I. 서 론
II. 현장 측정 및 분석
2.1 측정 개요 및 대상 역사 선정
2.2 현장 소음 측정 및 녹음 방법
2.3 역사별 통과소음 분석 결과
2.4 건축형식에 따른 통과소음 비교
III. 주관적 평가
3.1 자극음 선정 및 특성 분석
3.2 주관적 평가 방법
3.3 주관적 평가 결과
IV. 주관적 반응 분석 및 고찰
4.1 통계 분석
4.2 매우 성가심 응답 결과
4.3 플랫폼의 공간 특성을 고려한 고찰
V. 결 론
I. 서 론
우리나라의 고속철도 Korea Train eXpress(KTX)는 전국 주요 도시와 지역을 연결하는 대표적인 교통수단이다. 고속철도의 도입 이후, 지역 간 이동시간이 크게 단축되었고 이용 편의성이 증대되어 핵심적인 교통 인프라로서 역할을 수행하고 있다. 그러나, 철도 기술 발전에 따른 열차의 고속화는 철도 역사 내의 이용객과 근무자들에 대한 소음 피해를 지속적으로 발생시키고 있다.
철도 역사 내에서 발생하는 소음은 크게 열차가 정차하고 출발할 때 발생하는 착발소음과 정차하지 않고 고속으로 주행할 때 발생하는 통과소음으로 구분할 수 있다. 특히, 통과소음은 착발소음에 비해 음압레벨이 높고, 짧은 시간 동안 급격한 소음 변화를 유발하는 특성을 가진다.
일반적으로 열차가 주행할 때 방사하는 주요 소음원은 크게 전동소음, 동력소음, 공력소음의 3가지로 구분할 수 있다.[1]전동소음은 주로 차륜과 레일의 접촉에 의해 발생하고, 동력소음은 엔진의 구동장치와 기계장치들에 의해 발생한다. 공력소음은 열차가 고속으로 주행할 때 차체 주변의 공기 유동과 난류에 의해 발생한다. 특히, 열차가 250 km/h 이상의 고속으로 주행할 때 공력소음이 급격하게 증가하며 열차 소음의 지배적인 소음원으로서 작용하는 것으로 알려져 있다.[2] 또한, 국내 KTX 열차를 대상으로 한 마이크로폰 어레이 측정 연구에서도 고속주행 시에 열차의 전두부와 후미부에 위치한 동력 객차, 각 객차 사이의 실간 공간, 그리고 상부에 위치한 판토그라프 등에서 고주파수 대역의 공력소음이 주요하게 발생하는 것으로 보고되었다.[3]
이러한 고속철도의 통과소음은 역사 내 이용객과 근무자들에게 지속적인 소음 피해와 불쾌감을 야기하는 주요 소음원으로서 작용하고 있다. 특히, 플랫폼은 역사 내 주요 소음원인 선로와 가장 인접한 공간으로서, 열차가 도착 및 출발할 때나 고속통과 시에 발생하는 소음에 직접적으로 노출되는 공간이다. 또한, 플랫폼은 사람이 열차 탑승을 위해 대기하거나, 하차 후 역사시설 내부로 이동할 때 반드시 거쳐야 하는 공간이므로 소음에 의한 영향이 가장 큰 공간이라고 할 수 있다. 국토교통부의 철도설계기준에서도 철도 이용객 및 근무자의 소음 피해를 방지하기 위하여 잔향시간과 소음 한도 등을 고려하고 적절한 구조 및 방음시설 등을 설치하도록 제시하고 있다.[4]따라서, 역사 내 이용객과 근무자들을 위하여 플랫폼에서의 정온한 음환경을 확보하는 것은 매우 중요하다.
기존의 고속철도 소음 연구는 주로 철도 인근지역에 미치는 소음 영향 평가, 방음벽 설치 방안, 저소음 선로 개발 등 실외 환경 및 개활지를 중심으로 활발하게 수행되어 왔다. 그러나, 고속철도 역사 내부 및 플랫폼 공간에서 발생하는 소음에 대한 연구는 상대적으로 부족한 실정이며, 건물 내부에서 발생하는 열차 소음의 저감 방안에 대한 추가적인 연구가 필요한 상황이다. 이와 관련하여, Park과 Haan[5]은 고속철도 역사 형식에 따라 열차 통과소음의 실내 전달특성이 달라질 수 있음을 보고한 바 있으며, Shimokura와 Soeta[6]는 지상역과 지하역, 상대식과 섬식 플랫폼에 따라 역사 내 소음도 및 음향 특성이 달라질 수 있음을 보고한 바 있다. 이러한 선행연구는 고속철도 역사 및 플랫폼의 건축환경적 특성이 열차 소음의 전달 및 음향 특성과 관련될 수 있음을 보여준다.
한편, 소음 평가 분야에서는 소음의 물리적 크기뿐만 아니라 소음에 노출된 사람이 느끼는 주관적 반응을 함께 고려하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 이와 관련하여, Lee et al.[7]은 교통소음에 대한 불쾌감 반응을 조사하고, 소음량에 대한 성가심 응답을 분석하는 연구를 수행한 바 있으며, Kim과 Lee[8]는 KTX와 일반철도에 대한 소음을 대상으로 청감실험을 수행하여, 차종에 따라 달라지는 물리적 특성이 성가심 반응에 영향을 미칠 수 있음을 보고한 바 있다. 또한, Di et al.[9]은 고속철도와 일반철도 소음을 대상으로 성가심 및 활동 방해 반응을 비교한 결과, 철도소음의 시간 및 주파수 특성에 따라 동일한 음압레벨에서도 성가심 반응이 달라질 수 있음을 보고하였다. 이러한 선행연구는 철도소음 평가에 있어서 단일한 물리량만으로 이용자가 느끼는 성가심 및 불쾌감 등의 주관적 반응을 설명하기에 한계가 존재할 수 있음을 보여준다.
이에 본 연구에서는 국내 주요 고속철도 역사를 대상으로 플랫폼에서의 KTX 통과소음을 측정하고, 역사별 및 건축형식별 소음도 및 물리적 특성을 비교하였다. 또한, 현장에서 녹음한 음원을 이용하여 동일한 음압레벨로 피험자에게 제시하고 주관적 평가를 수행함으로써, 통과소음에 대한 주관적 반응 차이를 분석하고자 하였다.
II. 현장 측정 및 분석
2.1 측정 개요 및 대상 역사 선정
국내 철도 역사는 선로와 역사 건물의 배치 관계에 따라 지상역, 지하역, 선상역, 선하역의 4가지 유형의 건축 형식으로 분류할 수 있다.[4]Table 1에 역사 형식의 개념도를 나타내었다.
Table 1.
Classification of high speed railway station types.
| Type | Ground station | Underground station | Over track station | Under track station |
| Diagram |  |  |  |  |
: Station, 
: Ground, 
: Railway and platform먼저, 지상역은 역사 건물과 선로 및 승강장이 지면에 위치한 형식으로서, 가장 일반적인 역사 형식이라 할 수 있다. 지상역은 역사 건물과 승강장의 배치 관계가 나란하게 놓이는 수평적인 배치가 특징이다.
반면, 선하역은 고가교에 위치한 철도 선로 하부에 역사 건물이 위치하는 수직적인 배치를 이루는 형태이다. 이는 고가 선로 하부의 유휴공간을 활용할 수 있어 부지 면적을 최소화하고 여객 동선을 단축시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 선하역사는 고가교 구조물의 하부에 역사 건물이 위치하기 때문에 열차 통과 시 벽체, 기둥, 슬래브 등의 구조체를 통해 소음 및 진동이 직접적으로 역사 건물로 전달되며, 타 역사 형식에 비해 소음 진동에 취약하다고 알려져 있다.[10]
지하역과 선상역은 역사 건물이 선로 상부에 위치하는 형식으로서 선로의 위치가 지상인지, 지하인지에 따라 구분된다. 선상역은 지상에 위치한 선로 위를 역사 건물이 가로지르는 형태이고, 지하역은 선로와 승강장이 지하에 위치하고 상부를 역사 건물이 완전하게 감싸는 형태로 이루어져 있다. 이러한 역사 형식에 따라서 선로와 역사 건물의 배치 관계, 플랫폼의 구조적 특성 및 개방성, 그리고 건축·공간적인 특성 등이 달라지기 때문에 실내 공간에서의 소음 전파 특성도 달라질 것으로 예상된다.
본 연구에서는 국내 고속철도 역사 중 KTX가 고속으로 통과하는 주요 역사 6개소를 측정 대상으로 선정하였다. 대상 역사는 앞서 설명한 4가지의 건축 형식인 지상역, 지하역, 선상역, 선하역을 최소 1개소 이상 포함하도록 구성하였다. 또한, 모든 열차가 정차하는 역사는 측정 대상에서 제외하였다. 선정한 대상 역사는 Table 2에 정리하였다.
Table 2.
Architectural overview of high speed railway stations.
2.2 현장 소음 측정 및 녹음 방법
국내 주요 고속철도 역사 6개소에서 KTX 통과소음에 대한 현장 소음 측정 및 녹음을 수행하였다. Fig. 1은 각 역사에서 수행한 통과소음 측정 위치 및 배치를 단순화하여 나타낸 평면 및 단면 개념도이다.
측정 지점은 각 역사에 위치한 상·하행 통과선로와 가장 인접한 플랫폼의 중앙부로 설정하였으며, 이는 승객이 열차 탑승을 위해 대기할 때 통과소음에 직접적으로 노출되는 위치를 고려하여 선정하였다. 또한, 각 역사는 플랫폼의 폭과 선로 구성에 차이가 있으나, 측정 지점은 노란색 안전선으로부터 1.8 m 이격된 지점으로 동일하게 설정하여 소음 측정 및 녹음을 진행하였다.
측정 장비는 소음계(NTi Audio, XL2)와 고성능 스테레오 녹음기(TASCAM, DR-40X)를 사용하였으며, 삼각대를 이용하여 지면으로부터 1.5 m 높이에 설치하였다. 음원 녹음은 44.1 kHz의 샘플링 주파수와 16-bit 해상도 형식으로 진행하였다.
통과소음 측정 및 녹음은 동일한 열차 통과 이벤트에 대하여 동시에 이루어졌으며, 통과 열차 소음원과 가장 가까운 선로측 플랫폼에서 마이크로폰을 통과선로 방향으로 향하게 하여 측정하였다. 또한, 소음계와 녹음기의 마이크로폰에는 각각 윈드스크린을 장착하였다. 측정은 모두 맑은 날씨에서 진행하였으며, 현장에서 온습도계(Testo, 605-H1)로 기록한 온도는 29.7 °C ~ 34.9 °C, 습도는 48.2 % ~ 68.2 %의 범위로 나타났다.
측정 대상 열차는 열차 편성과 차종에 의한 영향을 최소화하기 위하여 KTX-1 20량 편성의 열차로 통일하였다. 또한 레이저 속도계(Bushnell, Laser Speed gun)를 이용하여 열차의 통과속도를 동시에 측정하였다.
또한, 현장에서 녹음한 음원 중 열차 통과 시 안내방송, 승객의 대화 소리, 열차의 교행 및 다른 열차의 정차 등 외부 소음이 유입된 것은 제외하였다. 따라서 외부 소음의 영향 없이 측정 및 녹음된 단일 통과 이벤트를 대상으로 분석을 진행하였다.
2.3 역사별 통과소음 분석 결과
먼저, Fig. 2는 역사별 통과소음의 시간에 따른 음압레벨 변화를 나타낸 그래프이다. 통과시간은 열차의 전두부가 플랫폼에 진입하는 시점부터 열차의 후미부가 플랫폼을 진출하는 시점까지로 설정하였다.
KTX의 통과시간은 광명역을 제외한 5개 역사에서 11 s ~ 13 s로 나타났으며, 평균 12 s의 통과시간을 나타내었다. 반면, 광명역은 도심에 위치해 있어 다른 역사에 비해 낮은 통과속도를 나타냈으며, 이에 따라 상대적으로 긴 19 s의 통과시간을 나타내었다. Fig. 2에서는 역사별 통과소음의 시간에 따른 음압레벨 변화를 동일한 시간 구간에서 비교하기 위하여 각 통과 이벤트의 최초 11 s 구간까지 나타내었다.
Fig. 3은 역사별 통과소음에 대한 1/3 옥타브밴드 주파수 분석 결과이다. 분석 결과, KTX의 통과소음은 약 1,000 Hz ~ 4,000 Hz의 주파수 대역에서 높은 음압레벨을 나타내었다.
또한, 통과속도가 높은 역사에서 해당 주파수 대역의 음압레벨과 피크값이 상대적으로 뚜렷하게 나타났다. 특히, 가장 높은 통과속도를 나타낸 울산역과 오송역은 약 2,500 Hz 대역에서 가장 높은 음압레벨을 나타내었다.
이러한 주파수 특성은 선행연구에서 보고된 바와 같이 KTX 열차의 고속주행 시 열차의 전두부와 후미부의 동력객차, 대차 및 차량의 연결부, 판토그라프 등에서 발생하는 공력소음과 차륜·레일 상호작용에 의한 전동소음 등이 복합적으로 작용한 것으로 판단된다.[2]
Fig. 4는 역사별 플랫폼의 통과소음에 대한 등가소음도(LAeq), 최대소음도(LAmax), 그리고 열차가 운행하지 않는 상황에서 측정한 배경소음에 대한 결과를 막대그래프로 나타낸 것이다.
6개 역사의 통과소음은 LAeq가 81.0 dB(A) ~ 96.4 dB(A) 범위로 나타났으며, 평균값은 88.6 dB(A)로 나타났다. 또한, LAmax는 87.1 dB(A) ~ 101.7 dB(A) 범위로 나타났으며, 평균값은 95.4 dB(A)로 나타났다.
특히, 울산역은 LAeq가 96.4 dB(A), LAmax는 101.7 dB(A)로 소음도가 가장 높게 나타났으며, 오송역 또한 LAeq가 93.9 dB(A), LAmax는 101.2 dB(A)로 높게 나타났다. 두 역의 최대소음도는 모두 100 dB(A)를 초과하는 것으로 나타나 KTX가 고속으로 통과할 때 플랫폼에서 매우 높은 수준의 소음이 발생하는 것을 확인하였다. 반면, 광명역은 통과속도가 165 km/h로 가장 낮았으며, LAeq가 81.0 dB(A), LAmax는 87.1 dB(A)로 6개 역사 중 가장 낮은 소음도를 나타내었다. 또한, 김천구미역은 LAeq가 85.4 dB(A)로 274 km/h의 통과속도에 비해 상대적으로 낮게 나타났다. 정읍역과 비교했을 때에는 통과속도가 상대적으로 높음에도 LAeq는 오히려 약 3.5 dB(A) 낮게 나타나는 것을 확인하였으며, 통과속도가 유사한 오송역과도 LAeq가 약 8.5 dB(A)의 차이를 나타냈다.
따라서 역사별 통과소음도는 열차의 통과속도에 의해서만 결정되는 것이 아니라, 플랫폼의 구조와 개방성, 선로의 배치 및 궤도 조건, 지붕의 면적과 형태 등 다양한 건축 환경적 요인들이 복합적으로 작용하는 것으로 추정된다.
또한, 6개 역사의 배경소음 평균값은 51.6 dB(A)로 나타났으며, 통과소음도는 각 역사의 배경소음 대비 26.2 dB(A) ~ 45.1 dB(A) 범위의 음압레벨 차이를 나타냈다. 이를 통해 열차 통과 시 이용객이 열차가 운행하지 않을 때의 배경소음보다 훨씬 높은 수준의 단시간 소음에 노출될 수 있음을 확인하였다.
2.4 건축형식에 따른 통과소음 비교
Fig. 5는 본 연구에서 측정한 6개 역사를 건축형식에 따라 지상역, 지하역, 선상역 및 선하역으로 구분하여 통과소음도를 비교한 결과이다. 건축형식별 통과소음도와 통과속도는 각 형식에 포함된 역사별 측정값의 산술평균으로 산정하였다. 지상역과 선하역은 각각 2개 역사의 산술평균값이며, 지하역과 선상역은 해당 형식의 측정 대상이 각각 1개 역사이므로 개별 역사의 측정값으로 나타냈다.
건축형식별 비교 결과, 선하역의 평균 통과속도가 245 km/h로서 지상역보다 약 41 km/h 낮았음에도 불구하고, LAeq는 89.9 dB(A)로서 지상역의 등가소음도인 90.9 dB(A)와 약 1 dB(A) 수준의 차이를 나타냈다. 또한, 선하역의 LAmax는 97.5 dB(A)로 지상역과 동일하게 나타났다.
또한, 선하역이 선상역에 비하여 평균 통과속도가 약 11 km/h 낮음에도 LAeq가 약 1 dB(A) 높게 나타났으며, LAmax 또한 약 2.1 dB(A) 높게 나타났다. 따라서 건축형식에 따라 소음도를 비교하였을 때, 본 연구의 측정 대상에서는 선하역 형식이 타 역사 형식에 비하여 통과속도 대비하여 플랫폼에서의 소음도가 상대적으로 높게 나타났다.
III. 주관적 평가
3.1 자극음 선정 및 특성 분석
본 연구에서는 6개 역사에서 녹음한 KTX 통과소음 음원 중 물리적 특성 차이가 뚜렷한 울산역과 광명역의 음원을 주관적 평가 자극음으로 선정하였다. 울산역은 6개 역사 중 가장 높은 통과소음도를 나타냈으며, 광명역 음원은 가장 낮은 통과소음도를 나타냈다.
Fig. 6은 주관적 평가 자극음으로 선정한 울산역과 광명역의 통과소음에 대하여 주파수 및 시간적 특성을 비교하기 위해 스펙트로그램을 나타낸 것이다.
분석 결과, 울산역의 통과소음이 광명역에 비하여 전체적인 소음도가 높고 시간에 따른 음압 변화가 뚜렷하게 나타났다. 또한, 1,000 Hz ~ 4,000 Hz의 고주파수 대역에서 소음 에너지가 울산역이 광명역보다 높게 나타났으며, 열차의 통과에 따른 2번의 피크값이 선명하게 나타났다. 이러한 주파수 특성은 열차의 고속주행 시 발생하는 공력소음과 차륜·레일 상호작용에 의한 전동소음 등 다양한 소음원이 복합적으로 작용한 것으로 판단된다.[3]
반면, 광명역은 전체적인 소음도와 고주파수 대역 에서의 소음 에너지가 상대적으로 낮게 나타났으며, 시간에 따른 음압의 변화 또한 상대적으로 완만하였다. 따라서 두 음원은 단순한 소음도의 차이뿐만 아니라 주파수 특성 및 시간적 특성에서도 차이를 나타내는 것을 확인하였다.
또한, 울산역과 광명역에서 녹음한 통과소음의 음향적 특성을 비교하기 위하여 객관적 심리음향 지표 분석을 수행하였다. 라우드니스(Loudness)는 주파수에 따른 인간 청각의 민감도와 마스킹 효과 등의 청각 특성을 반영하여 사람이 지각하는 소리의 크기를 정량화한 지표이며, 샤프니스(Sharpness)는 라우드니스의 주파수별 분포를 기반으로 고주파수 성분에 가중치를 적용하여 소리가 날카롭게 지각되는 정도를 정량화한 지표이다.[11] 본 연구에서는 ISO 532-1[12]에 따른 라우드니스와 DIN 45692[13]에 따른 샤프니스를 산출하였다. Fig. 7은 두 지표의 시간에 따른 변화를 나타낸 것이며, Table 3은 각각의 평균값과 최댓값을 나타낸 것이다.
Table 3.
Psychoacoustic characteristics of KTX pass-by noise recorded at Ulsan and Gwangmyeong stations.
| Parameter | Ulsan | Gwangmyeong |
| Mean loudness (sone) | 87.04 | 45.19 |
| Max loudness (sone) | 183.55 | 80.38 |
| Mean sharpness (acum) | 1.677 | 1.398 |
| Max sharpness (acum) | 2.136 | 1.746 |
분석 결과, 울산역 통과소음의 평균 라우드니스는 87.04 sone, 최대 라우드니스는 183.55 sone으로 나타났으며, 광명역은 각각 45.19 sone과 80.38 sone으로 나타났다. 또한, 평균 샤프니스는 울산역 1.677 acum, 최대 샤프니스는 2.136 acum으로 나타났으며, 광명역은 각각 1.398 acum과 1.746 acum으로 나타났다. 따라서 울산역에서 녹음된 통과소음은 광명역에 비해 라우드니스와 샤프니스가 모두 높게 나타났으며, 현장에서 녹음된 두 음원이 소리의 크기 및 날카로움과 관련된 객관적 심리음향 특성에서도 차이가 있음을 확인하였다.
이후 주관적 평가에서는 두 음원을 동일한 음압레벨 조건으로 피험자에게 제시하여 각 음원에 대한 주관적 반응을 비교하였다.
3.2 주관적 평가 방법
주관적 평가에 사용한 자극음은 울산역과 광명역 플랫폼에서 녹음한 KTX 통과소음을 편집하여 사용하였다. 두 역사에서의 실제 통과시간이 다르기 때문에 자극음의 지속시간은 울산역 12 s, 광명역 19 s로 실제 통과시간을 기준으로 편집하였다.
자극음의 재생 레벨은 LAeq를 기준으로 81 dB(A), 85 dB(A), 89 dB(A), 93 dB(A)로 4단계로 설정하였다. 재생 레벨의 범위는 현장에서 측정했던 KTX 통과소음의 LAeq 범위에 포함되도록 산정한 것이며, 각 단계는 4 dB(A) 간격으로 구성하였다. 최종적으로 울산역과 광명역의 2개의 음원을 각각 4개의 재생 레벨 조건을 적용하여 총 8개의 자극음을 구성하였다.
주관적 평가는 충북대학교 건축공학과 강의실에서 진행하였으며, 강의실의 크기는 가로 8.35 m, 세로 10.78 m, 높이 2.9 m이며, 바닥 면적 90 m2, 체적 261 m3로 나타났다. 강의실의 배경소음은 창문을 닫고 30 dB(A) 이하의 정온한 환경에서 진행하였다.
피험자가 플랫폼에서 대기하고 열차가 통과하는 상황을 재현하기 위하여, 2개의 지향성 Loudspeaker를 좌·우에 1개씩 배치하여 자극음을 재생하였다. 자극음은 노트북에서 USB Audio Interface(Brüel & Kjær, ZE-0948)와 Power Amplifier(Yamaha, PX5)를 거쳐서 2개의 Loudspeaker를 통해 재생하였다. 또한, 스피커는 열차가 지나가는 공간감을 구현하기 위하여 ITU-R BS 1116[14] 표준에서 제시하는 스테레오 배치를 참고하여 구성했다. 또한, 피험자 청취 위치에서 성인의 착석 시 귀 높이를 고려하여 바닥으로부터 1.2 m 높이에 소음계(NTi Audio, XL2)를 설치하여 자극음의 재생 레벨을 교정하였다. Fig. 8은 주관적 평가를 위한 Loudspeaker와 피험자의 배치를 나타내며, Fig. 9는 실제 주관적 평가가 진행되는 모습을 나타낸 사진이다.
실험 참가자는 청력에 이상이 없는 20대 대학생 총 42명(남자 28명, 여자 14명)을 대상으로 진행하였으며, 평균 연령은 약 22.8세였고 표준편차(Standard Deviation, SD)는 1.88로 나타났다.
평가 항목은 성가심(Annoyance), 라우드니스(Loudness), 샤프니스(Sharpness)의 3가지 항목으로 구성하였다. 성가심은 소음에 대한 불쾌감 및 성가심의 정도, 라우드니스는 소음의 지각되는 크기, 샤프니스는 소음의 날카롭게 들리는 정도로 구분하여 설문지로 제시하였다. 해당 항목들은 소리에 대한 사람의 인지적 특성을 반영하기 위하여 소음의 성가심에 대한 선행연구와 심리음향학 분야의 음질 지표 및 관련 연구들을 참고하여 선정하였다.
또한, 설문지의 평가 문항은 성가심의 경우 “당신에게 소음이 얼마나 불쾌하게 들렸는지”, 라우드니스의 경우 “당신에게 소음이 얼마나 크게 들렸는지”, 샤프니스의 경우 “당신에게 소음이 얼마나 날카롭게 들렸는지”를 평가하도록 구성하였다.
각 평가 항목은 0점 ~ 10점으로 구성된 11점 수치 척도를 이용하여 평가하였다. 해당 척도의 양극단은 0점을 ‘전혀’, 10점은 ‘극도로’를 설정하였으며, 3가지 평가 항목에 대해 모두 동일한 11점 척도로 응답하도록 하였다. 평가 척도는 ISO/TS 15666[15] 표준을 참고하여 구성하였다.
또한, 본 평가에 앞서 피험자에게 자극음을 이용하여 연습 청취를 실시하였으며, 실험 안내문을 통하여 평가 항목의 의미와 실험 절차 및 방법에 대하여 사전에 충분히 설명 후 진행하였다.
평가는 성가심, 라우드니스 및 샤프니스의 평가 항목별로 구분하여 진행하였다. 피험자에게 자극음은 각 평가 항목 내에서 무작위 순서로 제시하였으며, 1개의 자극음을 제시한 후 해당 자극음에 대한 응답을 받는 형식으로 진행하였다. 피험자들의 실험 참여 집중도를 높이고, 반복 청취에 따른 피로도를 최소화하기 위하여 평가 중간중간에 충분한 휴식시간을 제공하였다. Table 4는 주관적 평가의 실험 조건 및 구성을 나타내며, Table 5는 설문지의 평가 문항과 11점 수치 척도의 구성을 나타낸다.
Table 4.
Experimental design for subjective evaluation.
Table 5.
Questionnaire items and rating scale used in the subjective evaluation.
3.3 주관적 평가 결과
주관적 평가 결과, 성가심, 라우드니스 및 샤프니스의 모든 평가 항목에서 동일한 음압레벨 조건일 때 울산역의 평균 응답 점수가 광명역에 비해 높게 나타났다. 또한, 음압레벨이 증가할수록 세 가지 평가 항목에서 모두 평균 응답 점수가 증가하는 경향을 나타내었다.
라우드니스는 동일한 음압레벨 조건에서 두 역사의 응답 차이는 0.2점 ~ 0.9점 수준으로 평균 0.51점 차이가 나타났으며, 3가지 평가 항목 중 가장 작은 차이를 나타냈다. 따라서 피험자들은 동일한 음압레벨로 재생하였을 때 두 역사의 소음 크기를 유사하게 인지하는 것으로 나타났다.
그러나, 성가심은 동일한 음압레벨에서 울산역 소음이 광명역보다 전 구간에서 약 1.19점 ~ 1.71점 높게 나타났으며 평균 1.42점 높게 성가시다고 응답하였다. 따라서 동일한 음압레벨에서 울산역 음원이 광명역 음원보다 더 성가시고 불쾌하게 지각되는 것으로 나타났다.
샤프니스는 두 음원 간 차이가 가장 뚜렷하게 나타났다. 울산역 음원에 대한 평균 응답점수가 광명역에 비해 2.19점 ~ 3.83점 높게 나타났으며, 평균 2.96점 높게 응답하였다. 이는 피험자들이 동일한 음압레벨 조건에서도 울산역 통과소음을 광명역보다 더욱 날카롭게 지각하였음을 의미한다.
따라서 동일한 LAeq 조건에서 두 음원의 라우드니스에 대한 주관적 응답 차이는 상대적으로 작았으나, 성가심과 샤프니스에 대한 평가는 뚜렷한 차이가 나타났다. 특히, 샤프니스는 3가지 평가 항목 중 가장 큰 차이가 나타나는 것을 확인하였다. Fig. 10과 Table 6은 울산역과 광명역 통과소음에 대한 주관적 평가 결과를 그래프와 표로 나타낸 것이다.
Table 6.
Mean subjective responses to KTX pass-by noise at different sound levels.
IV. 주관적 반응 분석 및 고찰
4.1 통계 분석
본 실험은 동일한 피험자가 역사 및 음압레벨 조건에 따른 다수의 음원을 반복적으로 평가하였다. 이에 따라 반복측정 자료의 특성을 고려하여 역사와 음압레벨을 요인으로 설정한 이원 반복측정 분산분석(Analysis of Variance, ANOVA)를 실시하였다.
분석 결과, 성가심, 라우드니스 및 샤프니스의 세 평가 항목에서 모두 역사 조건과 음압레벨 조건에 따른 주효과가 통계적으로 유의하게 나타났다(p < 0.001). 이는 동일한 음압레벨 조건에서 울산역과 광명역 음원에 대한 주관적 반응에 유의한 차이가 나타났으며, 음압레벨 증가에 따른 응답 점수의 증가가 유의함을 의미한다.
또한, 역사와 음압레벨 간 상호작용 효과는 성가심에서는 통계적으로 유의하지 않았으나(F = 1.11, p = 0.349), 라우드니스(F = 3.78, p = 0.017)와 샤프니스(F = 13.28, p < 0.001)에서는 통계적으로 유의하게 나타났다. Table 7은 이원 반복측정 분산분석 결과를 나타낸 것이다.
Table 7.
Results of two way repeated measures ANOVA for subjective responses.
주관적 응답의 평가 항목 간의 상관관계를 분석하기 위하여 동일 피험자의 반복응답 구조를 고려한 반복측정 상관분석을 실시하였다. 분석 결과, 성가심과 라우드니스의 반복측정 상관계수는 0.77, 성가심과 샤프니스는 0.73으로 나타나 두 평가 항목 모두 성가심과 높은 양의 상관관계를 나타냈다. 또한, 라우드니스와 샤프니스 간에도 반복측정 상관계수가 0.68로 양의 상관관계가 나타났다. 모든 상관관계는 통계적으로 유의한 것으로 나타났다(p < 0.001). Fig. 11은 평가 항목 간 반복측정 상관분석 결과를 나타낸 것이다.
각 평가 항목을 동시에 고려하였을 때의 관련성을 분석하기 위하여 선형혼합효과 회귀분석을 실시하였다. 동일한 피험자의 반복응답 구조를 고려하여 성가심을 종속변수로, 라우드니스와 샤프니스를 고정효과로 설정하였으며, 피험자 간 응답 차이를 고려하기 위하여 피험자별 랜덤절편을 포함하였다. 모형의 모수는 최대우도법(Maximum Likelihood, ML)을 이용하여 추정하였으며, 분석에 사용한 모델식은 Eq. (1)과 같다.
여기서 는 피험자 의 조건 에 대한 성가심의 평가점수, 와 는 각각 라우드니스와 샤프니스의 평가점수를 나타낸다. 𝛽0는 절편, 𝛽1과 𝛽2는 고정효과의 회귀계수이며, 는 피험자별 랜덤 절편, 는 잔차를 의미한다.
분석 결과, 라우드니스와 샤프니스 모두 통계적으로 유의한 양의 관련성을 나타냈다(p < 0.001). 라우드니스의 회귀계수는 0.482, 샤프니스의 회귀계수는 0.324로 나타났으며 이는 두 평가 항목을 동시에 고려한 경우에도 각각 성가심과 유의한 양의 관련성이 있음을 의미한다. Table 8은 선형혼합효과 회귀분석을 수행하여 나타낸 표이다.
Table 8.
Results of linear mixed effects regression analysis for annoyance.
| Predictor | Estimate | Standard error | t | p |
| Constant | 1.921 | 0.261 | 7.35 | < .001 |
| Loudness | 0.482 | 0.044 | 11.09 | < .001 |
| Sharpness | 0.324 | 0.039 | 8.31 | < .001 |
따라서, 고속철도 플랫폼의 통과소음에 대한 성가심을 저감하기 위해서는 라우드니스뿐만 아니라 고주파수 성분과 관련된 샤프니스에 대한 주관적 반응을 함께 고려해야 할 것으로 판단된다.
4.2 매우 성가심 응답 결과
소음 노출에 대한 성가심 반응은 일정 수준 이상으로 성가심을 나타낸 응답자의 비율로도 평가할 수 있다. 특히, Percentage of Highly Annoyed(%HA)는 교통소음 및 환경소음 분야에서 소음 노출에 따른 높은 성가심 반응의 비율을 나타내는 지표로서, 소음 노출량에 따른 불쾌감 및 성가심 반응을 정량적으로 비교할 수 있다.[16]
본 연구에서는 피험자들의 성가심의 응답 점수 중 8점 이상인 응답(8점, 9점, 10점)을 매우 성가심으로 분류하여, 각 음압레벨 조건에서 %HA를 산출하였다. Fig. 12는 역사별 음압레벨 조건에 따른 %HA를 나타낸 것이다.
분석 결과, 음압레벨이 증가할수록 울산역과 광명역 모두 %HA가 각각 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 음압레벨 조건에서 울산역 통과소음의 %HA가 전 구간에서 광명역보다 높게 나타났다.
81 dB(A) 조건에서는 울산역이 14.3 %, 광명역이 0 %로 나타났으며, 85 dB(A) 조건에서는 각각 38.1 %, 11.9 %로 나타났다. 또한 89 dB(A) 조건에서는 울산역의 %HA가 76.2 %로 광명역의 45.2 %보다 31 %p 높게 나타나 음압레벨 조건 중 두 역사 간 차이가 가장 크게 나타나는 것을 확인하였다. 이를 통해 동일한 물리적 크기의 소음이더라도 울산역 통과소음에 대한 매우 성가심 응답 비율이 광명역 통과소음에 비해 높게 나타나는 것을 확인하였다.
음압레벨에 대한 매우 성가심 응답 비율을 예측하기 위하여 이항 로지스틱 혼합효과 모형(Generalized Linear Mixed Effects Model, GLMM)을 적용하여 음압레벨에 따른 %HA 노출 반응 곡선을 나타낸 것이다. 동일 피험자의 반복 응답 구조를 고려하여 피험자를 랜덤효과로 설정하였다. 선행 연구에서도 승강장 소음에 대한 주관적 반응을 이분화하고 로지스틱 회귀분석을 이용하여 노출 반응 모델을 도출한 바 있다.[16]
분석 결과, 음압레벨의 주효과는 통계적으로 유의하게 나타났으며(p < 0.001), 음압레벨이 증가할수록 %HA가 증가하였다. 또한, 역사 조건의 주효과도 통계적으로 유의하게 나타나(p < 0.001), 동일한 음압레벨 조건에서 울산역 통과소음의 %HA가 광명역 통과소음보다 높게 나타났다. 반면, 역사 조건과 음압레벨 간 상호작용은 통계적으로 유의하지 않았으며(p = 0.589), 상호작용 모형은 주효과 모형에 비해 유의한 적합도 향상을 나타내지 않았다(p = 0.575).
또한, 동일한 %HA을 도출할 수 있는 음압레벨은 울산역이 광명역보다 약 4 dB(A) 낮게 나타났다. 이는 본 실험 조건에서 울산역 통과소음이 광명역 통과소음보다 더 낮은 음압레벨 조건에서 동일한 수준의 매우 성가심 반응을 나타낼 수 있음을 의미한다. Fig. 13은 본 평가 결과를 바탕으로 GLMM을 통해 추정한 노출 반응 곡선이며, Table 9는 %HA가 10 %, 20 % 및 50 %를 나타내는 음압레벨을 역사별로 나타낸 것이다.
Table 9.
Estimated noise levels corresponding to target %HA values based on the GLMM.
| %HA | Ulsan | Gwangmyeong | Diff. |
| 10 | 82.14 | 86.14 | 4.00 |
| 20 | 83.63 | 87.63 | 4.00 |
| 50 | 86.19 | 90.19 | 4.00 |
따라서, 동일한 음압레벨 조건에서도 통과소음의 물리적 특성에 따른 성가심 반응에 차이가 나타날 수 있으며, 앞서 제시한 결과와 함께 울산역의 통과소음이 동일한 음압레벨 조건에서 광명역에 비하여 높은 성가심 반응을 나타내는 것을 확인하였다.
4.3 플랫폼의 공간 특성을 고려한 고찰
울산역과 광명역의 주관적 평가 결과 차이는 두 역사 플랫폼 공간의 건축환경적 특성과 관련하여 고찰할 수 있다. 현장 조사 결과, 울산역 플랫폼은 곡면형 금속 캐노피, 석재 바닥, 유리벽 등 반사성이 큰 마감재로 구성되어 있으며, 주요 반사면에 별도의 흡음 처리가 적용되어 있지 않은 것으로 확인되었다. 또한, 선행 연구 중 철도 플랫폼의 캐노피 구조가 선로 인접 수음 위치의 음향 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 반사성 캐노피 하부면에 의해 음압레벨을 증가할 수 있음을 보고한 바 있다.[17]
반면, 광명역 플랫폼은 현장 조사 결과 천장부의 알루미늄 유공판넬, 승강장 뒷벽의 프리캐스트 콘크리트 유공판넬, 선로측 방음벽의 흡음재 처리 등 다양한 흡음 요소가 역사 내에 적용되어 있는 것을 확인하였다. 이러한 흡음 요소는 플랫폼 내 반사음 및 고주파수 대역의 소음에너지 전달을 완화하는 데 기여했을 가능성이 있다. Fig. 14는 울산역과 광명역 플랫폼의 현장 모습을 비교하여 나타낸 것이다.
이러한 두 역사의 건축환경적 특성 및 공간 구성의 차이는 플랫폼 내 음의 반사 및 전달 특성에 차이를 발생시킬 가능성이 있으며, 본 연구에서 나타난 주관적 평가 결과의 차이를 설명할 수 있는 가능한 요인 중 하나로 고려할 수 있다.
다만, 본 연구에서는 역사 내 플랫폼 공간의 잔향시간, 흡음률 등의 음향적 데이터를 측정하거나 정량적 분석을 하지 않았으므로, 플랫폼의 공간적 특성과 주관적 반응 간의 관계를 직접적으로 분석하는 데에는 한계가 있다. 따라서, 향후 플랫폼 공간의 음향 성능에 대한 추가적인 측정과 객관적 지표에 대한 분석을 통해 플랫폼 공간 특성과 주관적 반응 간의 관계를 보다 구체적으로 검증하기 위한 후속 연구가 필요하다.
V. 결 론
본 연구는 고속철도 역사 내 플랫폼에서 발생하는 KTX 통과소음의 물리적 특성을 분석하고, 이에 따른 주관적 반응 특성을 파악하기 위하여 수행되었다. 국내 주요 고속철도 역사 6개소에서 통과소음을 현장 측정 및 녹음하였으며, 이 중 물리적 특성 차이가 뚜렷한 울산역과 광명역의 통과소음을 활용하여 피험자들에게 11점 척도의 주관적 평가를 수행하였다. 이를 통해 통과소음의 성가심, 라우드니스 및 샤프니스에 대한 주관적 반응 특성을 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1)국내 주요 고속철도 역사 6개소에서 통과소음의 현장 측정 및 녹음을 진행하였다. 측정 결과, 6개 역사의 통과소음도는 LAeq = 81 dB(A) ~ 96.4 dB(A)로 나타났고 평균값은 LAeq = 88.6 dB(A)로 나타났다. 특히, 울산역과 오송역은 LAmax = 100 dB(A)를 초과하여 열차의 고속 통과 시 높은 소음 수준을 나타냈다. 또한, 건축형식별로 산술평균하여 비교한 결과, 본 연구의 측정 대상에서는 선하역사 형식이 타 역사 형식에 비하여 통과속도 대비 소음도가 상대적으로 높게 나타났다. 따라서 통과소음도는 역사 및 건축형식에 따라 차이가 나타났으며, 이러한 결과는 열차의 통과속도뿐만 아니라, 플랫폼의 구조와 개방성, 선로의 배치 및 궤도 조건, 지붕의 면적과 형태 등 다양한 건축환경적 요인과 복합적으로 관련되어 있을 것으로 판단된다.
2)울산역과 광명역의 플랫폼에서 현장 녹음한 통과소음을 이용하여 11점 척도의 주관적 평가를 수행하였다. 평가 결과, 울산역의 통과소음이 성가심, 라우드니스, 샤프니스의 모든 평가 항목에서 광명역의 통과소음에 비해 높은 응답 점수를 나타냈다. 또한, 음압레벨이 상승함에 따라 세 가지 평가 항목의 응답 점수가 모두 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 라우드니스의 응답 점수 차이는 상대적으로 작았던 반면 성가심과 샤프니스의 응답 점수 차이는 크게 나타났다. 이를 통해 동일한 음압레벨 조건에서 통과소음의 주관적 반응에 차이가 나타나는 것을 확인하였다.
3)이원 반복측정 분산분석 결과, 동일한 음압레벨 조건에서 울산역의 주관적 응답 결과가 광명역에 비해 통계적으로 유의하게 높게 나타났으며, 음압레벨이 높아질수록 주관적 응답 결과가 통계적으로 유의하게 증가하였다. 반복측정 상관분석 결과, 성가심은 라우드니스뿐만 아니라 샤프니스와도 높은 양의 상관관계를 나타냈다. 또한, 선형혼합효과 회귀분석 결과에서도 라우드니스와 샤프니스 모두 성가심과 통계적으로 유의한 양의 관련성을 나타냈다. 이를 통해 고속철도 통과소음의 성가심 반응이 지각되는 소음의 크기뿐만 아니라 날카로움에 대한 주관적 반응과도 관련되어 있음을 확인하였다.
4)통과소음에 대한 매우 성가심 반응을 분석한 결과, 음압레벨이 증가할수록 울산역과 광명역 모두 %HA가 증가하였으며, 동일한 음압레벨 조건에서는 울산역 통과소음의 %HA가 광명역보다 높게 나타났다. 또한, GLMM을 이용하여 %HA에 대한 노출 반응 관계를 분석한 결과, 동일한 %HA를 나타내는 음압레벨은 울산역이 광명역보다 약 4 dB(A) 낮게 나타났다. 이를 통해 동일한 음압레벨 조건에서도 통과소음의 특성에 따라 매우 성가심 반응에 차이가 나타날 수 있음을 확인하였다.
5)울산역 통과소음은 광명역 통과소음보다 높은 샤프니스 응답을 나타냈으며, 현장에서 녹음된 두 음원은 고주파수 대역을 포함한 주파수 특성과 객관적 샤프니스에서도 차이가 나타났다. 또한, 두 역사 플랫폼의 건축환경적 특성을 고찰해 보았을 때, 울산역은 플랫폼의 곡면형 금속 캐노피, 유리 측벽, 석재 바닥 등 반사성 마감재가 많았으며, 광명역은 주요 반사면에 다양한 흡음 요소가 적용되어 있는 것을 확인하였다. 이러한 건축환경적 특성 및 공간 구성의 차이는 플랫폼 내 음의 반사 및 전달 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 본 연구에서 나타난 주관적 평가 결과의 차이를 설명할 수 있는 가능한 요인 중 하나로 고려할 수 있다.
다만, 본 연구에서는 플랫폼 공간의 잔향시간, 흡음률, 반사음 분포 등의 음향적 특성을 정량적으로 측정하지 않았으며, 최대소음도 및 피크 소음의 특성이 주관적 반응에 미치는 영향을 분석하지 못한 한계가 있다. 따라서 향후에는 플랫폼의 공간적·음향적 특성과 최대소음도, 피크 소음 및 지속시간 등의 물리적 특성을 함께 고려하여 주관적 반응과의 관계를 보다 구체적으로 검증하기 위한 후속 연구가 필요하다.
이상의 결과를 종합하면, 고속철도 플랫폼 통과소음에 대한 효과적인 저감을 위해서는 단순히 음압레벨을 낮추는 것뿐만 아니라 고주파수 성분과 관련된 샤프니스에 대한 주관적 반응을 함께 고려하여, 최종적으로 이용자가 인지하는 성가심을 저감할 필요가 있다. 본 연구의 결과는 향후 고속철도 역사 내 플랫폼의 음환경 개선 및 소음 저감 방안을 검토하기 위한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
