A Study of Sound Absorbing Characteristics of the Railway Noise Barrier with Respect to Front Perforated Panel and Absorbing Material

철도 방음벽의 전면 타공과 흡음재 변화에 의한 흡음성능 고찰

Abstract

This study has been analyzed the sound performance of the noise barriers with respect to the configuration of the front perforated panel geometries and the filled absorption materials. Noise barriers' acoustic performance should be required to meet 0.7 of NRC value at least. The global absorbing performance of the barriers have been investigated by changing the opening ratio of the front perforated panel and the absorbing characteristics of the absorbing material using two microphone method. Therefore, It it possible to obtain to increase acoustic performance of the specific frequency ranges by designing the perforate rates of the front panel and absorbing characteristics of the absorbing materials inside, as well. This study try to find out the possibilities of applying the absorbing noise barrier to railway usage.

1. 서 론

국내 철도변 거주인구는 약 450만 명으로 대다수 수도권 전철 및 철로 주변에 밀집되어 있다. 철도소음은 단위길이당 소음피해 노출인구가 가장 높은 발생원으로서, 철도소음 60 dB(A) 초과인구를 살펴보면 낮에는 110만명(철도변 인구의 1/4 수준), 야간에는 174만명(철도변 인구의 1/3 수준)이 철도소음에 노출되어 있다. 이러한 소음 피해로 인해 철도 운행속도가 제한되는 등의 사례가 속출되고 있어 향후 철도 방음벽의 도입 등을 통한 방음대책 수행시 수혜인구가 높을 것으로 예상된다(1). 철도차량에 의한 소음원을 상세히 살펴보면 차륜과 레일의 접촉에서 발생하는 전동 소음, 열차에 전력을 공급하는 팬터그래프 시스템에서 발생하는 집전소음, 주행하는 열차의 표면에서 공기역학적 메커니즘에 의해 발생하는 공력소음, 추진장치와 냉방장치 등 보조장치에 의한 보조장치소음, 차량 주행에 따른 진동이 구조물에 전달되어 발생하는 구조물 소음 등으로 구분된다. 이러한 철도소음을 저감하기 위하여 EU에서는 미래소음정책에 관하여 녹색헌장을 선정하여 철도소음에 관한 법률 제정 연구를 수행하고 있으며, European Rail Research Institute는 특별히 소음진 동문제만 취급하는 연구단위를 조직하고 전동음, 혁신적인 연구, 측정기준 등 3가지 중요분야에서 과제를 도출하였다. 국내에서는 철도차량에서 발생하는 소음원의 크기를 제한하는 “철도차량의 소음권고기준 및 검사방법” 규정 시행하고 있다.

이 연구는 철도 소음을 저감하기 위한 방안의 하나로 방음벽에 의한 소음 차단 효과를 높이기 위하여 철도에 적용되는 흡음형 방음벽의 전면부와 내부의 흡음재에 대한 음향학적 성능을 확인하고 향후 철도 방음벽을 설계하는데 활용할 수 있도록 하였다.

 

2. 방음벽의 성능 요구조건

방음벽은 흡음형, 반사형 등으로 사용 목적에 따라 도로, 철도 환경에 적용이 되고 있다. 방음벽의 성능을 평가할 때에는 비음향학적 성능과 음향학적 성능으로 나누어서 평가하는데 대표적인 음향학적 성능은 투과손실과 흡음률로서 국내 방음벽은 KS 규격의 성능을 따르고 있다. KS 규격에서 나타내는 투과손실과 흡음성능은 Table 1과 같다. 현재 철도에 적용된 대부분의 방음벽도 투과손실과 흡음률은 모두 Table 1에 의한 성능을 따르고 있다.

Table 1Transmission loss and absorption coefficient of the noise barrier

이 연구에서는 Fig. 1과 같이 흡음형 방음벽을 대상으로, 방음벽의 전면 타공부의 타공률, 내부 공기층, 흡음재의 배열의 변화에 따른 흡음성능을 고찰하고, 더 나아가서 전면 타공판의 타공률, 내부 공기층 및 흡음재의 변화에 따른 원하는 주파수 대역의 흡음 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 연구하고자 한다.

Fig. 1An example of the layers of the absorbing acoustic barrier

 

3. 타공판, 공기층, 흡음재의 음향 특성 이론

3.1 타공판의 임피던스

타공판과 후면부의 공기층이 형성된 경우, 해당 음향특성을 헬름홀츠 공명기의 현상으로 설명한다. 타공판의 특성을 적용하기 위해서는 타공에 관련된 임피던스 모델식의 유도가 필요하다. Ingard, Rayleigh 등이 이론적 해석(2,3)을 제시하였으며, 이 이론에 따르면 임피던스 값은 타공판의 두께, 타공지름, 타공률 그리고 입사하는 주파수 성분이 함수가 된다(4). Fig. 2에 타공판 모델을 나타내었으며, 입사음을 pi , 반사음을 pr , 투과음을 pt라 하면 식 (1) 및 식 (2)로 나타낼 수 있다(5).

Fig. 2Reflection and transmission of sound through perforated panel

여기서 pa와 pb는 타공판 전·후의 입사음과 투과 음에 음압을 나타낸다. 평면파 가정의 경우 타공판전, 후의 입자속도는 식 (3), 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 3은 타공판의 형상을 나타내는데 여기서 r0는 타공구멍의 반지름, S 는 타공판의 전체 면적, Sp는 타공된 면적을 나타낸다. 전체 면적대비 개구율은 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 3Configuration of perforated panel

식 (5)를 통해 타공 위치에서의 운동방정식을 적용하여 타공판의 임피던스 식을 유도하면 식 (6)과 같다.

식 (6)에서 h′는 타공판의 효과두께로 보정값과 실제 두께의 합으로 구성된다.

3.2 흡음재 임피던스

Delany-Bazley는 공극률이 1에 가까운 많은 섬유재료의 전파 상수와 특성 임피던스를 측정하여 이로부터 이들 인자가 주파수와 재료의 유동 비저항의 함수로 표현될 수 있음을 밝혀냈다. 이로부터 다음과 같은 경험식을 개발하였다(6).

여기서 Zc는 특성 임피던스이고 k는 음파 정수, p는 공기의 밀도, w 는 각 가속도, c는 공기 중의 음속이 된다. 여기서 X 는 무차원 매개 변수로서 다음과 같이 정의된다.

위 식에서 f는 주파수이고 𝜎가 실험에서 구한 시편의 유동저항이 된다. 단 Delany-Bazley의 실험식(2)을 사용하기 위해서는 X 의 값이 0.01에서 1 사이에서만 가능하다. 따라서 공기의 밀도가 1.213 kg/m3이고 만약에 측정 주파수의 범위가 400 Hz에서 4,500 Hz일 경우 유동저항의 값은 5,459 MKS Rayls에서 48,520 MKS Rayls 사이에 있어야 위의 식을 이용할 수 있다. 특성 임피던스를 구하고 나면 강체벽에 위치한 시편의 경우 다음 식을 이용해서 시편의 표면 임피던스를 구할 수 있다.

 

4. 방음벽 타공판 적층 구조물의 흡음 성능

흡음재의 흡음성능은 대표적으로 임피던스 튜브를 사용하여 수직음에 대하여 흡음률을 평가하는 방법과 잔향실에서 난반사음에 대해서 흡음률을 평가하는 방법으로 나뉜다. 이 연구에서는 일반적으로 방음벽에 적용되는 흡음재의 흡음성능을 임피던스 튜브에 의한 수직입사음에 대하여 비교하고자 한다.

4.1 임피던스 튜브를 사용한 흡음률 측정

두 개의 마이크로폰을 이용한 흡음률 측정은 튜브의 한 쪽 끝에 스피커로 음을 발생시키고 반대편에 측정하고자 하는 시편을 설치한다. 실험 방법은 ISO 10534-2에 따라 B&K Type 4206 임피던스 튜브를 사용하여 𝜙29mm, 𝜙100mm의 시편에 대하여 수행하였다.

임피던스 튜브 안의 마이크로폰 1번, 2번 위치에서의 음압을 각각 P1,P2 라 할 때, P1,P2는 다음과 같이 나타낼 수 있으며, 이를 토대로 전달함수(H21)로부터 반사 계수(R)는

Fig. 4The impedance tube configuration with 2 microphones

흡음률(α)과 임피던스(Z )는 다음과 같다.

4.2 방음벽 적용 흡음재의 흡음률 비교

근래에는 방음벽에 적용되는 흡음재는 합성수지계열의 흡음재를 많이 적용하고 있다. 이 연구에서도 Tables 2와 같이 합성수지 계열의 흡음재와 가장 흔히 사용되는 PU foam에 대해서 흡음성능을 예측, 측정(7)하여 비교하였다.

Table 2Properties of the tested absorbing materials

6개 흡음재를 대상으로 대한 흡음률 예측과 측정 결과는 Figs. 5~Figs. 10에 나타내었다. 흡음성능 측정 결과 100 Hz ~ 5,000 Hz, 1/3 옥타브 대역의 평균 흡음 성능을 살펴보면 예측결과와 측정결과의 차이가 5%이내 나타나 이론과 실험결과가 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다.

Fig. 5Absorption performance of S-1

Fig. 6Absorption performance of S-2

Fig. 7Absorption performance of PU

Fig. 8Absorption performance of PE-1

Fig. 9Absorption performance of PE-2

Fig. 10Absorption performance of PE-3

4.3 철도 방음벽으로 적용을 위한 전면부 타공과 내부 흡음재의 구성에 의한 흡음 효과

흡음형 방음벽은 일반적으로 전면부에 타공부를 갖고 내부에 흡음재를 적용하여 구성된다. 소음원으로부터 발생된 음이 흡음재에 바로 전달되는 것이 아닌 전면 타공부에 먼저 도달한 이후에 방음벽의 내부 구성에 따라서 공기층, 흡음재 등과 조합되어 흡음성능을 발휘하게 된다. 이 장에서는 흡음형 방음벽 전면부에 타공부가 구성된 경우 타공부의 음향학적 성능과 흡음재와의 조합에 의한 흡음성능을 확인하고자 한다.

4.4 타공판과 흡음재 구성에 따른 흡음률

타공판과 흡음재의 조합에 의한 흡음률을 살펴보기 위하여 타공판의 타공률이 1 %에서 30 % 증가하면서 나타나는 흡음성능을 확인하였다. Table 3은 타공판의 사양과 Table 4는 적용된 흡음재의 사양을 나타내고 있다.

Table 3Specifications of perforated plate

Table 4Specifications of porous material

Tables 3, Tables 4의 사양에 따라서 타공판, 흡음재가 조합될 때의 측정 및 예측의 결과를 살펴보면 Figs. 11~ Figs.14와 같다. 해당 조합의 측정결과에서 일부 예를 살펴보면 Fig. 11은 타공판의 두께가 1 mm, 타공률1%, 타공지름 1.5 mm, 흡음재 40 mm가 적용시의 흡음성능 예측과 실험 결과의 비교를 보여주고 있으며, Fig. 12는 타공판의 두께가 1mm, 타공률 10 %, 타공지름 2mm, 흡음재 40 mm가 적용시의 흡음성능 예측과 실험 결과의 비교를 보여주고 있다.

Fig. 11The performance of absorption coefficient (t=1, 𝜎=1.07 %, dh=1.5, la=40)

Fig. 12The performance of absorption coefficient (t=1, 𝜎=9.99 %, dh=2, la=40)

Fig. 13The performance of absorption coefficient (t=10, 𝜎=5.35 %, dh=3, la=40)

Fig. 14The performance of absorption coefficient (t=3, 𝜎=14.57 %, dh=3, la=40)

Fig. 13은 타공판의 두께가 10 mm, 타공률 5 %, 타공지름 3 mm, 흡음재 40 mm가 적용시의 흡음성능 예측과 실험 결과의 비교를 보여주고 있으며, Fig. 12는 타공판의 두께가 3 mm, 타공률 15 %, 타공지름 3 mm, 흡음재 40 mm가 적용시의 흡음성능 예측과 실험 결과의 비교를 보여주고 있다.

방음벽의 구성 형태의 예로서 타공판과 흡음재 사이에 공기층이 형성되는 예를 살펴보면 Figs. 15, 16과 같이 비교할 수 있다. Fig. 15는 타공판과 흡음재 조합으로 형성된 상태의 흡음성능을 표현하고 있으며, 타공판의 두께가 5 mm, 타공률 10 %, 타공지름 3 mm, 흡음재 두께 40 mm로 구성되었다. Fig.16은 Fig. 15의 타공판과 흡음재는 동일하지만 타공판과 흡음재 사이에 공기층 50 mm로 구성한 경우의 흡음성능 보여주고 있다.

Fig. 15The performance of absorption coefficient (t=5, 𝜎=10 %, dh=3, la=40)

Fig. 16The performance of absorption coefficient (t=5, 𝜎=10 %, dh=3, l=50,la=40)

두 가지 경우를 비교해보았을 때에 공기층이 없이 타공판과 흡음재 조합으로 구성되었을 경우에는 1000 Hz 대역에서 최대 흡음성능을 나타내고 있지만, 중간에 공기층이 형성된 경우에는 2000 Hz 대역에서 공기층이 없는 경우보다 높은 흡음성능을 보이는 것을 알 수 있다.

 

5. 결 론

이 연구에서는 철도 분야의 방음벽을 적용하기 위하여 흡음형 방음벽을 대상으로 적용되는 일반적인 흡음재의 흡음성능을 실험과 예측을 통하여 비교 하였고, 방음벽 전면부 타공판과 흡음재가 조합될 경우 전면부에 타공 면적의 비율에 따라서 변화되는 흡음성능을 비교하였다. 그 결과 전면부의 타공률이 20 % 이상 확보되어야 후면부에 흡음재에 의한 흡음성능이 확보됨을 알 수 있었다. 또한 방음벽의 내부 구성이 타공판, 공기층, 흡음재 등 다양한 조합에 의하여 형성될 수 있으며, 타공판, 공기층 등의 배열에 따라서 원하는 주파수 대역별 흡음성능을 향상시킬 수 있는 방법을 파악하였다.

이 연구에서는 흡음성능에 대한 결과를 평면파 수직음에 대해서만 한정하여 예측 및 시험하였으며, 향후에는 실제 현장에 적용 가능한 환경을 고려한 흡음성능의 예측과 측정을 실시하는 연구가 필요할 것이다. 또한 철도 방음벽으로서의 갖추어야 할 음 향학적 성능을 고려하여 철도 방음벽의 음향학적 최적 설계가 가능한 내부 레이어 구성 및 흡음재의 적용에 관련된 연구와 철도 소음 주파수 대역에 필요한 흡음형 방음벽의 최적 설계 기법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.