비상방송용 스피커의 음향 특성 비교

Acoustic Characteristic of Emergency Broadcasting Speakers

Abstract

본 연구에서는 비상방송용 스피커 13종을 대상으로 UL 2043 화재 시험 조건에서 광대역 음원을 발생시켜 13종 비상방송용 스피커의 특성을 분석하였다. 1 W 스피커의 특성을 15 W 출력 스피커와 비교하면 20 dB 이상 낮은 주파수 대역도 있는 것으로 나타났다. Loudness 분석 결과 1 W와 10 W 이상 출력의 스피커의 음향 크기를 비교하면 사람이 2배 이상의 크기로 차이를 느끼게 되는 것이다. Articulation index (room)는 Loudness와는 반대로 스피커의 출력이 감소함에 따라 증가되는 경향을 갖는 것으로 나타났다. 이상의 결과에서 스피커의 출력이 커지면 발생되는 음량은 증가하지만 명료하게 스피커에서 발생되는 음향의 명료도는 낮아지는 것으로 분석되었다. 향후 다양한 공간에 충분하고 명료한 음향이 발생되도록 비상방송용 스피커를 개선과 비상방송용 스피커의 음향 특성을 합리적이고 정량적으로 측정 평가할 수 있는 표준 기반과 성능 평가 기준 설정이 필요하다. 또한 다양한 공간의 비상방송음 명료도 기준 등을 수립하는 것이 필요하다.

In this study, the acoustic characteristics of 13 types of emergency broadcasting speakers were tested under the test set-up of UL 2043 and compared. When the sound pressure level of 1 W speakers was compared with speakers with a 15 W output, the SPL of the 15 W speakers was approximately 20 dB higher in some frequency bands. Loudness analysis showed that people can recognize emergency sound from a 15 W speaker twice as loud as the emergency sound from 1 W speakers. The analysis results on the articulation index (room) had an opposite tendency with loudness results, meaning that small speakers can generate clearer sound. Therefore, it is necessary to improve emergency broadcasting speakers to generate louder and clearer sound. Moreover, a performance evaluation standard is needed based on the reasonable and quantitative measurements and evaluations of the acoustic characteristics of the emergency-broadcasting speakers so that a sufficient and clear sound can be generated in various spaces. In addition, it is necessary to establish standards for the clarity of emergency broadcasting in various spaces.

1. 서론

화재 발생시 인명 피해를 최소화하기 위해서는 화재 발생 상황을 건물 내 재실자에게 신속하고 명료하게 전달하여 조기에 안전한 공간으로 피난할 수 있도록 유도해야 한다. 이를 위해서는 경보설비와 비상방송설비가 건물 내에 있는 모든 재실자에게 화재 상황을 음성언어 또는 표준화된 음향경보 신호를 통해 효과적으로 전달할 수 있도록 설치 운용되어야 한다.

경보설비의 경우 경종에서 발생되는 음압 레벨에 대해서만 1 m 거리에서 90 dB이상으로 규정하고 있다. 공동주택의 경우 현관문, 창호 등의 차음성능이 증가함에 따라 실제 공동주택 거주자들이 거주하는 공간까지 화재경보음이 전달되기 어렵다고 보고되고 있다^(1-3). 또한 사업장 화재 경보음의 경우도 사업장의 소음 특성을 고려하여 적용하는 방안과 사업장 소음이 85 dB(A) 이상인 경우 화재 경보음은 배경소음 보다 15 dB(A) 이상 높게 하도록 한 NFPA 기준⁽⁷⁾을 활용하는 것을 제안하였다^(4-6).

이와 같이 공동주택, 사업장 등 다양한 공간에서는 경보음을 전달하기 위한 경종뿐만 아니라 비상방송설비도 사용하고 있으며 화재 상황을 비상 방송음을 통해 재실자에게 보다 명확하고 효과적으로 전달하도록 하기 위한 연구 및 개선방안이 필요하다. 사업장과 같이 고소음이 발생되는 음향 환경에서는 비상방송설비의 확성기 출력을 능동적으로 제어하여 배경소음보다 크게 발생시키도록 하는 할 수도 있을 것이다.

우리나라의 비상방송설비는 화재안전기준(NFSC 202)⁽⁸⁾에 따라 확성기의 음성입력은 3 W(실내에 설치하는 것은 1W)이상으로 하도록 하고 있다. 비상방송설비의 개선을 위해 김중⁽⁹⁾은 비상방송용 스피커 사이 거리와 용량을 분석하고 비상방송용 앰프와의 회로구성에 대한 개선 사항을 제안하였다. 김홍기⁽¹⁰⁾는 공동주택을 대상으로 자동화재탐지설비의 음향장치와 비상방송설비에서 발생되는 경보음레벨이 공동주택 내부로 전달되는 특성을 측정하여 비교하였다. 화재 발생을 알리는 비상방송 메시지가 공동주택 재실자에게 정확하게 전달되지 않고 있으며, 우선경보방식의 경우도 화재층과 직상층 이외의 층으로 전달되는 것으로 보고하였다. 오소영⁽¹¹⁾은 비상방송설비에 사용되는 스피커에 대한 가청도(Audibility)와 음성 명료도(Speech intelligibility)를 건축음향 시뮬레이션 방법을 적용하여 수행하였다. 이상에서와 같이 경보설비 및 비상방송설비에 대한 연구는 주로 경보장치 및 비상방송용 스피커에서 발생된 경보음과스피커에서 발생된 방송음이 공간내로 전달되는 특성에 대한 연구가 주로 수행되었다. 비상방송설비의 경우 음원을 발생시키는 비상 방송용 스피커 유니트 차체의 특성에 대한 연구는 부족한 것으로 판단된다.

본 연구에서는 비상방송용 스피커 유니트 13종을 대상으로 UL 2043⁽¹²⁾ 시험 조건에서 광대역 음원을 발생시켜 13종 비상방송용 스피커의 특성을 분석하였다. 비상방송용스피커의 특성 분석에는 동일한 크기와 특성을 갖는 광대역 음원을 각 스피커에 입력하였을 때의 주파수 대역별 음압레벨과 사람이 느끼는 소리 높낮이(임계 대역폭(Critical band width), 단위 -Bark⁽¹³⁾)에 기반 한 음압 레벨을 분석하였다. 심리음향 지표로는 라우드니스(Loudness), 샤프니스(Sharpness) 및 Articulation Index (room)을 분석하여 소리 크기와 명료한 정도를 비교하였다.

2. 비상방송용 스피커의 음향 특성 측정

비상 방송용 스피커는 현재 시판되고 있는 비상 방송용스피커 현황을 바탕으로 음향 출력과 크기 등을 주요인으로 선정하고 해당 스피커의 재질, 무게, 형태 등은 제조자가 제공하는 정보를 바탕으로 Table 1과 같이 정리하였다. 음향 특성 측정 대상 비상방송용 스피커는 Table 1에서와 같이 총 13종을 대상으로, 비상방송용 스피커는 출력별로 1 W 3종, 3 W와 5 W 2종, 10 W 4종, 15 W 이상의 출력을 갖고 있는 스피커는 2종으로 구성하였다. 비상방송용 스피커의 형태는 원형과 정사각형 구성되었으며, Table 1에서와 같이 음향 출력이 증가함에 따라 스피커의 크기 및 무게도증가하는 경향을 갖는 것으로 나타났다. 비상방송용 스피커를 구성하는 외함의 주요 재질은 합성수지(HIPS 또는 ABS 등)로, 1종의 스피커(S4)는 알루미늄으로 조사되었다. 스피커에서 발생된 음향을 대상실로 전달하기 위해 타공형태로 구성되는 그릴의 구성 재질도 8종은 합성수지, 5종은 철판으로 구성되었다.

Table 1. Specification of Emergency Broadcasting Speakers

13종의 비상방송용 스피커별 고유 음향 특성은 UL 2043의 실험 조건을 따라 각 스피커를 설치하고 화재실험을 실시하지 않은 조건에서 1회씩 측정하였다. 비상방송용 스피커는 파워 앰프에 연결하였으며, 동일한 출력을 갖는 광대역 소음(Pink noise)을 음원으로 구동시켰다. 스피커를 통해 재생된 광대역 소음은 화재실험을 위한 UL 2043 측정 설정(test set-up, Figure 1 참고)에서 스피커로 부터 약 1 m 떨어진 지점에서 무지향성 마이크로폰(Type 4942, B & K, 덴마크)으로 주파수 대역별 음압 레벨을 30 s간 측정하였다. Figure 1은 UL 2043 시험에 기반한 비상방송용 스피커의 음향 특성 비교를 위한 시험 설정을 나타낸 것이다.

Figure 1. Experimental set-up for acoustics characteristics of emergency broadcasting speakers based on UL 2043 test.

3. 비상방송용 스피커의 음향 특성 분석 및비교

비상방송용 스피커의 음향 특성 비교를 위해 각 스피커에 동일한 음원(Sound source)을 입력한 경우의 청감 보정을 적용하지 않은 총합 음압 레벨(L_lin, overall Sound Pressure Level, dB), A-가중 특성을 적용한 음압 레벨(L_A)과 C-가중특성을 적용한 음압 레벨(L_C)을 측정하였다. 이와 함께 1/3 옥타브 대역(50 Hz∼10 000 Hz)의 음압 레벨을 분석하여 비교하였다. 이와 함께 청취자의 청각 특성과 상관성이 높은 것으로 알려진 심리음향지표(Psycho-acoustics parameters)를 함께 분석하여 비교하였다. 분석 대상 지표는 Loudness, Sharpness와 음성 명료도와 관련된 지표인 Articulation index (room)을 분석하였다. 각각의 심리음향 지표에 대한 정의⁽¹⁴⁾는 다음과 같다.

• Loudness (Sone) : 사람이 귀로 듣고 인식하는 소리의 크기를 나타낸 지표로 Sone 단위로 표시. 40 dB 크기의 1 kHz 순음(pure tone)의 Loudness를 1 Sone으로 정의.
• Sharpness (Acum) : 소리의 정확도를 나타냄. 부분적으로 Bark band 스펙트럼의 중점 가중치로 계산.
• Articulation index (room, %) : 소음이 있는 경우의 변동현상에 대한 인식을 정량화하는 지표. Articulation index는 높은 값이 좋은청취력을 나타냄. 3 가지 주요 알고리즘(Room, Unikeller, NVH)을 사용. Room 알고리즘은 특히 사무실, 회의실 및 공공 장소의 음향 측정에 사용.

Table 2는 13개의 비상방송용 스피커에 동일한 출력을 음원을 입력한 경우에 발생되는 총합 음압 레벨의 평균을 나타낸 것이다. 음원의 출력이 증가함에 따라 스피커에서 발생되는 총합 음압 레벨도 증가되는 것으로 나타났다. A-가중과 C-가중 음압 레벨은 사람의 청감 특성을 보정하여 나타낸 것이다. A-가중 특성은 보통 크기의 소리(40폰)에 대한 주파수 대역별 청감특성을 기준으로 한 것으로 저주파수 대역의 보정치가 크다. C-가중 특성은 큰 소리(100폰)에 대한 청감특성을 보정한 것으로 A-가중 특성보다 저주파수 대역의 보정이 상대적으로 적다. A-가중 레벨과 C-가중 레벨의 차이가 작으면 중,고주파수 대역에 음에너지가 많은 것으로 판단할 수 있다. A-가중 레벨과 C-가중 레벨의 차이는 0.5 dB～5.5 dB 범위로 나타나 주파수 대역별 특성 및 심리음향 지표 분석을 추가로 수행하였다.

Table 2. Specification of Emergency Broadcasting Speakers

Loudness의 경우 사람이 느끼는 소리의 높낮이를 기준으로 24개의 임계 대역폭(Critical bandwidth, 단위 : Bark)로 나누어 Loudness를 분석할 수 있다. 각 스피커에서 발생되는 광대역 소음에 대한 음압 레벨을 주파수 대역(1/3 옥타브 대역)과 critical bandwidth로 분석하여 Figure 2∼Figure 6에 스피커 출력별로 구분하여 비교하였다. Figure 2는 15W 이상의 출력을 갖는 S01과 S02 스피커에 대한 결과를 나타낸 것으로, S01, S02 모두 유사한 사양을 갖지만 동일한 출력을 스피커에 입력했을 경우 발생되는 주파수 대역별 음압 레벨 특성은 차이가 있는 것으로 나타났다. S02 스피커에서 발생되는 전체 음압 레벨이 S01보다 약 5 dB 정도 큰 것으로 측정되었다(Table 2 참고). S02 스피커의 경우 500 Hz∼3 150 Hz 대역의 음압 레벨이 S01 보다 크게 발생되는 것으로 나타났으며, 특정 주파수 대역(500 Hz, 2 000Hz)의 음압 레벨이 크게 발생되는 특성을 확인할 수 있다. 이와 같은 특성은 Critical bandwidth로 분석한 경우도 동일하게 나타났다. 반면 S01은 전체적인 음압 레벨은 S02 보다 작은 것으로 나타났지만, 주파수 대역별로 평탄한 특성을 갖는 것으로 판단된다.

Figure 2. Frequency characteristics of emergency broadcasting speakers with 15 W output.

Figure 3은 10 W 출력을 갖는 스피커의 주파수 및 Loudness특성을 나타낸 것이다. 10 W 출력을 갖는 스피커는 4종을 측정하였으며, 4종별 음압 레벨 차이는 1 dB∼2 dB 정도 발생되었다(Table 2 참고). A-가중 음압 레벨(L_A) 차이보다 C-가중(L_C) 및 L_lin 레벨 차이가 더 컸으며, 이는 Figure 3에서와 같이 500 Hz 이하 대역의 음압 레벨 차이에 의해 청감 보정 방법별 음압 레벨에 차이가 발생되는 것으로 판단된다. 임계 대역폭 분석의 경우 Figure 3(b)에서와 같이 각스피커별 음압 레벨 차이보다는 작은 것으로 나타났다. 이는 실제 음압 레벨 차이 발생이 실제 사람이 듣는 청취 레벨의 차이와 정비례하지 않을 수 있음을 의미한다. 10 W 출력을 갖는 스피커의 음압 레벨 특성을 15 W 이상의 출력을 갖는 스피커의 특성과 비교할 경우 80 Hz 이하 저주파수 대역의 음압이 낮게 재생되는 것으로 나타났다. 이는 일반적으로 스피커의 출력이 증가함에 따라 스피커 유니트의 크기(지름)가 증가하며, 스피커 유니트의 크기가 증가함에 따라 해당 유니트에서 발생시킬 수 있는 하한 주파수 대역이 낮아지기 때문인 것으로 사료된다.

Figure 3. Frequency characteristics of emergency broadcasting speakers with 10 W output.

Figure 4는 5 W 출력을 갖는 스피커의 주파수 특성을 나타낸 것이다. 5 W 출력을 갖는 스피커의 경우 400 Hz 이하 주파수 대역의 출력이 상대적으로 낮으며, 임계 대역폭 분석 결과 4 bark 대역 이하가 상대적으로 낮은 레벨을 갖는 것으로 나타났다. 5 W 출력 스피커의 총합 음압레벨은 10W 출력의 스피커에 비해 평균 2.5 dB∼4.3 dB 낮아졌다. 이는 출력이 1/2로 감소되는 경우 약 3 dB 출력 레벨이 감소되는 것과 유사한 경향의 결과인 것으로 판단된다. Figure 5는 3 W 출력 스피커 2종의 음향 특성을 나타낸 것이다. 3 W 출력 스피커의 경우 Figure 4의 5 W 출력 스피커에 비해 상대적으로 평탄한 주파수 특성을 갖는 것으로 나타났다. 전체적인 음압 레벨은 5 W 스피커에 비해 낮았으며, 특히 400 Hz∼4 000 Hz 대역의 음압 레벨은 5 W 스피커에 비해 낮은 것을 알 수 있다. 315 Hz 대역의 경우 가장 높은 음압 레벨이 재생되는 것으로 나타났으며, 이는 5W 스피커에 비해서도 높은 레벨이었다. 그러나 315 Hz 이하 대역의 음압 레벨은 급격히 감소되는 것으로 나타났다. 임계 대역폭(Bark) 특성의 경우, 6 Bark 이상 대역의 레벨이5 W 스피커에 비해 낮았으며, 4 Bark∼5 Bark 대역의 레벨만 5 W 스피커에 비해 높은 것으로 나타났다.

Figure 4. Frequency characteristics of emergency broadcasting speakers with 5 W output.

Figure 5. Frequency characteristics of emergency broadcasting speakers with 3 W output.

Figure 6은 1 W 출력 3종의 음향 특성을 나타낸 것이다. 1 W 출력의 스피커의 경우 다른 범주의 스피커와 달리 주파수 대역별 음압 레벨과 Loudness 특성 차이가 크게 발생되는 것으로 나타났다. S11 스피커의 경우 1 000 Hz 대역을 이하 대역의 경우 S12, S13 스피커보다 높은 음압 레벨을 발생시켰으며, 1 000 Hz 이상 대역의 경우는 낮은 음압레벨을 발생시키는 것으로 나타났다. 이는 임계 대역폭 분석 결과에서도 10 Bark 대역을 중심으로 유사한 경향을 갖는 것을 알 수 있다. S12와 S13 스피커 사이에도 1 250 Hz∼3 000 Hz 대역의 특성 차이가 크게 발생되는 것을 알 수 있다. S11 스피커의 경우 S12, S13 스피커와는 다름 재질과 사양을 갖기 때문인 것으로 판단된다. S12와 S13 스피커의 경우 동일한 재질로 제작되었지만 다른 외함 형태에 유니트가 일체화된 것과 유니트 자체의 특성 차이에 의해 발생되는 특성 차이로 사료된다.

Figure 6. Frequency characteristics of emergency broadcasting speakers with 1 W output.

Figure 7은 13개 비상방송용 스피커를 출력별로 구분하고 평균한 주파수 대역별 음압 레벨과 Critical bandwidth 대역별 음압 레벨을 비교한 것이다. 15 W 스피커와 10 W 스피커는 100 Hz 이상 대역에서 유사한 주파수 특성을 갖지만 10 W 스피커의 음압 레벨이 다소 낮은 것으로 나타났다. 5W 스피커의 경우 500 Hz 이상 대역의 특성은 10 W와 유사하였지만, 500 Hz 이하 대역의 음압 레벨이 급격히 낮아지는 특성을 갖는 것으로 나타났으나, 3 W 스피커는 200 Hz∼ 400Hz 대역의 특성이 5 W 스피커 보다 높은 것으로 나타났다. 또한 3 W 스피커의 음압 레벨은 5 W 스피커에 비해 상당히 낮은 것을 알 수 있다. 1 W 스피커의 평균 특성의 경우 모든 주파수 대역에서 3 W 스피커보다 낮은 음압 레벨을 갖는 것으로 나타났다. 15 W 출력 스피커와 비교하면 20 dB 이상 낮은 주파수 대역도 있는 것으로 나타났다. Critical band width로 분석한 결과에서도 스피커의 출력 감소에 비례하여 낮아지는 것으로 나타났다. 스피커 출력별로 최대 15 dB 이상의 차이가 발생되는 대역도 있었으며, 스피커 출력이 낮아짐에 따라 상대적으로 저주파수 대역의 크기는 감소되고 고주파수 대역의 크기가 전체 소리 특성을 지배하는 경향을 갖는 것을 알 수 있다.

Figure 7. Comparison of averaged frequency and loudness characteristics of each categories of emergency broadcasting speakers.

Figure 8은 각 스피커별 Loudness 분석 결과를 나타낸 것이다. 스피커 출력이 낮아짐에 따라 각 스피커에서 발생되는 음향의 Loudness도 감소되는 경향을 갖는 것으로 나타났다. 15 W와 10 W 스피커의 경우 대부분 40 Sone 이상의 크기로 소리를 발생시키는 것으로 나타났으며, 3 W 스피커는30 Sone 이상 1 W 스피커는 20 Sone 이상 크기로 나타났다. Loudness 지표의 장점은 Sone 단위로 표시된 수치의 비율이 사람이 인지하는 소리의 크기 비율과 유사하다는 점이다. 따라서 1 W와 10 W 이상 출력의 스피커의 음향 크기를 비교하면 사람이 2배 이상의 크기로 차이를 느끼게 되는 것이다.

Figure 8. Loudness analysis results of 13 speakers. Figure 9. Sharpness analysis results of 13 speakers.

Figure 9는 각 스피커에서 발생된 소리의 Sharpness를 분석한 결과로 소리의 날카로운 정도를 의미한다. Sharpness의 경우 스피커 출력 변화에 따라 명확한 변화 특성이 나타나지는 않았다. 그러나 S12, S13 스피커의 경우 가장 높은 Sharpness 값을 갖는 것으로 나타났는데, 이는 Figure 6과 같이 전체 주파수 특성에서 고주파수 대역의 레벨이 상대적으로 높게 발생되었기 때문으로 판단된다.

Figure 9. Sharpness analysis results of 13 speakers.

Figure 10은 여러 가지 음성 명료도를 나타내는 지표 중의한 가지인 Articulation index (room)에 대한 분석 결과를 나타낸 것이다. Articulation index (room)은 Figure 8의 Loudness와는 반대로 스피커의 출력이 감소함에 따라 증가되는 경향을 갖는 것으로 나타났다. 이는 음성 전달에 주요한 주파수 대역의 구성에 등에 영향을 받기 때문이다. 1 W 출력의 스피커는 70% 이상의 값을 갖는 것으로 나타나 명로한 음성전달이 가능한 것으로 판단된다. 그러나 Figure 10의 결과는 광대역 소음(Pink noise)에 대한 것으로 실제 비상방송음을 활용한 실험과 같은 추가적인 실험이 필요하다. 명료한 비상방송음 전달을 위해서는 비상방송용 스피커의 충분한 출력도 반드시 필요하며, 충분한 음량이 확보와 함께 비상방송음이 명료하게 잘 전달될 수 있는 비상방송용 스피커선정과 스피커 개발이 필요한 것으로 판단된다.

Figure 10. Articulation index(room) analysis results of 13 speakers.

4. 결론

본 연구는 비상방송용 스피커의 음향특성에 관한 연구로서 비상방송용 스피커 13종을 대상으로 UL 2043(12) 화재 시험 조건에서 광대역 음원을 발생시킨 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다. 1 W 스피커의 특성을 15 W 출력 스피커와 비교하면 20 dB 이상 낮은 주파수 대역도 있는 것으로 나타났다. 또한 심리음향 지표인 Loudness 분석 결과 1 W와 10 W 이상 출력의 스피커의 음향 크기를 비교하면 사람이 2배 이상의 크기로 차이를 느끼게 되는 것이다. Articulation index (room)는 Loudness와는 반대로 스피커의 출력이 감소함에 따라 증가되는 경향을 갖는 것으로 나타났다. 1 W 출력의 스피커는 70% 이상의 값을 갖는 것으로 나타나 명료한 음성 전달이 가능한 것으로 판단된다. 이 결과는 광대역 소음(Pink noise)에 대한 것으로 실제 비상방송음을 활용한 실험과 같은 추가적인 실험이 필요하다. 이상의 결과에서 스피커의 출력이 커지면 발생되는 음량은 증가하지만 명료하게 스피커에서 발생되는 음향의 명료도는 낮아지는 것으로 분석되었다. 향후 다양한 공간에 충분하고 명료한 음향이 발생되도록 비상방송용 스피커를 개선하는 것이 필요하다. 또한 비상방송용 스피커의 음향 특성을 합리적이고 정량적으로 측정 평가할 수 있는 표준 기반과 성능 평가 기준 설정이 필요하다.

이전 연구결과에서 경보음과 비상방송음은 공간의 특성에 따라 음성명료도가 크게 변화되므로 비상방송용 스피커자체의 음성 명료도 평가 기준과 함께 다양한 공간의 비상방송음 명료도 기준 등을 수립하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 음성 명료도를 기반으로 하는 비상방송설비 설계방법 개선과 관련 규정 개선 등이 필요한 것으로 사료된다.