접촉되며, 접촉되는 면에 고무자석을 부착하였다(Fig. 19).

Fig. 19Example of attaching rubber magnet in the source room

Fig. 20에서 보면 고무자석을 이용하여 측로 진동 전달을 저감시킴으로써 차음 성능이 향상된 주파수 대역은 315~500 Hz로 나타났다. 특히 500 Hz에서 음향감쇠계수가 최대 6.1 dB까지 향상되었으며, 이로 인해 Rw 평가값은 1 dB 상승하는 효과를 보였다.

Fig. 20Sound reduction index according to application of rubber magnet(Nothing : without rubber, R. Rm : Receiving Room, S. Rm : Source Room)

(2) 공명 제어를 위한 흡음재 삽입 효과

실험실과 실험틀 사이에는 고무 튜브로 실링이 됨으로써 그 공간에 대한 틈이 발생되게 된다. 이러한 틈이 발생되게 되면 이 공간에서 공명이 발생될 가능성이 커지므로 이 연구에서는 이 틈새 처리를 통한 차음 성능 효과를 확인 하였다. 폴리에스테르 흡음재를 틈새에 삽입함으로써 여기서 발생되는 공명을 제어하였다.

흡음재 삽입에 따른 차음 성능 결과를 Fig. 21에 비교하였다. 315~500 Hz 대역에서 차음 성능이 1~2dB 정도 향상되었으며, 이로 인해 Rw 평가값은 1dB 상승하는 효과를 보였다.

Fig. 21Sound reduction index according to application of polyester(PE Mat : PloyEster Mat)

(3) 측로 전달음 제어를 위한 흡음재 삽입 및 고무자석 마감 효과

앞서 실험에서 확인된 결과를 토대로, 2가지 방법을 음원실과 수음실에 모두 적용하여 측로 전달음을 제어하였으며, 그 결과는 Fig. 22에서 보여준다. 측로 전달음 제어 전과 후의 결과를 비교해보면 315~ 500Hz에서 차음 성능이 현저히 높아지는 것을 볼 수 있다. 기존에 딥(dip)이 발생된 주파수대역의 음향감쇠계수가 상승됨으로써 Rw 평가값은 1 dB, STC 평가값은 5 dB의 상승효과를 보였다.

Fig. 22Sound reduction index according to application of polyester and rubber magnet

 

4. 결 론

이 연구에서는 잔향실법을 이용한 벽체의 차음성능 측정 시 ISO type 직방형 실험실에서 발생할수 있는 편차 요인을 4가지(수음실의 흡음력, 스피커의 위치, 마이크로폰의 위치, 측로 전달음)로 선정하여 실험을 통해 결과에 영향을 미치는지 요인은 다음과 같았다.

(1) ISO에서 요구되는 수음실에서의 잔향시간을 1~2초 이내로 조정하여 흡음력을 충분히 높임으로써, 음압레벨 편차가 크게 나타나는 100 Hz 대역에서의 편차를 저감할 수 있었다. 이는 단일지수에 의한 음향성능 결정시 신뢰성을 향상시키는 중요한 요인으로써, 다른 형태의 실험실에서도 확인이 필요한 사항으로 사료된다.

(2) 음압을 발생시키는 스피커의 위치의 선정 또한 벽체의 가운데 위치보다 확산성능을 높여줄 수 있는 모서리에 배치하는 것이 저주파수 대역에서의 음압레벨 편차를 다소 줄일 수 있는 것으로 판단되었다.

(3) 수음실 90개소의 위치에 각각 마이크로폰을 설치하여, 유효측정점 5~6점을 확보하였다. 이는 ISO 규격에 나온 음압레벨 측정시 스피커 이동을 제외하고 5점을 만족하는 위치를 만족하였다. 특히 유효측정점은 실내 평균음압레벨을 대변하는 곳으로 써 균일한 차음성능 값 확보를 위해서는 반드시 사전 측정을 통해 수음실에서의 유효 측정점을 찾는 것이 선행되어야 하는 중요한 사항으로 사료된다.

(4) 측로전달음은 대상 구조의 성능평가시 오류를 직접적으로 줄 수 있는 요인이다. 이 연구에서는 측로전달음을 최소로 하기위하여, 에어튜브사이에 흡음재 및 자석을 이용하여 RW(STC) 1 dB에서 최대 5 dB의 차음성능 향상을 보였다. 따라서 적절한 방법에 의해 측로전달음을 억제해야 할 것이며, 측정을 통해 검증되어야 할 부분으로 사료된다.

이상과 같이 공기전달음 차단성능 측정시 영향요인을 살펴보았으며, 각 요인들에 따라 그 중요도는 다르지만 차음성능의 신뢰성에 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 그러나 이 연구의 결과는 특정 실험실을 대상으로 하였기 때문에 다소 차이가 있을 수 있음을 전제해야 한다. 여기에 나타난 결과가 실의 형태나 종류에 따라 달라질 수 있기 때문에 이 연구에서 언급된 요인들에 대한 편차가 성능에 영향을 미치는 정도에 더 관심을 가져야할 것으로 사료된다.