I. 서 론
II. 축소모형 실험의 개요
2.1 축소모형의 개요
2.2 실험의 구성
2.2.1 실험에 사용된 흡음재와 확산체의 종류
2.2.2 실험 구분
2.3 실내음향성능 평가 지표
III. 측정결과
3.1 마감재 적용위치에 따른 음향인자 분석
3.1.1 객석 뒷벽(RW)
3.1.2 객석 천장(C-F, C-M, C-R)
3.1.3 객석 측벽(SW-F, SW-M, SW-R)
3.2 마감재 적용위치에 의한 동일 수음점에서의 영향
3.2.1 초기 감쇠시간(EDT)
3.2.2 잔향시간(T30)
3.2.3 음악 명료도(C80)
3.2.4 음성 명료도(D50)
3.2.5 음성전달지수(STI)
IV. 결 론
I. 서 론
생활수준의 발달과 문화예술에 대한 시민들의 의식수준의 향상으로 공연장의 양적팽창을 지양하고 질적 수준의 향상을 요구하고 있다. 이와 같이 공연장에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 다양한 공연형태를 자유롭게 수용하기 위해 소규모 공연장의 수요 및 이용이 급격히 증가하고 있으며, 전국 공연장 894곳 중 500석 미만의 소공연장은 581곳으로 전체의 65 %를 차지하고 있는 등 수적 비중 또한 큰 것으로 나타났다. 이처럼 전국에는 많은 소공연장이 건립되어 운영되고 있지만 대규모 공연장에 비해 운영 및 사용자들의 건축음향에 대한 인지도가 낮아 공연장 설계 시 건축음향 계획의 적용이 저조한 실정이다.
본 연구에 앞서 진행된 선행연구에서는 가장 많은 공연장이 집중해 있는 서울의 대학로를 중심으로 2000년 이후 개관한 공연장 중 조사가 가능했던 36개 소공연장의 공연장의 크기, 무대 형태등에 대해 분석하여, 연구의 대상을 설정하였다.[6] 조사 결과 대상 소공연장의 경우 전용건물이 아닌 복합건물로 대부분이 지하에 많이 위치하고 있어 공연장의 형태 및 크기, 비례가 유사하다는 특징을 알 수 있었다. 위와 같은 소공연장이 가진 물리적 특징을 고려하였을 때 실내음향성능을 결정짓는 요소는 실내마감 재료로 예측되었다. 이를 토대로 대상공연장이 음성을 주로 전달하는 공연장임을 감안할 때 엔드 스테이지(end stage)의 공연장이 음성명료도에 유리하며, 측벽에 흡음재나 확산체를 적용하는 것이 명료도 향상에 유리하다는 연구결과를 얻었다. 하지만 연구의 방법의 구성 및 설정에 있어 무대면적을 제외한 측벽, 천장, 뒷벽의 마감재 적용 면적이 달라 마감재에 의한 음향성능 변화를 객관적으로 판단하기는 어려운 것으로 나타났다.
이에 본 연구에서는 소공연장의 마감재의 적용위치에 따른 음향성능 변화를 파악하기 위해서는 동일한 마감면적을 가지고 비교하는 것이 필요할 것으로 판단되어, 선행연구의 문제점들을 보완하여 진행하였다.[1,2,4,5]
II. 축소모형 실험의 개요
본 연구에 사용한 소공연장은 연구대상으로 설정한 대학로의 36개 소공연장의 건축제원을 평균화하여 사용하였다. 조사결과, 대상 소공연장의 건축제원의 평균은 약 15m(L) × 10m(W) × 4.8m(H)로 나타났다. 실험에 사용된 축소모형은 기존 소공연장을 단순화한(측벽의 발코니석 제거, 객석 배열의 평균화 등) 1/10 축적으로 제작하였다.
2.1 축소모형의 개요
제작된 공연장의 평면 형태는 일반적인 장방형(rectangular)인 슈박스 형태(shoe-box type)이며, 내부는 콘크리트에 페인트 마감과 비슷한 흡음률을 만들어주기 위하여 도막형 마감한 두께 15 mm MDF(medium density fiberboard)를 적용하였다.[7] 대상공간의 제원과 사진은 다음의 Table 1, Figs. 1과 2와 같다.
2.2 실험의 구성
축소모형에서 사용된 음원은 정오각형으로 이루어진 12면체의 무지향성 스피커를 1/10으로 축소 제작하였으며,[11] 음원은 무대 바닥에서 0.15 m 높이로 1개를 설치하였고, 수음원은 축소모형 내부에 3개의 수음점을 객석의 전반부, 중반부, 후반부로 나누어 적용하고 바닥 위 0.12 m높이로 설정하였다.
측정 및 충격응답의 분석은 상용 소프트웨어인 Dirac 5.0을 이용하여 측정하였고, 측정에 사용된 음원은 2.73 s 길이의 swept sine 신호를 자체 제작한 12면체 무지향성 스피커를 통해 재생하였고, 스피커의 음향 파워레벨(sound power level, PWL)은 95 dB로 하였다. 측정은 3개의 수음점 별로 15회 측정하여 산술 평균 값을 사용하였다. 축소모형 측정시 온도와 습도는 20℃, 습도는 15 %로 유지되었다.
고주파에서의 공기중의 흡음을 배제하고자 건조공기를 주입하였으나 실험의 한계로 공기흡음에 의해 영향을 받을 수 있다고 판단되어 잔향시간 결과는 측정된 잔향시간을 기준으로 아래의 잔향식[13]을 이용하여 보정 산출하였다.
T: 잔향시간 (s),
V: 체적 (m3),
c : 음속[331+0.6t (m/s), t = 온도 (℃)],
A: 공기를 제외한 재료의 총 흡음력,
m: 공기흡음계수.
공기흡음을 배제한 축소모형의 측정결과는 실제 스케일로 변환되어 나타내었다.
Fig. 3은 본 실내음향성능측정에 사용된 장비의 구성을 나타내며 Fig. 4는 실험에 사용된 음원 및 축소모형내의 장치설정을 나타내며, Table 2는 연구에 사용된 장비를 나타내고 있다.
본 축소모형의 실내음향 측정은 ISO 3382에 준하여 125~4000 Hz(모형 내에서는 1250 ~40000 Hz)의 주파수 범위를 대상으로 측정을 실행해야 하나, 측정시 사용한 1/2"마이크로폰의 감도로 인하여 본 실험에서는 고주파수 2 kHz의 음향 측정은 신뢰할 수 없다고 판단되어 125~1000 Hz만을 분석에 사용하였다.
2.2.1 실험에 사용된 흡음재와 확산체의 종류
본 연구에서 사용된 흡음재는 흡음재의 적용에 따른 음향성능의 효과의 차이를 명확하게 보여줄 수 있도록 부직포류, 폴리에스터, 벨벳, 벨로아 등의 천류들의 흡음률을 측정하여 그 중 흡음률이 높은 폴리에스터를 사용하였다.
확산체의 경우 periodic type의 단순 1차원 확산체가 형상이 단순하여 제작과 물리적 정의가 단순하여 실험에 적합하다고 판단되며, Jeong et al.[3]이 수행한 연구와 Kim[8]의 수행연구에서저․중 주파수에서 확산계수가 큰 것으로 나타난 22 cm 의 확산체를 선정하고, 확산체의 제작 및 실험결과 값을 차용하여 사용하였다. 실험에 사용된 흡음재의 흡음률은 Table 3에, 확산체의 확산계수는 Table 4에 명기하였다.
2.2.2 실험 구분
본 연구에서는 마감재 적용유효면적이 가장 작은 뒷벽을 기준으로 마감재 적용면적을 산출하고 , 마감재의 적용위치별 실내음향성능의 변화를 분석하기 위하여 천장, 측벽의 적용위치를 전반부, 중반부, 후반부로 구성하여 마감재 적용을 위한 구역을 구분하여 Table 5에 나타내었다. 흡음재와 확산체 적용면적은 모두 0.196 m2로 동일하게 적용되었다.
축소모형 실험은 흡음재나 확산체가 적용되지 않은 기준모델(End Stage, ES)을 포함하여 다음과 같이 8가지로 구분하여 진행하였다.
1) ES: 흡음재나 확산체가 적용되기 전 기준모델
2) RW: 객석 뒷벽
3) C-F: 객석 천장 전반부
4) C-M: 객석 천장 중반부
5) C-R: 객석 천장 후반부
6) SW-F: 객석 측벽 전반부
7) SW-M: 객석 측벽 중반부
8) SW-R: 객석 측벽 후반부
2.3 실내음향성능 평가 지표
본 연구에서는 흡음재와 확산체의 적용위치에 따른 소공연장의 음향 성능을 비교하기 위하여, ISO 3382-1에서 규정한 공연장의 음향 성능 평가에 사용되는 실내음향지표를 이용하여 객석의 음향성능을 평가하였다.
음향인자 분석방법은 최소 변화 감지폭(Just Notice-able Difference, JND)에 의한 평가를 사용하고자 한다. JND는 사람이 음향인자의 차이를 청각적으로 인지할 수 있는 최소한계치를 말하며, 본 연구에서 본 연구에서 사용한 각 성능 지표, 기준 및 JND는 Table 6과 같다. 단, 잔향시간의 경우는 기준 공연장의 체적이 569.18 m3이고, 음성전달과 약간의 음악을사용 하는 공연장임을 감안할 때 적정 잔향시간[12]은 1.0 s가 적당하다고 판단된다.
III. 측정결과
3.1 마감재 적용위치에 따른 음향인자 분석
실험결과는 잔향시간, 초기감쇠시간, 음악명료도, 음성명료도, 음성전달지수의 음향인자를 분석하였다. 본 실험에 게재된 모든 결과는 실제 스케일(full-scale)로 환산하여 표기하였다. 각 지표별 마감재 적용에 따른 실내음향을 조사하고자 d.v.(difference values)로 표기한 실내음향인자의 변화량은 흡음재와 확산체를 적용하지 않은 기준모델의 축소모형 실험시 측정된 음향인자 평균값과 흡음재와 확산체를 적용하였을 때 변화한 양을 의미하며, Table 7에 나타난 것과 같다.
3.1.1 객석 뒷벽(RW)
객석 뒷벽의 경우 흡음재 적용시 모든 음향인자가 현저하게 변화되는 차이가 나타나고 있다. T30과 EDT의 경우각각 0.24 s, 0.30 s의 차로 짧아지는 것을 알 수 있다. C80값의 경우 JND에 미치지는 못하나 높아지고 있는 경향을 나타내며, D50는 0.08의 차로 향상되는 것으로 나타났으며, STI의 경우 또한 JND 차가 0.03[10]인 것을 감안할 때 흡음재 적용으로 인한 음이해도의 차이는 0.03 이상으로 청각적으로 인지할 수 있음을 나타낸다.
확산체를 뒷벽에 적용하였을 때는 흡음재 적용시 처럼 흡음력 증가에 의해 T30과 EDT값은 각각 0.12 s, 0.08 s의 차를 보이며 짧아지는 것으로 나타났으나, 흡음재 보다는 변화가 작은 것을 볼 수 있다. C80값의 경우 마감재 적용으로 인해 변화가 나타나고는 있으나 인지가 가능한 범위내의 변화는 없는 것으로 나타났다. 확산체 적용시의 D50과 STI의 경우 값이 향상되는 것으로 나타났으나 이는 변화가 감지되는 범위가 아닌 것으로 나타났다.
3.1.2 객석 천장(C-F, C-M, C-R)
객석 천장에 경우 흡음재 적용시 모든 음향인자에서 뚜렷한 차이가 나타남을 알 수 있다. T30, EDT의 경우 음원과 가장 가까운 C-F모델이 가장 짧은 것으로 나타났다. C80값의 경우 또한 음원과 가까운 순으로 높은 경향을 보이는 것으로 나타났다. D50의 경우 또한 음원과 가까운 순으로 높은 경향을 보이며, STI의 경우 또한 0.03 이상의 차로 모든 위치에서 향상 되는 것이 나타나며 음원과 가까울수록 향상의 폭이 더 큰 것으로 나타났다.
확산체 적용시는 T30값의 경우 모든 적용위치에서 0.21~0.32 s의 차로 잔향시간이 짧아지는 것이 나타나며 흡음재 적용시와 마찬가지로 음원과의 거리가 짧을수록 잔향시간이 짧은 것으로 나타났다. EDT의 경우는 음원과의 거리가 가까울수록 EDT의 감소가 작은 것으로 나타났다. C80값의 경우 C-F, C-M의 경우 값이 낮아지는 경향을 보이며, 뒷벽의 경우는 높아지는 것으로 나타났다. STI의 경우는 C-M, C-R의 경우 높아지는 경향을 보이나 JND 평가시 유의하지 않는 것으로 나타났다.
3.1.3 객석 측벽(SW-F, SW-M, SW-R)
객석 측벽의 경우 흡음재 적용시가 다른 적용 위치보다 모든 위치에서 음향인자의 뚜렷한 변화가 있는 것으로 나타났다. T30와 EDT의 경우 SW-F가 가장 짧은 것으로 나타났다. C80값의 경우 음원과 거리가 가까울수록 값이 높은 것으로 나타났으며, D50의 경우 0.08~0.11의 차를 보이며 높아진 것을 알 수 있다. STI의 경우 모든 적용위치에서 0.02~0.06의 정도의 차로 향상되는 것으로 나타났다.
확산체 적용시 흡음재 적용과 마찬가지로 음원과 가까울수록 T30 값이 낮은 것으로 나타났으며 EDT의 경우는 SW-F, SW-R의 경우 EDT값이 증가하고, SW-M의 경우는 EDT 값이 감소하는 것으로 나타났다. C80값은 JND 값에는 미치지 못하나 모든 적용위치에서 값이 높아진 것을 알 수 있으며 SW-M모델이 가장 높아진 것으로 나타났다. STI의 경우는 SW-M의 경우 높아지는 경향을 보였으나 JND 평가시 유의하지 않는 것으로 나타났다.
3.2 마감재 적용위치에 의한 동일 수음점에서의 영향
3.2.1 초기 감쇠시간(EDT)
Fig. 5는 8가지 공연장모델의 조건에 따른 EDT값의 평균값과 기준모델과의 차이를 각 수음점 별로 나타낸 것이다.
흡음재 적용시 모든 적용위치에서 0.15 s 이상으로 변화의 차이가 큰 것으로 나타났다. 전반부의 경우 뒷벽에 의한 차이가 가장 크며 측벽, 천장 순으로 차이를 보인다. 중반부의 경우는 측벽에 의한 영향이 가장 큰 것으로 나타났으며, 뒷벽, 천장 순으로 차이를 나타냈다. 후반부의 경우 천장의 경우가 평균적으로 가장 큰 차이를 나타냈으며, 측벽의 경우는 음원과 가까울수록 잔향시간 차가 매우 큰 것으로 나타났다.
확산체 적용시에는 흡음력이 증가했음에도 중반부 측벽의 모든 적용위치에서 EDT값이 높아지는 것이 확실히 나타났다. 모든 수음점에서 측벽( SW-M, SW-R)의 경우 차이가 큼을 알 수 있었다.
3.2.2 잔향시간(T30)
Fig. 6은 8가지 공연장모델의 조건에 따른 T30값의 평균값과 기준모델(ES)과의 차이를 각 수음점 별로 나타낸 것이다.
흡음재와 확산체 적용시 모든 적용위치에서 잔향시간이 감소하는 경향을 나타내었으며, 흡음재가 확산체 적용시보다 변화의 폭이 더 큰 것으로 나타났다.
흡음재의 경우 모든 수음점의 위치에서 0.1 s 이상의 차이를 보여주며 짧아지는 것으로 나타났으며, 전반부와 중반부는 측벽에 의한 변화가 가장 컸으며, 천장, 뒷벽의 순으로 나타났다. 후반부의 경우는 천장에 의한 잔향시간이 가장 큰 변화를 보이며 측벽, 뒷벽순으로 나타났다. 측벽에 의한 영향력이 가장 큰 것으로 조사된다. 그리고 동일 수음점의 비교를 통해 음원과 가까운 쪽의 마감재 적용위치가 확실히 짧은 잔향시간을 가지고 있음을 알 수 있다.
확산체 적용시에는 모든 적용위치에서 잔향시간이 감소하는 것으로 나타났다. 전반부의 경우는 SW-M의 경우를 제외한 모든 적용위치에서 0.05 s 이상의 차이를 보이며 잔향시간이 감소하며, 중반부의 경우 모든 적용위치가 0.05 s 이상이거나 근접한 차이를 보이며 가장 큰 변화를 보였다. 후반부의 경우 SW-M의 경우를 제외한 모든 적용위치에서 0.05 s 이상의 차이를 보이며 잔향시간이 감소되는 것을 알 수 있었다. 확산체의 적용의 경우 측벽에서는 SW-F의 경우가 모든 수음점 위치에서 잔향시간 변화가 가장 큰 것으로 나타났으나, 천장과 뒷벽 또한 영향력이 큰 것으로 나타났다.
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① front | ② middle | ③ rear | |
(a) Sound absorptive materials | |||
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① front | ② middle | ③ rear | |
(b) Sound diffusive materials | |||
Fig. 7. Clarity of receiver points depending on the location of interior finishing materials. | |||
3.2.3 음악 명료도(C80)
Fig. 7은 8가지 공연장모델의 조건에 따른 C80값의 평균값과 기준모델과의 차이를 각 수음점 별로 나타낸 것이다.
C80값의 경우 흡음재의 적용으로 인해 전반부와 중반부의 경우 C80값이 높은 경향을 보이며, 후반부의 경우는 C80값이 감소하는 것으로 나타났다.
확산체 적용시 C80의 경우 흡음재 적용시와 유사한 경향을 나타내는 것으로 나타났다. 전반부와 중반부의 경우 값이 높아지는 경향을 보여주고 있으나 JND에 의해 유의한 곳은 전반부의 SW-F의 경우만 해당되었다. 후반부의 경우는 C-R, SW-M의 경우를 제외한 모든 위치에서 C80값의 증가하는 경향을 보였다.
3.2.4 음성 명료도(D50)
Fig. 8은 8가지 공연장모델의 조건에 따른 D50값의 평균값과 기준모델과의 차이를 각 수음점 별로 나타낸 것이다.
축소모형 실험결과 흡음재 적용시 D50 값의 경우 모든 적용위치에서 증가하는 경향을 보였으며, 특히 모든 수음점 위치에서 측벽과 천장에 의한 차이가 큰 것을 알 수 있으며, 중반부와 후반부의 경우가 더 큰 것으로 나타났다.
확산체 적용의 경우 후반부의 C-F, C-M, C-R의 천장부의 경우는 변화가 없거나 감소하는 경향을 나타났으며 그 외의 경우에서는 모든 적용위치에 값이 높아지는 것으로 나타났으나, JND 평가시 유의하지 않는 것으로 나타났다.
3.2.5 음성전달지수(STI)
Fig. 9는 8가지 공연장모델의 조건에 따른 STI 값의 평균값과 기준모델(ES)과의 차이를 각 수음점 별로 나타낸 것이다.
흡음재 적용시 STI의 값이 모두 증가하는 경향을 나타냈으며, 확산체의 경우는 거의 변화가 없거나 오히려 감소되는 것으로 나타났다.
IV. 결 론
소공연장의 내부에 흡음재와 확산체의 적용위치에 의한 실내음향성능 변화에 대한 조사를 위하여 총 8가지 경우로 구성하여 1/10 축소모형(scaled model)을 제작하여 실험을 실시하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
1)마감재 적용위치에 따라 가장 큰 영향을 받는 인자는 RT, EDT, C80, D50, STI 순으로 소리의 울림의 양에 관한 지수가 더 큰 영향을 받으며, 명료도에 관련된 인자는 적용위치에 따른 영향은 크지 않은 것으로 나타났다.
2)흡음재 적용은 후기음 보다는 초기음의 비율이 더 큼을 알 수 있으며, 확산체는 흡음력이 증가했음에도 불구하고 전체적인 초기음과 후기음에 비율에 영향을 적게 준다는 것을 알 수 있다.
3)잔향시간의 경우 흡음재나 확산체 적용시 음원과의 거리가 가까울수록 잔향시간이 짧게 나타났다. 따라서 음원의 가까이에 마감재를 적용하는 것이 짧은 잔향시간을 만들 때 효과적이다.
4)흡음재와 확산체의 모든 적용위치에서 차이값의 변화를 비교해본 결과 측벽을 이용하는 것이 잔향시간 조절에 효과적이며, 특히 음원과 거리가 가까운 측벽 전반이 짧은 잔향시간을 얻을 수 있는 위치이다.
본 연구는 소공연장의 확산체 및 흡음재의 적용위치에 따른 소공연장의 실내음향 평가에 관한 연구로 마감재를 적용할 수 있는 유효면적이 가장 작은 뒷벽을 기준으로 면적으로 제한을 두었으나, 향후 연구에서는 흡음재와 확산체의 적용위치에서 면적 비율의 변화, 흡음재와 확산체를 혼용하여 적용할 시 나타나는 상승효과에 대한 실험․정리를 통해 실내음향성능인자에 대한 추가적인 특성파악이 요구되어진다고 사료된다.
