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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.1 pp.32-38
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.1.032

Analysis of Noise Reduction Characteristics of a Composite Railway Soundproof Tunnel with an Airy Slit Soundproof Panel

Minsu Kim1, Marinus Mieremet2, Park, Yejin2, Choi, Sanghyun3
1Graduate Student, School of Railroad Engineering, Korea National Univ. of Transportation, Uiwang, Korea
2Researcher, ESCO RTS Co., Seoul, Korea
3Professor, School of Railroad Engineering, Korea National Univ. of Transportation, Uiwang, Korea

본 논문에 대한 토의를 2021년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 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 2, 2020 November 11, 2020 November 13, 2020

Abstract


Railway noise is one of the main obstacles of constructing and maintaining railway lines in a metropolitan area, and much research has been conducted to find more effective measures for reducing railway noise. A soundproof tunnel can be the most effective measure to reduce railway noise, but high interior temperature during summers can cause track buckling and malfunctioning of electric and communication facilities. Applying an airy soundproof panel can resolve the temperature problem, but its noise-reducing performance has not been verified. In this paper, a numerical study is conducted to identify an effective application method of the slit panel to a soundproof railway tunnel. For this study, a soundproof railway tunnel is designed for double railway tracks, and numerically modeled using an acoustic analysis program, Pachyderm Acoustics. The railway noise is simulated using an existing research result, and acoustic analyses are conducted for six different cases with various application locations of a slit panel. The results of the acoustic analysis show that even with a small application area (about 20%), the slit soundproof panel can reduce railway noise by at least 5dB.



통기형 슬릿방음판을 적용한 복합형 철도 방음터널의 소음저감 특성 분석

김 민수1, Marinus Mieremet2, 박예진2, 최상현3
1한국교통대학교 철도공학부 박사과정
2ESCO RTS 연구원
3한국교통대학교 철도공학부 교수

초록


철도소음은 도시지역의 철도건설과 유지에 가장 큰 장애 요소 중 하나이므로 보다 효과적으로 철도소음을 저감하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 방음터널은 철도소음을 저감할 수 있는 가장 효과적인 방법 중 하나이나, 하절기 높은 내부 온도 증가로 인하여 궤도좌굴 또는 전력, 신호 등 선로 설비의 안정성을 저하시킬 우려가 있다. 이러한 온도 상승 문제는 통기 형 방음판을 이용하여 해결할 수 있으나, 방음터널 적용 시의 소음저감 성능에 대한 연구는 미흡한 상황이다. 이 논문에서는 수치해석을 통하여 통기형 슬릿방음판의 효과적인 방음터널 적용 방법에 대한 연구 결과를 제시하였다. 수치해석은 음향해석 프로그램인 Pachyderm Acoustics으로 모델링한 복선 방음터널을 이용하여 수행하였다. 철도소음은 기존 연구결과를 이용하여 모 사하였으며, 슬릿방음판의 적용 위치가 다른 6가지 경우에 대하여 소음저감 효과 변화를 검토하였다. 음향해석 결과 20% 정도 의 슬릿방음판 적용 시에도 철도소음을 최소 5dB 감소할 수 있는 것으로 나타났다.



    Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement(KAIA)
    20CTAP-C153233-02

    1. 서 론

    정온한 생활환경에 대한 요구가 높아짐에 따라 도심 지 교통이 유발하는 소음⋅진동에 대한 불편호소나 민원이 증가하고 있으며, 보다 효과적인 소음⋅진동 저감 기술의 개발이 더욱 중요해지고 있다. 도시지 역의 교통소음 저감을 위한 가장 일반적인 방안으로 는 방음벽이 있으나, 아파트, 빌딩 등 고층화된 공간 에 대한 소음 저감을 위해서는 상당한 높이가 필요 하게 되고, 이에 따른 일조권 및 조망권 문제를 유 발함에 따라 방음터널 건설 요구가 점차 증가하고 있다(Na et al., 1999).

    철도의 경우 1980년대 중반부터 방음벽 건설이 시작되어 현재 고속철도 약 149km, 일반철도 약 643km를 포함한 총 791km 길이에 걸쳐 방음벽이 설 치되어 있으며, 지속적으로 연장이 증가하고 있다 (Fig. 1). 철도 방음벽은 대부분 높이 3.0m 이하로 건 설되어 있으나, 도심지의 경우 선로 주변 주민들의 요구로 방음벽의 높이를 높이거나 방음터널화하여 소 음 수준을 보다 낮춰야 하는 경우가 발생하고 있다.

    방음터널은 방음벽에 비하여 소음저감 성능이 우 수하고, 터널화에 따른 미세먼지 확산 방지, 높이 저 감을 통한 경관 저해요인 최소화 등의 장점이 있으 나, 천정부 방음판 탈락으로 인한 사고 발생 위험이 있고, 열차 승객들의 조망을 위한 투명형 방음판 적 용 시 여름철 온실효과로 인한 터널 내 과도한 온도 상승으로 궤도 좌굴 또는 전력, 신호 등 선로 설비 의 안정성을 저하시킬 우려가 있다(Park et al., 2020).

    하절기 방음터널 내부 과도한 온도 상승을 방지 하기 위하여 초기에는 방음터널 벽면부에 단순히 통 기구를 설치하거나(Oh et al., 2004), 개폐형 방음벽을 설치(Yoon et al., 2011;Samwoo Eng. et al., 2013)하 는 등의 시도가 있었으나, 통기부는 소음저감 성능 을 크게 감소시키며 기계식 개폐장치의 경우 센서 등의 설비에 대한 별도의 유지관리가 필요한 단점이 있다(Kim & Kim, 2015;Park et al., 2020). 관련한 최 근의 연구로는 음향루버와 타공판으로 터널 벽면을 구성하거나(Kim et al., 2014, 2016; Yu et al., 2017), 공명의 원리를 이용하여 개구부의 소음저감 감소율 을 저감하는 연구가 진행되고 있다(Park et al., 2020).

    Kim and Lee (2016)는 직경 5cm의 원형 개구부 2 개소와 공명통이 있는 크기 1,200㎜×1,000㎜×80㎜의 방음판으로 구성된 방음벽에 대한 실험을 수행하였 으며, 넓은 주파수영역대에서 평균 25dB 정도의 차 음효과가 있는 것을 확인하였다. 이후 Park et al. (2016)은 원형 또는 반원형 개구부 형상과 상이한 공 명통 체적을 갖는 다양한 방음판들에 대한 실험을 수행하고, 차음주파수 범위에서 단일방음벽 보다 이 중방음벽의 음향감쇠계수가 더 높으며, 이중방음벽 의 경우 2개 이상의 주파수 대역에서 음향감쇠계수 의 최고점이 발생하거나, 넓은 주파수대역에 걸쳐 있는 것을 확인하였다.

    최근 Choi and Lee (2018)는 개구부 형상을 원형 보다 유지관리가 용이한 슬릿(slit)형으로 제작한 방 음판에 대한 실험을 수행하고, 슬릿형 방음판이 목 표주파수 대역에서 기존 흡음형 방음판과 유사한 차 음성능을 나타내는 것을 확인하였다. Park et al. (2020)은 슬릿형 방음판에 대한 음향해석을 수행하 고, 차음주파수 범위에서 실험결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다. 슬릿형 방음판은 개구부가 없는 기존 방음판에 비하여 온도나 풍하중 저감 효과가 있으며, 유지관리 측면에서 다른 형태의 개구부를 갖는 방음판보다 유리하여 유용한 기술이나, 실제 방음터널 적용 시의 소음저감 특성이나, 보다 효과 적인 적용 방안에 대한 연구는 미흡한 상황이다(Lee et al., 2018).

    이 연구에서는 슬릿형 방음판의 보다 효과적인 방음터널 적용 방안을 도출하기 위하여 음향해석을 통하여 다양한 위치에 슬릿형 방음판을 적용했을 경 우의 소음저감 효과를 비교하였다. 음향해석은 Pachyderm Acoustics 프로그램을 이용하였으며, 슬릿 형 방음판의 적용 위치가 상이한 총 6가지 경우에 대한 해석을 수행하고, 소음저감효과를 비교하였다.

    2. 차음주파수 영역 설계

    이 연구에 적용된 슬릿형 방음판은 Helmholtz 공명기 이론을 이용하여 개발되었다(Park et al., 2020).

    Helmholtz 공명기에서 공명주파수는 음파가 인입 되는 입구의 형상, 면적 및 길이와 공명통의 체적에 의하여 산정될 수 있으므로 슬릿형 방음판의 설계인 자는 슬릿의 형상 및 면적과 공명통의 크기이다 (Choi & Lee, 2018). 슬릿형 방음판의 공진주파수 fr 에 대한 산정식은 다음과 같다.

    f r = υ s 2 π d L H T ( t + 0.85 d )
    (1)

    여기서, υs는 음속, LH는 공명통 가로길이, T 는 공명통 깊이, t는 판의 두께. d는 슬릿의 폭이다. 차 음주파수 영역 fb는 Eq. (1)로 산정된 공진주파수로 부터 고주파 음역대이며, Eq. (2)을 이용하여 산정할 수 있다.

    f r < f b < 1 + G f r
    (2)

    여기서 G는 방음판의 구조에 따라 결정되는 기하 학적 요소이며, 공진통의 부피를 공기통로의 면적으로 나누어 근사적으로 구할 수 있다(Choi & Lee, 2018).

    방음판의 소음성능에 대한 해석을 위하여 필요한 흡음계수(absorption)와 표면임피던스(surface impedance) 는 Park et al.(2020)의 연구 결과를 이용하였다.

    3. 슬릿형 방음판 설계

    슬릿형 방음판은 Fig. 2와 같이 두께 5㎜ 아크릴로 제작한 공명통과 공명통을 보호하기 위한 두께 2.5 ㎜의 전⋅후면 강판으로 구성되어 있다. 공명통의 모양은 Fig. 3과 같이 기본모듈(main module)과 단부 모듈(side module)이 있으며, 각 모듈은 소음⋅진동규 제법에 제시된 방음판의 투과손실에 대한 성능기준 을 참조하여 차음주파수를 500Hz와 1,000Hz로 설계 하였다.

    4. 터널 설계 및 음향시뮬레이션

    4.1 터널설계

    철도 방음터널의 설계는 표준화된 절차가 없어 철도 설계기준(MOLIT, 2017), KR C-02060(KNR, 2020) 및 KR C-08020(KNR, 2017)에 제시된 방음벽에 대한 기 준과 건축구조설계기준을 준용하였으며, 허용응력법 으로 수행하였다. 허용응력은 철도설계기준(MOLIT, 2017) 강교편에 제시된 값을 준용하였다. Fig. 4에 제 시된 복선 방음터널 단면 설계 시 지주 간격은 4.0m 로 가정하였다.

    4.2 음향해석모델

    음향해석은 Pachyderm Acoustics 프로그램이 제공하 는 음선추적법(ray tracing)을 이용하여 수행하였다. 각 방음판 표면의 흡음(absorbing), 산란(scattering) 및 전달(transmission)계수는 재료적 특성을 고려하여 입 력하였다. 참고로 Table 1Park et al. (2020)의 연구 에 제시된 아크릴과 강재의 흡음계수이다. 환경조건 은 온도 20℃, 습도 50%, 정압(static air pressure)은 1,000hPa로 설정하였다.

    방음판에 대한 해석모델은 Fig. 5와 같이 판요소 를 사용하였으며, 투명형 방음판이 설치된 부분(Fig. 5의 파란색)과 슬릿형 방음판 중 공기가 통과하지 못하는 부분(Fig. 5의 밤색)은 완전 차음하는 것으로 가정하였다. 터널 벽체의 통기부(Fig. 5의 하늘색)는 Fig. 6과 같이 Park et al. (2020)에 제시된 슬릿형 방 음판에 대한 실험 및 해석 결과와 동일한 소음저감 특성을 갖도록 모델링하였다.

    철도 소음원은 Jang et al. (2017)의 연구 결과를 이용하여 9개의 차량으로 조성된 무궁화열차가 100km/hr 통과 시 Fig. 7에 제시된 높이에서 레일, 자 갈도상 및 차륜에서 발생하는 소음을 입력값으로 사 용하였다. Fig. 8은 각 소음원에 대한 음향파워이다.

    Fig. 9는 슬릿형 방음판의 적용 위치에 따른 해석 case이다. 참고로 방음판의 적용 위치는 빨간색으로 표시하였다. Fig. 4의 방음터널 단면을 벽체(wall)와 지붕(roof)로 나누었을 때 Case 1과 Case 2는 각각 벽체 하부와 상부, Case 3, Case 4 및 Case 5는 각각 지붕 하단, 중간 및 최상부에 슬릿형 방음판을 적용 한 경우이다. 각 적용위치에서 슬릿형 방음판의 면 적은 모두 동일하므로 Case 1 ~ 4에 비하여 Case 5 의 총적용면적은 1/2이다. Case 6은 지붕 최상부에 슬릿형 방음판을 적용하되 Case 5에 비하여 적용 면 적을 2배로 하여 Case 1 ~ 4와 총적용면적을 동일하 게 한 경우이다.

    Fig. 10은 Fig. 9에 제시된 case에 대한 해석 시의 수음점과 소음원 위치이다. 수음점은 슬릿형 방음판 이 설치된 위치의 중심으로부터 법선방향으로 20m, 40m 및 60m 떨어진 위치들과 철도소음관리기준 측 정방법(NIER, 2019)이 제시하고 있는 철도소음 측정 위치인 지면 위 1.2m∼1.5m의 중간점인 1.35m(1, 4, 7, 10, 13, 16)를 포함하여 설정하였다. 소음원은 복 선임을 고려하여 우측 선로 위에 위치하도록 하였 다. 참고로 해석은 슬릿형 방음판의 저감효과만을 평가하기 위하여 투명형 방음판이 적용된 위치에서 는 소음이 완전히 차단되는 것으로 가정하였다.

    4.3 해석결과 및 고찰

    Fig. 11은 각 해석 경우에 대한 음압레벨(Sound Pressure Level, SPL)이다. 모든 경우에서 슬릿형 방 음판이 적용된 위치에서 가장 큰 소음이 나타났고, 멀어질수록 점차 감소하는 것을 볼 수 있다.

    Fig. 12는 각 case별로 방음터널에서 가장 가까운 수음점인 0, 1, 2, 30, 27 및 24에서 산정된 삽입손실 (insertion loss)이다. 참고로 빨간색으로 나타낸 결과 는 해당 수음점 위치에서 가장 가까운 터널 벽면에 슬릿형 방음판이 설치된 case이다.

    Fig. 12에서 슬릿형 방음판 설치 시의 삽입손실은 수음점 0, 1에서는 차음주파수 영역 내에서 7dB∼ 23dB, 차음주파수 영역 외에서는 5dB∼10dB 정도로 나타났다. 수음점 0, 1에서는 차음주파수 영역에서 7dB∼23dB, 차음주파수 영역 밖은 대부분 5dB∼10dB 정도인 것으로 나타났다. 반면 수음점 2에서는 차음 주파수 영역에서 5dB∼7dB, 다른 영역에서 3dB∼ 10dB로 삽입손실이 낮게 나타났다. 이는 차음주파수 영역인 500Hz∼1,000Hz에서 궤도(S1)에서 발생하는 소음레벨이 차륜(S2)에서의 값보다 상대적으로 크게 발생한 결과로 판단된다(Fig. 8). 수음점 0, 1, 2 모두 125Hz 이하에서는 삽입손실이 크게 나타났으며, Fig. 8을 참조할 때 벽체에 슬릿형 방음벽 설치 시 차량 에서 발생하는 소음(S3)은 잘 저감하는 것으로 판단 된다. 수음점 30에서는 대부분 수음점 2와 유사한 결과가 나타났으며, 125Hz 이하 영역에서도 낮게 나 타났다.

    수음점 27의 경우 Case 6을 제외하고는 수음점 2 와 유사하게 125Hz 이하에서는 삽입손실이 크게 나 타나는 경향을 보였으며, 차음주파수 영역에서 7dB∼ 8dB, 다른 영역에서 대부분 5dB∼10dB 정도의 삽입 손실이 발생하였다. Case 6은 수음점 24의 결과와 유 사하며 차음주파수 영역에서 10dB∼27dB, 다른 영역 에서 5dB∼16dB 정도로 나타났다. 수음점 24는 Case 4와 Case 5에서 유사한 경향으로 차음주파수 영역 20dB∼37dB, 다른 영역에서 8dB∼25dB 정도로 나타 났으며, 다른 case는 전 범위에서 5dB∼15dB 정도의 삽입손실이 발생하였다.

    Fig. 13은 각 case 별 해석결과를 이용하여 산정 한 터널 주변의 OASPL(Overall Sound Pressure Level) 이다. 그림에서 산정된 OASPL은 대부분 30dB∼ 65dB 사이로 나타났다. 모든 case에서 측점 30의 값 이 가장 큰 것으로 나타났으며, 철도소음관리기준 측정방법(NIER, 2019)에 따른 철도소음 측정 위치에 서는 최대 57dB로 나타났다. Case 1과 Case 2 비교 시 Case 1의 값이 더 작게 나타나 수직벽체에 설치 시 낮은 높이에 설치하는 것이 더 효과적임을 알 수 있다. Case 3∼Case 6의 결과에서는 슬릿형 방음판을 지붕 최상부에 설치하는 Case 5과 Case 6이 가장 낮 게 나타났으며, 슬릿형 방음판의 적용면적이 2배인 Case 6은 Case 5에 비하여 슬릿 부근에서 12dB 정도 높게 나타났다.

    5. 결 론

    이 연구에서는 음향해석을 통하여 슬릿형 방음판이 적용된 철도 방음터널에 대한 소음저감 특성을 검토 하였다. 음향해석 프로그램인 Pachyderm Acoustics를 이용하여 슬릿형 방음판의 적용 위치 변화에 따른 소음저감 효과를 비교한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

    • (1) 방음터널 내 무궁화열차 100km/hr 통과 시 발 생하는 소음을 고려한 해석 결과 20m 이격된 위치에서의 삽입손실은 차음주파수 영역에서 최소 5dB, 최대 35dB, 이외 영역은 125Hz 이 상에서 대부분 5dB∼10dB 정도 발생하였다.

    • (2) 수음점과 소음원의 상호 위치에 따라 소음저 감 성능의 차이를 보였으나, 125Hz 이하의 저주파 성분은 벽체, 250Hz 이상에서는 지붕 최상단에 슬릿형 방음판을 설치했을 때 삽입 손실이 가장 크게 발생하였다.

    • (3) 슬릿형 방음판이 적용된 터널 주변의 OASPL 은 대부분 30dB∼65dB 사이로 나타났으며, 지방 최상부에 설치했을 때 상대적으로 소음 저감 성능이 큰 것으로 나타났다.

    • (4) 해석결과를 고려할 때 슬릿형 방음판 설치 위치에 따라 성능의 차이는 있으나, 슬릿형 방음판의 적용 면적이 20% 정도일 때 최소 5dB 이상의 소음저감을 기대할 수 있다.

    감사의 글

    이 연구는 국토교통과학기술진흥원 연구사업의 연구 비 지원(과제번호20CTAP-C153233-02)에 의해 수행되 었습니다.

    Figure

    KOSACS-12-1-32_F1.gif
    Cumulative Length of Domestic Railway Sound Barrier
    KOSACS-12-1-32_F2.gif
    Slitted Soundproof Panel
    KOSACS-12-1-32_F3.gif
    Sectional Shape of the Sound Barrier Modules
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    Cross Section of the Soundproof Tunnel
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    Sound Analysis Model for the Soundproof Tunnel
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    Calibration of Soundproof Panel to Experimental Results
    KOSACS-12-1-32_F7.gif
    Heights of railway noise sources (Jang et al., 2017)
    KOSACS-12-1-32_F8.gif
    Sound Source Strength of a Mugungwha Train
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    Sound analysis cases
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    Noise Source and Receiver Locations
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    SPL Levels Surrounding the Tunnel
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    Insertion Loss at Receivers
    KOSACS-12-1-32_F13.gif
    OASPL Surrounding the Tunnel

    Table

    Absorption coefficient of the barrier materials (Park et al., 2020)

    Reference

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