I. 서  론

최근 건립된 인천공항 제 2청사의 대합실(Fig. 1)에서 볼 수 있듯이 슬랫천장(slat ceiling)은 인테리어 측면에서의 간편함과 간결하고 입체적인 미적 특성 등으로 인해 음악공연장(Fig. 2)을 포함한 대공간 및 다양한 용도의 소규모 공간에서의 활용빈도가 증가하고 있다.

슬랫천장은 슬랫스타일 천장(slat style ceiling), 선형(linear) 또는 그릴(grill) 천장 등의 명칭으로 불리우며 목재나 알루미늄재질의 슬랫패널 등의 판상재를 이용하여 천장을 구성한다. 일반적으로는 슬랫의 배후에 흡음재를 설치하여 실의 흡음률을 조절하는 목적의 흡음구조로써 상용화되어 판매되고 있으며,^[1] 천장뿐만 아니라 벽체에도 적용되고 있다. 그러나 이와 같이 잔향조절의 목적을 갖는 흡음구조로써 적용되는 경우를 제외하고는 슬랫구조와 천장슬래브 사이에 공기층을 둔 상태의 활용이 보다 일반적이나 이와 같은 경우, 슬랫천장의 사용이 해당공간의 음향에 미치는 영향은 거의 알려져 있지 않아 실제 설계과정에서 활용 ‧ 가능한 자료가 거의 없는 형편이다.

Fig. 1.

The slat structure used on the ceiling of the second terminal of the Incheon international airport

Fig. 2.

An example of slat ceiling used in a concert hall (William M. Lowman Concert Hall, California, USA).^[2]

이와 같은 배경에서 본 연구에서는 흡음재와 결합된 흡음구조가 아닌 천장슬래브와의 사이에 공기층을 갖는 천장마감재로써의 선형 슬랫구조를 대상으로 하였으며, 슬랫의 간격 및 슬랫천장면의 설치높이 변화가 슬랫하부 공간의 음향에 미치는 영향을 모형실험을 통하여 측정 ‧ 분석하였다. 대상공간은 슈박스 형태(shoe-box type)의 소규모 공연장으로써 1/20 축소모형실험을 활용하였다.

II. 모형실험개요

본 연구에서는 슈박스 형태의 소규모 공연장(실물척도, L× W × H = 14 m × 8 m × 10.9 m)에서 슬랫천장의 적용이 객석의 음향에 미치는 영향을 1/20 축소모형실험을 통하여 측정 ‧ 분석하였다. 대상공간모형(Fig. 3)은 두께 20 mm의 아크릴로 제작하였으며, 무대의 측벽 및 천장은 두께 10 mm의 포맥스를 사용하였고, 객석바닥면에는 두께 1 mm의 펠트를 적용하였다. 장방형실의 특성상 대향벽면에 의해 발생 ‧ 가능한 플러터 에코(flutter echo) 등의 음향적 결함을 방지하기 위해 측벽에는 1차원 확산체(10 mm × 10 mm)를 설치하였다. 슬랫은 객석천장 전면에 적용하였으며, 길이 380 mm, 폭 24 mm, 그리고 두께 2 mm의 포맥스를 사용하였다.

Fig. 3.

The interior view of the scale model room with a slat ceiling.

실험은 슬랫의 간격 변화(0.26 m, 0.56 m, 그리고 0.86 m) 및 슬랫천장면의 설치높이 변화(객석바닥면으로부터 8.95 m 및 7.12 m)의 조합에 따른 6가지 설치조건들을 대상으로 하였다(Table 1 및 Fig. 4). 슬랫의 간격변화는 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 슬랫간의 틈새를 통해 직접음이 투과되는 경로 및 정도를 고려하여 3가지 경우를 선정하였다(Narrow: 회절 및 반사에 의한 투과, Wide: 직접투과, 그리고 Middle: 직접투과 및 회절과 반사를 통한 투과). 슬랫천장에 의한 실의 음향성능 변화는 잔향시간(T₃₀), 명료도(D₅₀ 및 C₈₀), 그리고 음의 세기(G 및 G₈₀) 측면에서 그 영향을 측정 ‧ 분석하였다.

Table 1. The distance between slats and the height of a slat ceiling considered in the present work.

Fig. 4.

Three cases of the distance between slats were considered in this work(narrow, middle, and wide).

Fig. 5.

Three cases of the distance between slats were considered in this work (narrow, middle, and wide).

축소모형실험의 특성상 불가피하게 발생하는 공기흡음의 영향을 최소화하기 위하여 질소를 충진한 상태(모형내 상대습도 4 % 유지)에서 실험이 진행되었다.^[3] 좌우대칭인 실의 형상을 고려하여 음원은 무대중앙 1 개소 그리고 객석 내 6 개 수음점들(Fig. 6)을 대상으로 ISO^[4]에 준하여 실시하였다. 모형실험에 사용된 주요장비들은 Table 2와 같다.

Fig. 6.

A source and six equally distributed receiver positions on the left side of audience area were selected in a scale model room.

Table 2. The equipment used in the scale model measurement.

III. 실험결과 및 토의

Fig. 7은 슬랫천장이 설치되지 않은 공실상태의 대상실에서 측정된 잔향시간을 나타낸 것이다. 별도의 저음흡음구조를 사용하지 않은 상태에서 측정된 잔향시간으로써 125 Hz 및 250 Hz에서의 잔향시간이 매우 길게 측정되었으나, 본 연구의 목적이 슬랫천장의 적용에 따른 실의 음향변화를 평가하는 것이므로 별도의 저주파 흡음재 추가없이 실험을 진행하였다. 슬랫천장의 설치조건 변화에 따른 각 파라메타값별로 나타나는 차이의 유의성은 Table 3의 ISO 제안치^[4]를 사용하여 평가하였다.

Fig. 7.

T₃₀ measured in an empty scale model room (room average T₃₀±standard deviation).

Table 3. Just noticeable differences for acoustic quantities in ISO 3382-1.

Fig. 8은 슬랫천장의 간격 및 설치높이 변화에 따른 6개 대상지점에서 잔향시간 측정결과를 1/1옥타브밴드의 중심주파수별로 나타낸 것이다. 측정 시 충분한 INR(Impulse response to Noise Ratio)의 확보가 어려운 4 kHz 대역에서의 측정결과는 분석대상에서 제외하였다.

Fig. 8.

Comparison of the T₃₀ as a function of the distance between slats for each ceiling height (room average T₃₀±standard deviation).

분석결과, 슬랫천장의 설치 시 잔향시간(T₃₀)은 설치하지 않은 경우에 비해 모든 주파수 대역에서 유의적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 감소폭은 저주파수 대역일수록 크게 나타났다(≒ 2 JND). 반면, 슬랫이 설치된 상태에서 슬랫의 간격변화에 따른 실의 잔향시간은 간격이 좁을수록 잔향시간의 감소폭이 크며 슬랫간격이 대상음 파장의 1/4보다 작은 250 Hz 이하의 저주파수 대역에서의 감소폭이 상대적으로 크게 나타났다. 슬랫의 설치 높이에 따른 차이는 슬랫의 밀도가 높은 0.26 m 슬랫간격에서만 낮은 천장의 적용 시 잔향시간이 길어지는 것으로 나타났으나, 위치별 표준편차를 고려할 때 천장이 높은 경우에는 250 Hz 이하의 경우에서 그리고 천장이 낮은 경우에는 125 Hz 이하에서만 유의적인 차이가 있는 것으로 분석되었다 (Figs. 9 및 10). 또한 슬랫 간격이 0.86 m로 증가한 경우에는 천장고가 모든 주파수대역에서 잔향시간 변화에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

Fig. 9.

T₃₀ measured with and without a slat ceiling (room average T₃₀±standard deviation). The distance between slat ceiling was 0.26 m.

Fig. 10.

T₃₀ measured with and without a slat ceiling (room average T₃₀ ± standard deviation). The distance between slat ceiling was 0.86 m.

명료도 분석결과(Fig. 11), D₅₀은 슬랫천장의 설치에 의해 모든 주파수 대역에서 슬랫천장이 없는 경우에 비해 약간씩 증가하는 패턴을 나타내고 있다. 그러나 ISO의 JND 제안치와 비교한 결과, 슬랫천장의 유무에 따라 천장고가 높은 경우의 2 kHz를 제외한 모든 주파수에서 JND를 초과하는 유의적인 차이는 발견되지 않았다. 슬랫천장이 설치된 조건에서 슬랫간격 및 천장높이 등 설치조건의 변화에 따른 D₅₀값을 비교한 결과, 두 가지 천장고조건 모두에서 슬랫의 간격변화에 따른 JND (5 %)를 초과하는 유의적인 차이는 나타나지 않아, 슬랫의 간격변화는 거의 D₅₀에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다.

Fig. 11.

Comparison of the D₅₀ as a function of the distance between slats for each ceiling height (room average D₅₀ ± standard deviation).

C₈₀의 경우에도 D₅₀과 마찬가지로 슬랫형 천장의 적용에 의해 증가하는 경향을 나타내고 있으나 JND(1 dB)를 상회하는 유의적인 차이는 없는 것으로 분석되었다(Fig. 12). 또한 슬랫천장이 설치된 조건에서 천장높이 및 슬랫간격 등 설치조건의 변화에 따른 C₈₀값을 비교한 결과, 두 가지 천장고조건 모두에서 슬랫의 간격변화에 따른 1 JND를 초과하는 유의적인 차이는 나타나지 않아, 슬랫의 간격변화는 C₈₀에 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다.

Fig. 12.

Comparison of the C₈₀ as a function of the distance between slats for each ceiling height (room average C₈₀ ± standard deviation).

음의 세기 분석결과, 슬랫천장의 설치는 모든 주파수대역에서 전반적인 음의 세기(G)를 감소시키는 것으로 나타났다(Fig. 13). 특히 슬랫의 밀도가 상대적으로 높은 0.26 m 및 0.56 m의 간격 적용 시 슬랫천장을 적용하지 않은 경우보다 모든 주파수 대역에서 유의적으로 감쇠(≥1 JND)하는 것으로 나타났으며, 슬랫의 간격을 0.86 m로 증가시키는 경우에는 설치하지 않은 경우와 JND값(1 dB)을 초과하는 유의적인 차이가 없는 것으로 분석되었다.

Fig. 13.

Comparison of the G as a function of the distance between slats for each ceiling height (room average G ± standard deviation).

또한 슬랫천장이 설치된 조건에서 슬랫의 간격변화에 따른 G값은 천장고 높이에 관계없이 JND를 초과하는 유의적인 차이는 발견되지 않았다.

초기음장의 음의 세기를 G₈₀을 이용하여 분석한 결과(Fig. 14), G값과 마찬가지로 슬랫천장의 설치에 따라 감쇠하고 있으며, 슬랫의 유무에 따른 차이는 모든 슬랫간격 조건하에서 설치하지 않은 경우에 비해 1 JND^[5] 이상의 유의적인 감쇠가 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 설치높이 변화에 따른 유의적인 차이는 나타나지 않았다. 주목할 점은 슬랫형 천장의 적용에 의해 측정지점별 초기음장의 음의 세기(G₈₀)편차는 모든 슬랫간격 조건에서 크게 감소하는 것으로 나타나 슬랫형 천장이 초기음장의 음의 세기측면에서 위치별 편차를 최소화시켜주는 확산체로서의 기능을 하는 것으로 평가되었다.

Fig. 14.

Comparison of the G₈₀ as a function of the distance between slats for each ceiling height (room average G₈₀ ± standard deviation).

IV. 결 론

본 연구에서는 슈박스 형태의 소규모 공연장에서 슬랫형 천장의 적용이 객석의 음향에 미치는 영향을 1/20 축소모형실험을 통하여 측정 ‧ 분석하였다. 슬랫의 설치높이 및 간격 변화의 조합에 따른 6가지 설치조건들을 대상으로 하였으며, 잔향시간(T₃₀), 명료도(D₅₀ 및 C₈₀), 그리고 음의 세기(G 및 G₈₀) 측면에서 그 영향을 분석하였다.

슬랫천장의 설치에 의해, T₃₀은 전주파수 대역에서 유의적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 저주파수 대역에서 감소폭이 큰 것으로 나타났다. D₅₀ 및 C₈₀은 자연히 증가하는 경향을 나타내지만 1 JND를 초과하는 유의적인 차이는 없는 것으로 분석되었다. G 및 G₈₀은 전주파수 대역에서 유의적으로 감쇠하였으며, 초기음장의 음의 세기 측면에서 위치별 편차를 최소화시켜주는 것으로 나타나 슬랫형 천장이 확산체로서의 기능을 할 수 있을 것으로 기대된다.

또한 슬랫천장의 설치높이보다 간격변화가 객석 음향에 미치는 기여도가 비교적 큰 것으로 분석되었다. 전반적으로 슬랫천장의 설치높이가 낮고 간격이 좁을수록 T₃₀ 및 G₈₀은 유의적으로 감소하며, D₅₀ 및 C₈₀은 증가하는 경향을 나타내지만 유의적인 차이는 없는 것으로 평가되었다. 단, 슬랫의 밀도가 높은 0.26 m 슬랫간격에서만 낮은 천장의 적용시 잔향시간이 길어지는 것으로 나타났다.

본 결과는 초기연구단계의 실험적 성과물로서 향후 보다 다양한 슬랫의 형상(크기, 간격, 그리고 방향 등), 설치조건(위치 및 면적 등), 그리고 공간조건(반사 및 흡음 등)을 대상으로 슬랫형 천장이 객석의 음향성능에 미치는 영향을 상세하게 검토할 예정이다.