냉장고 정상상태 소음의 음질 인덱스 개발을 위한 심리음향학적 연구

Psychoacoustical Study for Sound Quality Index of Steady State Noise of Refrigerators

Abstract

Household refrigerator radiates noise of which the pattern is dependent on the operating condition of its parts, such as compressor, flow fans, etc. Thus the refrigerator noise has a variety of frequency characteristics. Therefore, it is required to consider the noise characteristics for evaluating the noise quality and eventually developing the sound quality index of the refrigerator noise. In this study, five units of household refrigerator were selected to measure their noises that were used to generate sound sources for jury test of the study. The measured noises of five refrigerators were divided into ten kinds of sound source by considering operating condition and frequency characteristics. Additionally, the ten sources were each edited to have the same SPL of 30 dBA. Totally twenty kinds of sound sources (10-original SPL, 10-edited SPL 30 dBA) were evaluated by twenty-two subjects, and compared with their sound quality metrics. It was found that only the loudness of the metrics was meaningfully correlated with the subjective evaluation. The rests, sharpness, roughness and fluctuation strength, were not related. The conclusion of this study is that a new sophisticated index is necessary to be developed to qualitatively evaluate the household refrigerator noise.

1. 서 론

최근 생활수준의 향상으로 조용한 환경에서 생활하고자 하는 소비자의 욕구가 늘어나고 있다. 이에 일상생활에서 밀접하게 노출될 수 있는 가전이나 자동차 업계에서는 저소음형 제품을 개발하기 위해 노력하고 있으며, 이를 뒷받침하는 연구도 이루어지고 있다. 주거환경에서 큰 소음을 방사하는 세탁기에 대하여 Jung(1)은 소음원을 구분하여 다양한 객관적 지표와 주관 평가의 상관도 분석을 수행하였고 그 결과를 토대로 선형 회귀 기법을 이용하여 음질 인덱스를 구축하였다. 그리고 사무실에서 빈번하게 사용되며 소음 노출량이 많은 프린터에 대하여 Park(2)은 프린터의 소음을 톤 소음(tone noise)과 충격 소음(impact noise)으로 구분하여 각각 주관 평가를 수행한 후 종합하여 정숙감 점수를 도출하였다. 나아가 차량에서는 운전자의 안락감 향상을 위하여 엔진, 흡배기계, 윈도우 리프트, 도어 랫치, 혼, 타이어 등 차량에서 발생할 수 있는 소음에 대하여 음질의 연구가 진행되고 있다(3~8). 특히 Kang(7)은 혼 소음에 대하여 요인분석을 통하여 대표 질의어 ‘고급스러움’을 도출했고 옥타브당 감소한 음압레벨의 기울기가 소음 인지의 감성에 영향을 주는 것을 확인하였다. 이를 통하여 주관적인 평가와 상관도가 높은 더욱 향상된 음질 지표를 구축했다.

냉장고는 주거환경에서 하루 종일 작동되며 노출량이 많은 가전기기이다. 냉장고는 냉매를 이용한 냉각 사이클로 고내의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 고내에 장착된 기계부품과 전기 전자 부품들이 작동하기와 멈추기를 반복한다. 이러한 작동하기와 멈추기는 냉장고의 특성과 목표 성능을 고려하여 설계된 작동 사이클로 운행되며, 이러한 사이클에 따라 방사하는 소음의 특성도 결정된다. 즉, 냉장고 작동 사이클은 모델마다 다양하며 방사 소음 또한 다양한 주파수 특성을 가진다(9). Jeon(10)와 Park(11)의 냉장고 소음 음질 연구에서 심리음향학 파라미터를 이용하여 음질 인덱스를 도출했지만 냉장고 소음의 다양한 주파수 특성을 고려하지 못한 한계가 있다.

이 연구는 여러 가지 냉장고 소음을 측정하여 냉장고의 작동 사이클에 따라 4가지 타입으로 분류하였고 각각의 타입에 대하여 대표 냉장고의 소음을 선정하였으며, 청음 평가(jury test)를 통해 주관적 음질 평가를 수행하였다. 그리고 주관 평가의 결과를 요인 분석법(factor analysis method)을 이용하여 냉장고 소음을 가장 잘 표현할 수 있는 어휘(verbatim)를 선정하였고 음질 4대 지표 등의 객관적 음질 지표와 주관 평가 사이의 상관도를 분석하였다.

 

2. 청음 평가

여러 명의 평가자를 대상으로 실시하는 심리음향학(psychoacoustics)의 시험은 현장에서 실제 음원을 녹음하는 정밀도뿐만 아니라 청음 평가를 실시할 때 실험실에서 음원을 재생하는 시스템과 시험 절차의 신뢰성이 중요하다. 따라서 이 연구에서는 일반적인 가정용 냉장고 방사 소음의 주요 주파수와 음압레벨(sound pressure level, SPL)을 고려한 마이크로폰과 스피커 그리고 녹음과 재생 시스템을 선정하여 사용하였다.

2.1 냉장고 소음의 녹음 및 재생

냉장고는 고내의 온도나 주변 환경의 변화에 따라서 작동 특성이 달라지며 소음 특성 또한 변화한다. 그러므로 온도가 25℃로 유지되는 무향실에 냉장고를 설치하여 녹음 환경을 일치시켰다. 무향실의 차단주파수(cut-off frequency)는 80 Hz이며, 배경소음(background noise) 레벨은 17 dBA이다. 냉장고는 계측하기 전에 충분한 시간 동안 가동하여 냉장고의 작동이 정상상태 조건의 사이클이 진행되도록 하였다. 그리고 냉장고의 후방에서 소음이 벽에 반사되는 일반적인 주거환경 조건을 구현하기 위하여 냉장고의 후면에서 10 cm 떨어진 곳에 나무 판재를 Fig. 1의 무향실 A와 같이 설치하였다. 냉장고 소음의 수음 위치는 냉장고의 전면과 후면의 소음 특성을 동시에 반영할 수 있는 냉장고의 우측면 중심에서 0.5 m 떨어지고 높이 1.0 m 위치로 선정하였다. 냉장고 소음은 주된 주파수 범위가 3 kHz 이하에 있고 음압레벨은 25 dBA에서 35 dBA로 비교적 작은 크기의 특성을 가진다. 이 연구에서는 원음을 최대한 왜곡 없이 녹음하고 재생하기 위하여 가청 음역대에서 평평한 주파수 특성을 가지는 SENNHEISER사의 콘덴서 지향성 마이크로폰과 50 Hz에서 20 000 Hz 범위에서 평평한 주파수 특성을 가지는 GENELEC 사의 8040B 스피커를 사용하여 재생 시스템을 구축하였다. 그리고 냉장고 소음을 AD 변환하여 녹음하고 DA 변환하여 재생하는 장치로 TASCAM 사의 HD-P2를 이용하였다. Fig. 1(a)의 무향실 A에서 샘플링 주파수 48 kHz로 측정하였으며 녹음된 냉장고 소음은 주관 평가를 위하여 준비된 Fig. 1(b)의 반무향실 B(cut-off frequency: 340 Hz, background noise level: 19 dBA)에서 재현하였다.

Fig. 1Experiment system for measurement and evaluation of refrigerator noises

무향실 A에서 측정된 소음 신호와 반무향실 B에 재생된 소음의 일치성을 확인하기 위하여 Fig. 1(b)의 반무향실 B와 같이 청음 평가에서 평가자의 귀가 위치할 스피커의 음향 축(acoustical axis)에서 1.0 m 거리의 점에서의 신호와 냉장고 소음의 수음점에서의 신호를 LMS test.Lab를 이용하여 분석하고 비교하였다. Fig. 2는 측정한 두 신호의 스펙트럼을 비교하여 나타낸 것이다. 재생하는 소음의 크기는 스피커와 앰프의 이득(gain)을 이용하여 조절하였다. 재생된 냉장고 소음의 주파수 특성과 음압레벨이 실제로 측정한 것과 잘 일치함을 알 수 있다.

Fig. 2Comparison of noise spectrum measured in chamber A and replayed in chamber B

2.2 평가용 음원 선정

냉장고 소음은 압축기, 기계실홴, 고내홴에 의한 소음과 냉매 유수음, 제상 소음이 함께 발생하며 특정 부품의 작동 유무에 따라 특성이 다른 소음을 방사한다. 이 연구에서는 다양한 냉장고 소음 중에서 대표적인 음원을 선정하기 위하여 최근 시판되고 있는 다양한 냉장고 모델에 대하여 특정한 홴 부품의 적용 유무에 따라 4가지 타입으로 분류하였고 분류 방법을 Table 1에 나타내었다. 냉장고 소음 평가에 사용할 소음원 추출을 위하여 모든 냉장고 타입에 포함하여 총 5대의 냉장고(Type A: 2대, Type B: 1대, Type C: 1대, Type D: 1대)를 선정하였다. 그리고 동일한 조건에서의 소음을 추출하기 위하여 시험 냉장고를 처음 작동시켜 충분한 시간이 지난 후에 동일한 냉장 사이클이 반복되는 조건에서 소음을 측정하였다.

Table 1Classification of refrigerator noises by fan operations (C-fan: condenser fan, F-fan: freezer fan, R-fan: refrigerator fan, I-fan: ice making room fan)

이 연구에서는 냉장고 소음의 주관적 평가를 위하여 4가지 타입의 냉장고에서 측정한 정상상태 소음 중에서 대표성이 있는 음원을 선정하였다. 음원을 선정하기 위하여 작동 조건에 따라 변화하는 냉장고 소음 특성을 고려하였다. Fig. 3은 Type B 냉장고 소음을 1회 사이클 동안 샘플링 주파수 51 200 Hz로 측정하여 음압레벨과 스펙트로그램(spectrogram)을 예시로 나타낸 것이다. Fig. 3의 A 구간과 B 구간의 소음은 동일한 냉장고에서 방사되지만 소음 특성은 다르다. 이러한 점을 고려하여 10개 음원(Type A: 1개, Type B: 3개, Type C: 3개, Type D: 2개)을 선정하였다. 그리고 이 연구에서는 음질 평가에 있어서 소음의 크기에 의한 변수가 배제된 결과를 함께 비교하기 위하여 앞의 10가지 음원의 크기를 인위적으로 조정하여 SPL값이 30 dBA으로 동일하게 제작된 10개 음원을 추가로 준비하였다. Table 2에는 현장에서 실제로 측정한 냉장고 소음의 음원 10개와 크기를 동일하게 조정하여 제작된 10개 음원의 ID와 SPL값을 나타내고 있다.

Fig. 3Variation of SPL with time and spectrogram of a refrigerator classified into type B

Table 2Identification and SPL of sound sources

2.3 주관 평가 시험

냉장고 소음의 주관 평가를 위하여 순음 청력검사를 통과한 22세에서 30세의 남자 18명과 여자 4명(총 22명)의 평가자가 참가하였다. 평가자들은 예비시험을 통하여 청음 평가의 절차와 주의사항 등을 숙지할 수 있도록 하였으며, 피로감에 의한 평가의 오류를 줄이기 위해 이 시험을 실시하기 전에 충분한 휴식을 취하였다. 그리고 시험 중 평가자의 자세는 스피커로부터 음향 축 상의 1.0 m 떨어진 곳에 평가자의 양쪽 귀의 중심이 놓이도록 하였다. 이때 높이가 조절되는 의자를 이용하여 평가자의 귀 위치의 높이를 일정하도록 했다.

이 연구에서 평가자가 냉장고 소음을 평가할 기준으로 사용한 어휘(verbatim)는 ‘불쾌한(unpleasant)’, ‘시끄러운(clamorous)’, ‘거친(rough)’, ‘날카로운(shrill)’, ‘탁한(thick)’이다. 평가자는 앞의 5가지 어휘를 기준으로 냉장고 소음을 Fig. 4와 같이 10점 척도법(10 scoring method)에 따라 평가점수를 나타내도록 하였다. 그리고 30초간 지속되는 냉장고 소음의 20가지 음원은 각각 2회 무작위의 순서로 평가되었다. 평가의 정확성을 위하여 평가자의 요청이 있을 경우에는 동일한 음원을 반복하여 들려주었다. 이후 분석에는 냉장고 소음의 각각의 음원에 대한 2회의 평가 점수의 평균을 사용하였다.

Fig. 4Evaluation measure for jury test in terms of 5 kinds of verbatim

2.4 요인 분석법

요인 분석법은 변수들 간의 상호 연관성을 분석해 공통된 인자를 추출하여 유사한 변수끼리 묶는 방법으로 변수의 수를 줄이는 통계적 차원 감소 기법이다. 이 연구에서는 음원에 대한 주관적 평가시험에서 사용한 5가지 어휘 중에서 냉장고 소음의 특징을 가장 잘 대표할 수 있는 어휘를 결정함과 동시에 각 음원에 대한 주관 평가 점수 도출을 위하여 요인 분석법을 사용하였다. 먼저 요인 분석의 결과가 의미있기 위해 표본의 변수들 간에 어느 수준 이상의 상관관계가 있는지 표본 적합성을 검정해야 한다. 통상적으로 표본 적합성을 검정하기 위하여 표본의 편상 관계수 비중을 판별하는 KMO(Kaiser-Meyer-Olkin) 검정값을 계산하거나 상관계수 행렬이 단위행렬인지 판별하는 bartlett 검정이 주로 사용된다. 그 후에 상관 행렬의 고윳값(eigenvalue) 분석으로 유의한 인자를 찾는다. 이 인자와 변수들 간의 공통성을 계산하여 가장 공통성이 높은 변수가 나머지 변수를 대변할 수 있는 변수라고 할 수 있다. 그리고 5가지 어휘의 주관 평가 점수의 평균을 각 음원의 주관 평가 점수로 도출하였다(13).

 

3. 시험 결과

3.1 주관 평가 결과

Fig. 5는 22명의 평가자에 대한 청음 평가 결과 값의 분포와 중간값(median)을 상자 그래프(box plot)로 나타낸 것이다. 냉장고 소음의 원음인 Source ID 1에서 10 소음에 대한 5가지 어휘의 평가와 소리의 크기를 의미하는 SPL값의 변화가 유사하므로 SPL의 차이가 있는 소음에 대해서는 SPL과 청감 반응 사이에 연관성이 있어 보인다. 이와 다르게 동일한 음압레벨로 제작된 Source ID 11에서 20 소음에 대해서는 음압레벨이 같음에도 불구하고 주관 평가가 차이가 있어 보인다. 이에 Source ID 11에서 20 소음의 음원별 주관 평가의 차이가 유의한지 일원배치 분산분석(oneway ANOVA)을 실시하였다. 그 결과 5가지 어휘의 검정 통계량이 유의수준보다 작은 값을 가지므로 음원에 따른 주관 평가는 유의한 차이가 있었다(p < 0.05). 그리고 사후검정으로 source ID 13, 15가 상대적으로 주관 평가가 낮고 source ID 11, 18이 상대적으로 주관 평가가 높은 점을 알 수 있다. Fig. 6에는 상대적으로 청감 반응이 높거나 낮은 음원의 스펙트럼을 비교하였다. 상대적으로 청감 반응이 낮은 음원은 Fig. 6(a)와 같이 고주파수의 레벨이 저주파수에 비해 상대적으로 낮았고, 청감 반응이 높은 음원은 Fig. 6(b)와 같이 고주파에서 큰 레벨을 가졌다. 즉, 압축기가 작동하여 발생하는 1 kHz 이상 고주파수의 소음이 냉장고 소음의 청감에 지배적인 것이다.

Fig. 5Evaluation result by jury test in terms of 5 kinds of verbatim

Fig. 6Noise spectrum of (a) the lowest and (b) the highest subjective evaluation score in same SPL noises

3.2 요인 분석 결과

요인 분석은 상용 통계 프로그램 IBM SPSS 20.0을 이용하였다. 먼저 표본 적합성을 판별하기 위하여 20개의 음원을 이용하여 KMO 검정과 Bartlett 검정을 수행했다. 일반적으로 KMO 검정값이 0.6 이하일 경우 요인분석을 수행하기 부적합한 자료라고 판단하며 0.6 이상일 경우 유의하다고 판단한다. Bartlett 검정의 경우 카이 제곱 분포에서 p-value가 0.05 이하일 경우 변수들 간의 상관관계는 요인 분석을 하기에 적합하다고 판단한다. 이 검정 결과에서, Source ID 1의 음원을 제외한 19개의 음원에 대한 KMO 검정값은 0.71에서 0.89의 범위에 있었다. 그리고 Bartlett 검정에서 p-value는 0.0001이하로 요인 분석하기에 적절한 표본이라고 판정되었다. Source ID 1의 경우는 음압레벨이 22.1 dBA로 다른 음원에 비해 현저히 낮기 때문에 평가자는 음질의 차이보다는 음압의 크기로 평가하였기 때문에 KMO 검정에서 제외되는 것으로 분석되었다.

요인분석의 인자 추출 방법으로 주성분 분석(principle component analysis)을 사용하였고 인자 회전 방법으로 배리맥스(VARIMAX) 직교 회전을 사용하였다. 요인 분석 결과, 5가지 어휘와 유의한 상관성을 가지며 61.8 %에서 78.2 %의 분산의 기여율을 가지는 인자가 1개 도출되었다. 이 인자와 가장 높은 공통성을 가지는 어휘는 19개의 음원 중 10개의 음원이 '거친'이었고 8개가 '불쾌한', 1개가 ' 시끄러운'이었으며 이를 Table 3에 정리하였다. 이를 통하여 '거친'이 냉장고 소음의 특징을 잘 대표할 수 있는 어휘라는 것으로 해석되었다.

Table 3Results of factor analysis, verbatim of the highest commonality and % of variance

3.3 객관적 음질 지표

심리음향학에서 사용되는 음질 4대 지표(loudness, sharpness, roughness, fluctuation strength)는 각각 청감을 고려한 소리의 크기, 높이, 거칠기, 변동 세기 등 을 나타내는 지표로 일반적인 음질 연구에 주로 사용되어왔다. Fig. 7은 청음 평가에 사용한 냉장고 음원에 대하여 음질 4대 지표의 값을 SPL과 비교하여 나타낸 그래프이다. 사람이 느끼는 소리의 크기를 의미하는 loudness와 주파수 가중 함수 A-weighting하여 구한 SPL은 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. Roughness는 압축기의 작동과 관련된 지표로, 대체적으로 압축기 소음의 크기와 연관되어 커지거나 작아지는 것을 알 수 있다. Sharpness는 16 Bark(2.7 kHz ~ 3.1 kHz) 이상의 주파수에 가중치를 높게 두는 음질 지표인데, 냉장고 소음은 3 kHz 이하의 주파수에 의해 소리의 크기가 결정되므로 서로 다른 소음 사이에 유의미한 차이가 없다. 그리고 fluctuation strength는 20 Hz 이하의 변조 주파수의 소음의 크기 변동량을 나타내는 지표인데, 냉장고에서는 작동 주파수 간 차이가 20 Hz 이하인 소음원이 없기 때문에 냉장고의 소음 특성을 반영할 수 없음을 알 수 있다(12).

Fig. 7Comparison of the sound quality indexes with the SPL of the sound sources

3.4 주관 평가와 객관적 음질 지표의 상관도

이 연구에서는 음질 4대 지표와 5가지 어휘의 주관 평가의 평균인 냉장고 소음 품질 점수 사이의 상관도를 분석하기 위해 회귀직선과 실제 값의 적합성을 나타내는 결정계수(coefficient of determination, R2)를 계산하였다. 독립변수 X와 종속변수 Y로 이루어진 회귀모형이 존재할 때 결정계수는 식 (1)에서 (3)으로 구할 수 있다.

여기서 Yi는 i번째 종속 변수, 는 Yi의 평균이다. 그리고 SST는 자료의 Y값들이 나타내는 변동의 총 제곱합(total sum of squares)이며, SSR는 Y값들의 총변동 중에서 회귀모형에 의해서 설명될 수 있는 부분이라 해석하고 이것을 회귀제곱합(regression sum of squares)이라 한다. 결정계수의 값은 항상 0과 1 사이의 수가 되며 1에 가까울수록 독립변수로 종속변수를 잘 설명할 수 있음을 의미한다. Fig. 8에는 주관 평가 결과와 음질 4대 지표 사이의 결정계수를 20개 음원 전체에 대한 분석과 음원의 소음레벨이 동일한 10개만의 분석을 각각 실시하여 함께 나타내었다. 전체 음원과 음질 4대 지표 사이의 상관도는 loudness가 0.84로 가장 높았고, roughness는 0.44로 다음으로 높았다. 그런데 소음레벨 SPL을 동일하게 조정한 10개의 음원에 대해서는 loudness도 0.52으로 낮았으며 나머지 음질 지표는 주관평가와의 상관성이 거의 없는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 냉장고 소음의 음질 4대 지표 중 소음의 크기를 의미하는 loudness 외의 나머지 3가지 지표는 냉장고 음질을 표현하는데 있어서 의미 있는 지표의 역할을 하지 못함을 의미한다.

Fig. 8Correlation of the subjective evaluation scores with the sound quality indexes

 

4. 결 론

이 연구에서는 부품의 작동 유무에 따라 다양한 주파수 특성의 소음을 방사하는 냉장고의 성질을 고려하여 소음을 분류하였고 청음 평가를 실시하였다. 그리고 청음 평가의 결과를 통계 분석하였으며 객관적 음질 지표와 상관도를 분석하였다. 그 결과 SPL의 차이가 있는 소음의 경우에는 소음의 크기가 냉장고 소음의 청감에 가장 영향을 주며, 반대로 소음의 크기가 유사한 경우에는 압축기가 작동할 때 발생하는 고주파수 소음이 청감 반응에 큰 영향을 주었다. 나아가 청음 평가 결과와 음질 지표의 상관도를 분석한 결과 loudness 이외의 지표는 냉장고 소음의 청감을 반영하지 못했다. 그러므로 냉장고 소음의 음질을 객관적인 지표로 도출하기 위해서는 요인 분석으로 도출된 ‘거친’ 소음 특성과 압축기의 작동으로 인해 생기는 소음 특성을 반영할 수 있는 새로운 지표의 개발이 필요하다.