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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.1 pp.33-39
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.1.033

Noise Reduction Characteristics of the Slotted Soundproof Panel Consisting of a Composite Module

Yejin Park1, Sanghyun Choi2, Joonho Baek3, Rinus Mieremet4, Yongjoo Chun5
1Researcher, Railroad Convergence Institute, Korea National Univ. of Transportation, Uiwang, Korea
2Professor, School of Railroad Engineering, Korea National Univ. of Transportation, Uiwang, Korea
3Principal Researcher, ESCO RTS Co., Seoul, Korea
4Researcher, ESCO RTS Co., Seoul, Korea
5Senior Researcher, ESCO RTS Co., Seoul, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Choi, Sanghyun School of Railroad Engineering, Korea National University of Transportation, 157 Cheoldobangmulgwan-ro, Uiwang, Korea Tel: +82-31-460-0564, Fax: +82-31-462-8205 E-mail: schoi@ut.ac.kr
November 15, 2019 November 21, 2019 November 21, 2019

Abstract


Train noise is a main obstacle to the expansion of the urban railway network in metropolitan areas and, thus, research efforts have been devoted to developing more effective antinoise measures. To date, soundproof tunnels are among the most effective solutions to railway noise, but their excessive weight limits their application to the urban lines. This paper evaluates the feasibility of analytically predicting the noise reduction performance of a slotted soundproof panel, which can effectively decrease the weight of the soundproof tunnel, and analyzes its noise reduction characteristics. An acoustic analysis program, Pachyderm Acoustics, is utilized for the purpose of this study. The analysis results are verified by using the experimental data obtained in a reverberation room. The comparison revealed that the noise reduction performance can be predicted via acoustic analysis with minor errors. Also, it is observed that the slotted soundproof panel can reduce the noise by 25dB~35dB within the design sound insulation frequencies.



합성형모듈로 구성된 슬롯형 방음판의 소음저감 특성

박 예진1, 최 상현2, 백 준호3, Rinus Mieremet4, 천 용주5
1한국교통대학교 철도융합기술연구소 연구원
2한국교통대학교 철도공학부 교수
3ESCO RTS 책임연구원
4ESCO RTS 연구원
5ESCO RTS 선임연구원

초록


열차 소음은 도시 지역 내 철도 네트워크 확장에 주요 장애물이므로 보다 효과적인 소음 방지 수단을 개발하기 위한 연구가 진행되고 있다. 현재까지 방음 터널은 철도 소음에 대한 가장 효과적인 대책 중 하나이나, 중량 문제로 인하여 한정적으 로 적용되어 왔다. 이 논문에서는 방음터널의 중량을 효과적으로 감소시킬 수 있는 슬롯형 방음 패널의 소음저감 성능의 예측 가능성을 평가하고, 소음저감 특성을 분석하였다. 연구의 목적을 위하여 음향 해석 프로그램인 Pachyderm Acoustics가 활용되었 다. 음향해석의 적절성은 잔향실에서 얻은 실험 데이터를 사용하여 확인하였다. 실험데이터와의 비교 결과, 소음 감소 성능은 음향 분석을 통해 충분히 작은 오차 내로 예측 가능한 것으로 나타났다. 또한 슬롯형 방음판은 설계된 차음주파수 범위에서 약 25dB∼35dB 정도의 소음을 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    19CTAP-C152289-01

    1. 서 론

    생활수준이 향상되고 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 도심지를 통과하는 철도가 유발하는 소음·진 동에 대한 시민들의 불편이 높아지고 있으며, 친환 경성, 대량 수송성, 정시성 등의 장점으로 인하여 현 대 도시에서 가장 유용한 이동수단 중 하나로 이용 되고 있는 철도망의 확장에 큰 장애요소로 대두되고 있다. 이러한 문제는 모노레일, 자기부상 등 소음․ 진동 수준이 낮은 새로운 철도시스템의 적용을 통하 여 해결될 수 있으나, 기존 도시철도시스템의 경우 방음벽, 방음터널 등과 같은 방음 시설을 이용한 전 달 경로에서의 소음 저감법이 주로 적용하고 있다.

    현재 가장 활발히 적용되고 있는 방음벽의 경우 아파트, 빌딩 등 도심지 생활공간이 고층화됨에 따 라 수음점이 소음원보다 높거나 소음원이 수음점보 다 낮아 방음벽에 의한 소음 저감 효과가 크게 저하 되는 문제가 있다. 이러한 문제는 방음벽의 높이를 상향하여 해결할 수 있으나, 높이 상향에 따라 설치 비용이 급격히 증가하며, 방음벽의 설계·시공 조건 상 한계높이가 있어 완전한 해결은 용이하지 않다. 결국 날로 고층화가 진행되는 도심지의 경우 소음원 에서의 직진음에 대한 방음이 불가한 생활공간이 발 생하며, 저층지역에서도 음의 회절로 인하여 방음효 과가 저하되는 현상도 발생할 수 있어 소음 문제 해 결에 한계가 있을 뿐 아니라 저층지역의 조망권과 일조권도 문제도 발생한다.

    방음터널은 소음원으로부터의 직진음을 차단할 수 있어 방음벽에 비하여 방음효과가 높고, 음의 회 절을 차단하여 저층지역에서도 충분한 방음효과를 확보할 수 있으며, 방음시설의 높이 저감으로 경관 저해요인 최소화, 구조적 안전성 제고 및 터널구조 에 의한 미세먼지 확산 방지 효과도 기대할 수 있 다. 그러나 방음터널은 방음벽에 비하여 자중이 커 지므로 공용 중 교량 적용 시 구조적 안전성에 문제 를 발생시킬 수 있으며(Kim et al., 2016; Yoon et al., 2018), 터널 길이가 일정 크기 이상일 경우 터널 내 온실효과로 인하여 궤도, 전력, 신호 등 철도 선로시 설의 안정성을 저하시킬 우려가 있다. 특히 엄격한 선형 제한으로 인하여 많은 수의 터널과 교량의 건 설이 필요한 철도의 특성을 감안할 때 도심지 철도 망을 보다 확대하기 위해서는 방음성능 뿐 아니라 경량화되고 온도 상승 우려를 해결할 수 있는 방음 터널 기술의 개발이 필요하다.

    현재까지 국내의 경우 철도 방음터널의 경량화에 대한 연구는 주로 터널의 골격을 구성하는 구조재의 중량을 저감하거나, 경량 재질의 방음판 또는 풍하 중을 저감할 수 있는 통기구가 있는 방음판을 설치 하는 방법 등으로 진행되어 왔다.

    터널 구조재의 경량화에 대한 연구는 경량부재 및 고강도 강재의 적용 가능성에 초점을 맞춰 진행 되고 있다. Ahn et al.(2016)은 형강 대신 경량 파이 프 트러스빔을 이용하여 기존 터널의 골격재를 구성 하는 방안에 대한 연구를 수행하였다. 유한요소해석 기법을 이용하여 풍하중에 의한 터널 구조의 안전 성, 사용성 및 좌굴 안정성을 검토한 결과 방음터널 의 구조재로 경량 파이프를 이용할 수 있는 것으로 나타났다. Jeong et al.(2016)은 소음해석 프로그램인 SoundPLAN을 이용하여 경량 파이프 트러스형 방음 터널 입출구에 직각 흡음재 설치 시 토출소음 저감 효과를 분석하였다. Yoon et al.(2018)은 경량 파이프 를 이용한 방음터널에 고강도 강재의 적용 가능성을 검토하였다.

    국내에서 수행된 방음터널의 중량 경감에 대한 연구는 재료적인 접근보다는 개폐식 방음벽을 형성 하거나 통기구를 설치하여 풍하중을 저감하는 방법 으로 수행되어 왔다. 초기 연구는 단순히 통기부를 형성하거나 개폐형 방음벽을 설치하는 방식으로 진 행되었다. Oh et al.(2004)는 터널 내부 다양한 위치 에 흡음재를 설치한 경우와 지붕에 개구부 설치한 경우 등 14개 터널형태에 대하여 1/5 규모의 축소모 형을 제작하고, 방음성능을 비교·분석하였다. 분석 결과 터널의 터널의 개구부는 방음효과를 크게 저감 시키며, 개구부 주변에 설치된 배플(baffle)은 큰 효 과가 없었으나 터널 중앙에 흡차음벽을 설치할 경우 소음 저감 효과가 큰 것으로 나타났다. Yoon et al.(2011)는 풍하중의 세기에 따라 개폐되는 통풍형 방음벽을 제안하고, 해석 및 실험을 통하여 방음성 능, 풍하중 저감 효과 및 경제성을 검토하였다. 이후 온도센서 및 기계식 장치를 이용한 강제 개폐식 방 음벽(Samwoo Eng. et al., 2013)이 개발되었으나, 별 도 유지관리가 필요한 센서 및 기계식 개폐장치를 두어야 하는 문제가 있다. Kim and Kim(2015)은 방 음터널의 벽면부와 지붕을 일부 개방했을 때의 소음 저감효과를 비교하였으며, 터널화되어도 벽면부 개 방 시 소음 저감효과가 크게 떨어지는 것으로 나타 났다.

    최근에는 단순한 개구부를 설치하는 방식보다는 루버(louver)식이나, 공명의 원리를 이용하여 개구부 의 소음저감 효율을 증대하는 연구가 진행되고 있 다. Kim et al.(2014)은 광음향 기법을 이용하여 음향 루버와 타공판으로 벽면을 구성한 방음터널의 소음 저감 효과를 검토하였으며, 타공판 보다는 음향루버 사용 시의 소음 저감 효과가 높은 것으로 보고하였 다. Kim and Kim(2015)는 음향해석 프로그램 VA ONE을 이용하여 개구부 외 공간을 polyethylene foam으로 구성한 음향루버의 개공율에 따른 차음성 능을 검토하였다. 검토 결과 차음 목표성능 10dB를 만 족하는 최대 개공율은 38%이며, 풍하중을 약 24% 저 감할 수 있는 것으로 나타났다. 이후 Kim et al.(2016) 은 1/40 축소시험체를 이용한 풍동실험을 수행하여 풍하중 저감효과를 검통하였으며, 개구율 36% 방음 터널의 경우 9.6%의 단면력이 감소하는 것을 확인하 였다. Yu et al.(2017)은 음향루버의 소음저감특성을 확인하기 위하여 Virtual Lab. 프로그램을 이용하여 삽입손실을 해석하였으며, 측정값과 이론값을 비교 하였다. 비교 결과 해석값은 측정값 및 이론값과 중 심 주파수 별로 약 1dB에서 3dB의 차이가 있었으며 유사한 경향을 나타내는 것으로 보고하였다. 그러나 현재까지 개발된 대부분의 음향루버 통기구조는 단 순 통기구조로 풍하중 저감 효과는 있으나, 차음 성 능은 높지 않은 것으로 보고된 바 있다(Choi and Lee, 2018).

    공명의 원리를 이용하는 방식은 음의 밀도와 체 적 탄성률을 갖는 음향 메타물질에 대한 연구(Li and Chan, 2004)에서 시작되었다. 초기 연구는 1차원 으로 배열한 Helmholtz 공명기에서 발생하는 브래그 (bragg) 산란과 국부 공진 현상에 대하여 수행되었다 (Fang et al., 2006; Cheng et al., 2008). Kwon et al.(2013)은 파라미터가 다른 두 가지 Helmholtz 공명 기를 격자간격으로 배치하여 생성된 음향 메타물질 로 각 공명기의 대역보다 넓은 주파수 영역에서 음 파가 차단되는 것을 발견하였다. 이후 Lee et al.(2014)는 1개의 원형 개구부가 있는 아크릴재질 공 명통(Fig. 1(a))을 병렬 배치한 통기형 방음창을 제작 하고, 특정 주파수에서 약 20dB 이상의 소음저감효 과가 있음을 확인하였다. Kim and Lee(2016)은 보다 두껍고 개구부를 2개소 형성한 공명통(Fig. 1(b))에 대한 실험을 수행하고, 보다 넓은 주파수영역대에서 평균 25dB정도의 소음저감 효과가 나타나는 것을 확인하였다. Park et al.(2016)은 통기형 방음벽의 소 음저감 특성을 조사하기 위해서 개구부의 크기와 공 명통의 체적이 다른 17가지 방음판의 음향감쇠계수 를 측정하였다. 실험결과 공명통의 체적과 개구부의 면적에 따라 음향 감쇠계수 값이 변화하였으며, 목 표 주파수대역(400∼1250Hz)에서 단일 방음벽보다 음향감쇠계수가 증가하는 것을 확인하였다.

    최근 Ji et al.(2017)는 원형 구멍을 가진 공명통보 다 유지관리가 용이한 슬롯형(slotted) 방음판에 대하 여 실험을 통하여 소음 및 풍하중 저감 성능을 확인 하였다. Choi and Lee(2018)은 슬롯형 방음판에 대한 풍동실험 및 재료 품질시험 결과와 함께 방음성능에 대한 현장 모니터링 결과를 제시하였다. 현장 모니 터링 결과 소음 저감을 위한 설계 음역대에서 기존 방음판과 유사한 성능을 확인하였다. 수직방향의 슬 롯이 있는 이러한 방음판은 유지관리가 용이하여 이 전 연구들에서 제시된 통기형 방음판에 비하여 현장 적용성이 좋을 것으로 판단되나, 보다 체계적인 검 토를 통한 방음시설 설계를 위해서는 해석 기술 정 립이 필요하다.

    이 연구에서는 슬롯형 방음벽에 대한 음향해석을 수행하고 실험 결과와 비교를 통하여 해석을 이용한 슬롯형 방음판의 소음 저감 성능에 대한 예측 가능 성을 검토하였다. 음향해석은 Pachyderm Acoustics 프로그램을 이용하여 수행하였다. 실험은 잔향실 (reverberation room)에서 동일한 공명주파수를 가지나 상이한 크기로 제작한 공명통을 갖는 3가지 방음판 에 대하여 수행하였다.

    2. 이 론

    음향은 들을 수 있는 압력파로 기체, 액체 또는 고 체를 포함한 매질을 통해 전달된다. 우리가 들을 수 있는 음향은 음원에서 직접 전달되는 음향과 표면 또는 물체에 반향하여 간접적으로 전달되는 음향의 조합이다. 음향은 Fig. 1과 같이 물체의 표면에서 물 체를 통과하여 전달되거나, 표면에서 반사되거나 흡 수된다. 방음벽은 음향을 반사하거나 흡수하며, 전달 되는 양을 최소화해야 한다. 그러므로 소음을 저감 하기 위한 방음판은 반사형과 흡수형으로 구분할 수 있다. 음향의 반사는 공기와 물체의 밀도차이에 의 하여 결정되므로 반사형 방음판은 재질이 중요하나, 반사를 통하여 소음을 소멸할 수 없으므로 방음판은 흡음성이 중요하다.

    일반적으로 흡음형 방음판의 종류로는 Fig. 2와 같이 (1) 다공형 흡음장치; (2) 막(membrane) 흡음장 치; (3) 공명형 흡음장치가 있다.

    공명형 흡음장치는 질량과 스프링으로 구성된 질 량계의 진동에 유사될 수 있다. 즉 공명기 내부 매 질의 부피는 질량, 목부분은 스프링 역할을 하며, 목 부분 길이의 증가는 스프링 강성을 낮추는 것과 같고 공명주파수를 감소시킬 수 있다(Hong et al., 2006).

    공명형 흡음장치는 Helmholtz 공명기가 대표적이 며, 다공형(perforated)과 미세다공형(micro perforated) 및 슬롯형이 있다. 미세다공형은 직경 1mm 미만의 다공으로 구성되므로 제조가 어려우며 높은 비용이 소요될 수 있다. 다공형의 경우 방음벽 또는 방음터 널 적용 시 유지관리가 용이하지 않을 수 있다.

    Helmholtz 공명기 원리를 이용하여 특정 주파수 대역을 차음할 수 있는 흡음장치에서 소음 저감을 위한 공진주파수는 다음과 같다(Kim and Lee, 2016).

    원형 개구가 있는 방음판의 경우

    f p = v s 2 π π a 2 t d D
    (1)

    슬롯형 방음판의 경우

    f p = v s 2 π w t d ( D w + D )
    (2)

    여기서, vs는 음속, a는 개구부의 반지름, w는 슬롯의 폭, t는 판의 두께, d는 개구부의 깊이, D는 반복되는 개구부 간 거리를 나타낸다.

    방음판의 성능에 대한 정확한 해석을 위해서는 Eqs. (1) 또는 (2)의 공명주파수 또는 차음주파수와 함 께 흡음계수(absorption)와 표면임피던스(surface impedance) 가 필요하며, 이 연구에서는 방음판의 실험을 통하 여 산정하였다.

    3. 소음저감 성능실험

    슬롯형 방음판의 소음저감 성능을 검토하기 위하여 잔향실(reverberation room)에서 실험을 수행하였다 (Fig. 3). 실험은 Fig. 4와 같이 잔향실 중앙부에 방음 판이 설치된 벽을 기준으로 음원실(source room)과 수음실(receiver room)로 구분하여 실시하였으며, 음 원실과 수음실의 부피는 각각 57.02m3, 51.54m3이다. 음향 측정을 위하여 음원실에는 4개, 수음실에는 5 개의 수음점(receiver)을 설치하였다.

    방음판은 잔향실 중앙에 위치한 벽에 폭 2,000㎜× 높이 1,000㎜ 크기로 Fig. 5과 같이 설치하였다. 방음 판은 Fig. 6과 같이 두께 5㎜ 아크릴로 제작한 기본 모듈(main module)과 단부모듈(side module)로 구성되 어 있으며, 아크릴의 전면부와 후면부는 두께 2.5㎜ 의 강판을 부착하였다. 각 모듈은 차음주파수 500Hz 과 1,000Hz로 설계하였으며, 슬롯의 크기는 30㎜이 다. 방음모듈은 Fig. 5(c), (d)(e)와 같이 길이 방 향으로 공명통을 1개, 4개, 8개로 분할한 3가지 형식 으로 제작하였다. 수음점의 응답은 60Hz에서 4,000Hz 까지 측정하였다.

    4. 음향시뮬레이션

    음향해석은 실험과 최대한 같은 조건을 입력값으로 Pachyderm Acoustics 프로그램을 이용하여 수행하였 다. Fig. 7은 해석모델이다. 각 표면의 흡음(absorbing), 산란(scattering) 및 전달(transmission)계수는 재료적 특성을 고려하여 입력하였다. 참고로 Table 1은 실험 을 통하여 산정한 방음판의 아크릴과 강재의 흡음계 수이다. 환경조건은 온도 20℃, 습도 50%, 정압(static air pressure)은 1,000hPa로 설정하였다.

    계측과 해석 결과는 Fig. 8에서 Fig. 10에 제시하 였다. 참고로 그림의 수음점 응답은 평균값이다. 그 림에서 차음주파수인 500Hz 및 1,000Hz에서 저감폭 이 크게 나타나며, 차음주파수 대역 내에서 계측과 해석 결과는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 250Hz 이하와 2,000Hz 이상에서는 작지 않은 차이를 보이는 것으로 나타났으며, 이는 방음판 이 외 잔향실 내부 다른 재료들에 대한 음향특성 입력 값의 오차에서 비롯된 것으로 판단된다. Fig. 9

    Fig. 11은 실험과 해석 결과와의 비교 그림이다. 그림에서 해석 결과는 공명장치의 배열에 따라 소음 저감 성능에 큰 변화가 없는 것으로 나타났으나, 실 험 결과는 길이방향으로 1개의 공명통이 있는 방음 판이 다른 경우들과 약간의 차이를 보이고 있다. 실 험 결과의 경우 방음판의 종류 이외에 다른 조건의 변화가 없음과 250Hz 이하의 응답을 감안할 때 실 험 시의 오차로 인한 것으로 판단된다.

    5. 결 론

    이 연구에서는 슬롯형 방음판에 대한 음향해석을 수 행하고 실험 결과와 비교를 통하여 슬롯형 방음판의 소음 저감 성능에 대한 예측 가능성을 검토하였다. 잔향실 실험 및 음향해석 프로그램인 Pachyderm Acoustics를 이용한 해석 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

    • (1) 잔향실 실험 결과 슬롯형 방음판은 차음주파 수범위에서 약 25dB∼35dB 정도의 소음 저감 성능이 나타났다.

    • (2) 슬롯형 방음판에 대한 음향해석 결과는 실험 결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으 나, 차음주파수 범위에서 일정 거리 이상의 주파수대에서는 작지 않은 오차가 발생하였다.

    • (3) 해석과 실험 결과 간의 오차는 잔향실 내부 다른 재료들에 대한 음향특성 입력값의 오류 에서 비롯된 것으로 판단되나, 보다 정확한 슬롯형 방음판 설계를 위해서는 이러한 오차 의 원인이 규명될 필요가 있다.

    • (4) 방음판 길이방향으로 공명통을 분할하였을 때의 소음 저감량의 변화는 실험과 해석 모 두 나타나지 않았다.

    ACKNOWLEDGMENT

    이 연구는 국토교통과학기술진흥원 연구사업의 연구 비 지원(과제번호 19CTAP-C152289-01)에 의해 수행 되었습니다.

    Figure

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    Characteristics of sound encountered an object
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    Types of absorbers
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    Reverberation Room
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    Schematics of experiment in reverberation room
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    Soundproof panel used in the experiment
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    Sectional shape of the sound barrier modules
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    Sound analysis model using Pachyderm Acoustics
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    Comparison of experiment and simulation results for no partition panels
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    Comparison of experiment and simulation results for 4 partition panels
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    Comparison of experiment and simulation results for 8 partition panels
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    Comparison of experiment and simulation results

    Table

    Absorption coefficient of the barrier materials

    Reference

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