I. 서 론
고속철도차량의 발전과 함께 철도 차량은 우리나라에서 중요한 대중교통 수단이 되었다. 이에 따라 국내의 철도 차량 관련 기술도 꾸준히 성장하여 현재는 400 km/h급의 고속 철도 차량이 등장하였다. 하지만 이러한 운행속도의 증가는 전통적인 철도차량바퀴와 철로 사이의 구름소음뿐만 아니라 공력 소음 또한 증가 시키고 있다. 차량에서 발생하는 소음은 차량의 천장과 바닥 또는 옆벽을 통하여 내부로 전파되고 이러한 소음으로 인해 철도차량을 이용하는 승객은 불편함을 겪을 수 있다.
고속철도차량 운행 시 발생하는 소음은 개활지 보다 터널 운행에서 더 높은 소음을 발생 시키는데, 이는 고속철도차량에서 발생하는 소음이 터널 외부로 빠져 나가지 못하고 터널 내부에서 잔향 음장을 형성하기 때문이다. 또한 최근 도상의 유지관리 및 천연골재 고갈 등 환경문제로 인해 자갈도상의 터널이 콘크리트 도상의 터널로 교체가 되고 있는 추세인데 콘크리트 도상은 자갈도상보다 소음적인 측면에서 악영향을 끼쳐 부수적인 소음에 대한 대책이 필요한 실정이다.
이러한 콘크리트 도상의 단점을 보완하기 위해 여러 가지 소음저감 장치가 개발되어 왔다. 레일 웹댐퍼는 철도에 설치하여 철도 차량의 휠과 레일상에서 발생하는 전동소음을 저감시킬 수 있고, 도유기 설치는 커브구간에서 휠의 플렌지면과 철도 사이에간헐적으로 발생하는 고주파의 스퀼소음을 저감시킬 수 있다. 또한 흡음블록은 터널에서 발생한 소음의 에너지를 흡수함으로써 터널내 소음의 크기를 감소시킬 수 있다. 이중 흡음블록은 다른 소음저감 장치에 비해 설치의 큰 제약이 없고, 쉽고 빠르게 설치가 가능하여 일부 구간에서 시범적으로 적용되고 있지만 고속철도차량의 실제 운영 환경에서 그 성능의 검증이 이루어지지 않고 있다.
흡음 블록의 성능에 대한 연구는 이미 활발하게 진행 중이다. Lee et al.[1]은 흡음블록의 성능을 높이기 위하여 흡음블록 성분의 14 개의 배합비를 조절 하여 잔향시간을 측정하고 흡음률을 계산했다. Park et al.[2]은 흡음블록의 형상에 따라 흡음률의 변화를 확인하였다. 또한 Hong et al.[3]은 흡음재를 도시철도에 설치하여 도시철도 실내에서 소음도를 측정 평가 하였다. 이상과 같이 다소 주행 속도가 느린 도시철도에 대한 흡음블록 효과는 일부 연구가 진행되었지만 KTX와 같이 고속으로 주행하는 철도 차량에 대한 흡음블록의 효과에 대한 연구가 진행되지 않았다. 특히 KTX과 같은 고속철도차량의 경우 구름소음과 같은 진동소음과 더불어 공력소음이 소음원으로 중요하게 작용하여 흡음블록의 효과에 대한 정량적인 평가가 필요한 실정이다.
본 연구에서는 실제 운행 중인 KTX 차량과 호남선에 위치한 달성터널의 일부 구간을 대상으로 흡음블록 설치전 ‧ 후에 실내소음을 측정함으로써 흡음블록의 실내소음에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 실내소음의 정량적인 평가를 위해 등가소음도를 사용하였다. 흡음블록이 설치된 터널 전체의 등가소음도 뿐만 아니라 흡음블록 설치 위치에 있을 때의 등가소음도를 계산하여 비교를 실시하였다. 또한 흡음블록의 주파수별 흡음특성과 객실 내부 장치소음이 영향을 주는 주파수 영역의 영향을 고려하기 위하여 가청주파수 영역대에서의 1/3-octave band level 분석도 추가로 수행하였다. 측정시의 열차운행조건과 객차, 환경 요인들에 의한 영향을 고려하기 위하여 달성터널 앞뒤에 위치한 터널내 실내소음측정결과를 보정하여 흡음블록에 의한 영향을 최대한 객관적으로 평가하고자 하였다. 마지막으로 잔향실에서의 실험을 통하여 측정한 흡음블록의 흡음율을 입력값으로 터널내에서 KTX 열차의 터널내부 진행시 내부소음을 예측하고 측정값과 비교하였다.
II. 현장 측정 실험
측정은 흡음블록 부설 전 ‧ 후 각각 상행 3회 하행 3회로 총 6회의 측정을 실시하였다. 실제 차량에 탑승한 승객이 실제 경험할 수 있는 소음의 정도를 측정하기 위해 광주 ↔ 정읍 사이를 오가는 KTX에서 승객이 동승한 상태에서 측정을 실시하였다.
Fig. 1의 위성 사진에서 볼 수 있듯이 광주와 정읍 사이에 위치한 달성터널은 앞뒤로 2개의 터널이 설치되어 있고, Table 1에서는 각 터널의 길이와 달성터널의 위치를 확인할 수 있다. 달성 터널과 터널3 사이의 거리는 약 1.64 km, 달성터널과 터널1 사이의 거리는 약 0.36 km 이다. 측정구간은 광주 정읍 사이에 위치한 달성터널을 포함한 연속된 3개의 터널에서 측정을 하였는데, 달성터널을 제외한 2개의 터널을 측정한 이유는 운행마다 소음에 영향을 줄 수 있는 환경오차(운행속도, 날씨, 운전자의 습관, 승객, 차량상태 등)를 고려하여 추후 보정값을 계산하기 위한 것이다. 흡음블록이 설치된 구간은 익산 ⟶ 광주 방향으로 달성터널을 500 m 진입 후 400 m의 길이로 설치되었다. Table 2에서 측정에 사용한 장비를 나타내었다.
측정 위치는 Fig. 2와 같이 열차의 객실 중앙에 설치하였고, 4인 가족석에서 측정을 실시하였다. 열차의 평상 운행 시 승객이 경험할 수 있는 소음을 측정하기 위해 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning)이 작동하고 객실의 양쪽 문은 폐쇄된 상태에서 측정을 하였다.
Fig. 3은 실제 가족석에 설치한 마이크로폰을 차량외부에서 찍은 사진이다. 그림에서의 마이크로폰의 측정 높이는 객차바닥에서 120 cm로 ISO 3381[4]를 준용한 높이이고 이는 의자에 탑승한 승객의 귀 높이에 해당한다. 마이크로폰의 측정 방향은 천장을 향해 설치하였고, 삼각대 및 BNC케이블의 흔들림으로 인한 노이즈를 줄이기 위해 테이프를 이용하여 고정 하였다.
Fig. 4에서 계측기 및 노트북으로 측정상태를 확인 하는 사진을 나타내었다. 노트북 및 계측기의 전원은 KTX내부에 설치된 콘센트를 이용하였다. 계측기와 마이크로폰을 연결하는 BNC커넥터는 운행 시 발생하는 진동에 의한 노이즈를 방지하기 위해 테이프로 고정을 하였다. 계측기의 sampling rate는 51,200 Hz 이지만 노트북으로 계측상태를 확인할 때는 0.1 s의 로깅주기로 모니터링을 하며 계측의 이상여부를 확인 하였다.
측정 당시 차량의 터널 진·출입 시간은 창문 밖을 동영상(29 frame/s)으로 촬영을 통해 확인하였다. 흡음블록의 위치는 철도차량이 일정한 속도로 터널을 주행한다는 가정 하에 촬영한 동영상의 시간과 터널의 길이를 바탕으로 평균속력을 구하여 흡음 블록 위에서 주행하는 시간을 계산했다.
III. 측정 결과
흡음블록 설치 전 ‧ 후의 비교를 위해 소음이 큰 폭으로 변화하고 불규칙적인 특성을 가질 때 일반적인 소음의 평가량으로 사용하는 등가 소음도를 사용하였다. 시간-주파수 분석을 위해 hanning window를 사용하였고, 청감 곡선은 A-weighting을 적용하였다. 계산 주파수 영역은 사람의 귀가 인지할 수 있는 20 Hz ~ 20,000 Hz 사이의 가청 주파수 대역이며, 평균(averaging)을 한 주기는 0.5 s이며 overlap 은 50 %로 하여 계산을 실시하였다.
열차는 터널 구간에서 일정한 속도로 운행한다고 가정 하고 열차의 평균 속력을 계산 후 흡음블록 위를 달리는 시간을 계산하였다. 열차의 평균 속도는 Table 3과 같다. Table 3에서 부설 전 × 표시는 일반 KTX 열차가 아닌 KTX-산천 차량이며 소음도 계산을 실시하지 않았다. 그 이유는 KTX -산천 차량의 경우 기존의 20량인 KTX와 비교하여 10량으로 길이가 짧고, 부착된 장비의 차이가 있으며 KTX 차량과 다른 선두부를 가지고 있어서 소음 발생 메카니즘의 차이가 있을 거라 판단되었기 때문이다. 부설후의 2회차의 × 표시는 측정 중 탑승객 또는 승무원이 지나가거나, 전화 통화와 같은 소음으로 인해 오염된 신호라고 판단하여 측정값에 대한 분석을 실시하지 않았다.
Fig. 5는 측정 시 실시간으로 모니터링 한 음압의 시변 그래프이며 양쪽 끝의 2개의 막대는 측정 차량의 호차가 터널을 진입 및 진출 할 때를 나타내고, 안쪽의 2개의 막대는 등속도 운동을 한다고 가정하여 계산한 흡음블록 위에서 주행을 할 때의 구간을 나타낸다. Fig. 5에서 위의 그래프는 부설 전 하행의 운행시의 결과이고 아래 그래프는 부설 후 2차 하행의 결과이다. Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 등속도 운동을 한다고 가정하여 차량이 터널에 진출입 했을 때, 흡음블록 위를 지나갈 때, 각각 음압레벨이 증가, 감소하는 경향을 명확히 보이고 있다는 것을 확인할 수 있다.
Table 4에서 측정 결과를 바탕으로 흡음블록 설치전 ‧ 후의 등가소음도의 변화를 나타내었다. 등가 소음도는 측정한 음압레벨을 에너지 평균하여 얻었다. 표에서 ’tunnel’은 등가 소음도를 흡음블록이 설치된 터널 전체를 기차가 통과할 때 걸린 시간을 고려하여 계산한 것이며 탑승한 차량의 호차가 터널을 진입하는 시간부터 터널에서 이탈하는 시간까지를 터널구간으로 정의 하였다. ‘block’은 측정위치가 터널 진입 후 흡음블록 위를 달리기 시작 할 때부터 흡음블록 위를 이탈하는 시간까지를 고려한 경우를 나타낸다. 터널 전체를 계산하였을 때 상행이 1.8 dB(A) 감소하며, 하행은 1.0 dB(A) 증가하였다. 철도 차량이 터널의 흡음블록 위를 지나갈 때는 상행이 1.9 dB(A)가 감소하고 하행은 변화가 없었다. 보정값 계산은 달성 터널 바로 전 ‧ 후에 위치한 2개의 터널에서 측정한 값을 사용하여 측정 시 열차운행조건, 객차상태, 주변환경에 의한 원인을 고려하기 위하여 계산을 실시하였다. 계산은 터널1과 터널3에 대하여 흡음블록 설치 전 ‧ 후에 측정한 값을 각각 음압평균하고, 평균값의 차이를 평균하여 계산하였다. 이렇게 계산한 보정값은 상행에서는 +0.05 dB(A), 하행에서는 -2.0 dB(A)이다. 달성 터널 외의 2개의 터널의 보정값을 달성 터널에 적용 시킬 수 있었던 이유는 3개의 터널을 포함 한 거리가 약 10 km로 운행 속도에 비해 다소 거리가 짧고 연속적으로 위치해 있어서 운행 속도, 날씨, 차량의 노후상태, 철도의 상태등의 환경적인 요인이 모든 터널에 동일하게 적용한다고 볼 수 있기 때문이다. 사용한 데이터의 측정차량은 모두 일반적인 KTX이며 KTX-산천의 데이터는 사용하지 않았고, 운행 시 승객에 의한 소음 중 전화 소리, 사람이 지나가는 소리 등과 같은 심한 소음은 오염된 데이터로 판단하여 사용하지 않았다. 결과적으로 사용한 데이터는 상행은 부설 전 ‧ 후 각각 2회의 데이터를 사용하였고, 하행은 부설 전 ‧ 후 각각 1, 2회 데이터를 사용하였다.
KTX의 소음 측정 시 HVAC뿐만 아니라, 모터와 같은 기기 장치의 소음이 상당히 발생하지만 이러한 장치 소음은 흡음 블록을 거치지 않고 객실로 바로 전파되기 때문에 흡음 블록의 영향을 거의 받지 않는 성분이다. 또한 이러한 기기소음은 기차의 종류나 노후화에 따라 소음 성능에 큰 차이를 보이게 된다. 따라서, 이러한 장치소음의 영향을 가늠하기 위하여 1/3-octave band 스펙트럼 분석을 통하여 흡음블록의 설치 전 ‧ 후의 소음레벨을 주파수 대역별로 비교해 보았다.
Fig. 6에서 상행 열차의 흡음블럭 부설 전 ‧ 후 흡음블록 위에서 주행 할 때의 1/3-octave band 스펙트럼을 비교하였다. 첫 번째 측정의 경우 흡음블록 부설 후 500 Hz ~ 4000 Hz 사이의 주파수 밴드에서는 감소하나 그보다 저주파수 대나 고주파수 대에서는 큰 차이가 없거나 오히려 증가하는 영역도 확인된다. 두 번째, 세 번째 측정의 경우에는 40 Hz 이하 영역대를 제외하고 모든 주파수 밴드영역에서 일정한 감소값을 나타낸다. 이러한 차이는 앞에서 언급한 장치기기소음과 더불어 고속철도차량의 운행속도에 따라 공력소음과 구조진동소음의 상대적 기여도 차이에 의한 것으로 판단된다. 이러한 상대적 기여도의 차이는 다음절의 예측결과와 측정결과의 비교에서 추가적으로 기술하였다. Fig. 7은 하행 열차의 흡음블록 부설 전 ‧ 후 흡음블록위를 주행할 때의 1/3-octave band 스펙트럼을 비교하였다. 하행의 첫 번째 측정결과는 상행의 첫 번째 측정결과 비교와 유사하게 400 Hz ~ 4000 Hz 영역대에서는 흡음블록 부설 후 감소하였지만 다른 주파수 밴드에는 변화가 없거나 증가하였다. 두 번째 측정결과도 저주파수 영역대에서는 같은 경향을 나타낸다. KTX의 경우 500 Hz 이하에서는 차량에 설치된 장치소음에 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있다.[5] 특히 250 Hz의 주파수를 가지는 장치에서 큰 소음이 발생 하는 것을 알 수 있다. 따라서, 500 Hz 대역이하에서의 소음은 부설 전 ‧ 후의 큰 차이를 보이지 않거나 오히려 증가하는 것은 객실주변의 장치소음에 의한 소음으로 흡음블록의 효과를 받지 않고 객실로 바로 전파되기 때문이고 측정 열차의 특성이 많이 반영된 것으로 판단된다. 500 Hz ~ 20,000 Hz대역은 전동소음 및 스퀼소음, 공력소음이 주요하게 발생하는 주파수 대역이다.[6,7] 그중 전동소음은 1,000 Hz 부근에서 발생한다고 알려져 있으며, 흡음블록 부설 전의 값이 부설 후의 값보다 큰 것을 확인할 수 있다. 여기서 전동소음이 흡음블록의 효과를 받아 소음이 저감된다는 것을 알 수 있다. 그 외의 고주파영역에서는 다소 차이를 보이지 않는데 이는 스퀼소음의 주파수 대역으로 스퀼소음이 커브 구간에서 발생하는 것을 고려하면 직선구간인 달성터널 에서는 스퀼소음보다 공력소음이 보다 큰 영향을 주는 것으로 판단된다.
Table 5는 흡음블록의 효과를 받지 않는 장치소음을 제외한 500 Hz ~ 20,000 Hz의 영역에서 계산한 등가 소음도의 변화량이다. 장치소음을 제외하면 흡음블록의 효과로 인해 터널 전체에서는 상 ‧ 하행 각각 2.8 dB(A), 0.7 dB(A)이 감소한 것을 확인할 수 있고, 흡음블록의 위를 지나갈 때에는 각각 3.8 dB(A), 6.8dB(A)이 감소한 것을 확인할 수 있다.
IV. 예측값과 측정값 비교
앞 절에서 실제 운행 중인 KTX의 실내소음을 측정하여 터널내부에 설치된 흡음블록의 효과를 분석하였다. 앞 절에서 기술한 바와 같이 측정값은 여러환경적인 요인을 포함하여 흡음블록의 실질적인 효과를 가늠할 수 있는 반면에 제어할 수 없는 여러 요인으로 인하여 설계자의 입장에서는 흡음블록의 물리적인 효과를 정확하게 가늠하기에 미흡한 면이 있다. 따라서 본 절에서는 흡음블록에 의한 KTX 실내 소음 예측값을 측정값과 비교함으로써 물리적인 저감 메커니즘을 규명하고자 한다. 잔향실에서 측정한 흡음블록의 주파수별 흡음율을 이용하여 터널내부를 운행중인 KTX열차의 실내소음 변화를 예측하였다. 소음 예측은 통계적 에너지 해석기법이 적용된 ESI사의 VA-one을 이용하였다.
Fig. 8은 객차 모델의 터널 내 위치와 터널의 공간이다. 실제 KTX는 철도가 상선, 하선으로 나뉘어져 있어서 운행 시 터널의 한쪽으로 붙어서 운행을 하지만, 해석에서는 편의상 터널의 중간에서 실시하였다. Fig. 9는 차량 내 실제 측정 위치와 동일한 위치의 cavity에서 해석결과가 반영되었음을 나타낸다.
Fig. 8의 터널의 바닥 전체에 흡음블록을 설치하였고, 터널의 벽면에는 흡음블록을 적용 하지 않았다. 또한 터널에서는 airborne noise가 지배적이므로 airborne noise 모델링만으로 소음저감 예측을 실시하였다.[8] 대상차량이 중간객차이므로 구동장치 소음의 영향은 거의 없고, 차륜-레일의 전동음과 공력소음이지배적이다. 따라서 예측에서는 관절형 대차 위치에 차륜-레일 소음원을 위치시키고, 차량의 차체 주변에 공력소음원을 배치하여 예측값이 부설 전 측정값에 근접하도록 공력 소음원의 음향파워레벨을 조정하였다. 차량의 흡음특성, 터널 외벽의 흡음율, 차륜-레일의 추정 음향파워레벨, 차량 각 부위의 음향 투과 손실 등은 현대로템의 데이터베이스를 활용하였다. 즉, SEA(Statistical Energy Analysis) 해석에서 흡음블록 설치 전 ‧ 후의 차이 만 정량적으로 분석하기 위하여 loss factor에 대항하는 각 sub-system의 TL(Transmission Loss)만 반영하여 해석하였다. Fig. 10에서 해석에 적용한 흡음블록의 흡음율과 각 구조물의 음향 투과 손실 값을 제시하였다.
예측 시 터널 내 열차외부의 음향파워를 예측해야 하는 난점을 해결하기 위하여 부설 전 실내 측정값을 이용하여 외부의 공력소음원에서의 음향파워레벨을 예측하였고, 이때 차륜 - 레일의 소음도는 115 dB(A) / axle로 예측되었다. 이후 예측한 외부음향파워레벨과 터널 바닥면에 설치된 흡음블록의 흡음율을 적용하여 부설 후의 열차객실 내부소음을 예측하였다. 차체 주변의 공력 소음원은 점음원으로 모델링 하였으며 위치 및 개수는 Fig. 11과 같다.
비교대상 측정값은 부설 전 상행 2차와 부설 후 상행 3차를 선정하였다. Fig. 12는 부설 전후의 측정값과 부설전의 데이터를 이용하여 흡음블록이 설치되지 않았을 때의 터널내 소음도와 부설후의 터널내 소음도값을 1/3-octave band로 예측값을 비교하여 나타낸 그래프이다. Fig. 12에서 살펴 볼 수 있듯이, 전 주파수 대역에서 부설 후 측정값과 예측값이 잘 일치하는 경향을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 모두 250 Hz에서의 높은 소음도값을 확인할 수 있는데 이는 KTX의 차량의 기기장치의 소음으로 대게 500 Hz 이하의 주파수 대역에서 확인할 수 있다. 기기장치에 의한 주파수 대역을 제외한 500 Hz 이상에서의 상대적으로 그래프는 경향성을 보다 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있고, 부설후의 측정값과 예측값이 보다 일치하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 예측을 통한 흡음블록의 저감효과는 4 dB(A)으로 나타났다.
V. 결 론
본 연구에서는 호남선의 달성터널에 흡음블록 설치 전 ‧ 후의 KTX 객차 실내소음 측정 및 예측을 통하여 흡음블록의 효과를 정량적으로 확인하였다. 공력소음만을 고려한 흡음블록의 소음 저감량 예측에서는 4 dB(A)의 저감 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 측정 결과는 사람의 가청 주파수 영역을 고려 했을 때 최대 1.8 dB(A)의 감소를 보였으며 차량이 흡음블록 위를 지날 때는 최대 1.9 dB(A)가 감소 하였다. 또한 매 측정 마다 발생하는 환경 오차를 적용하면 터널 전체에서는 최대 1.7 dB(A)가 감소하며, 흡음 블록 위를 지날 때는 최대 2.0 dB(A)가 감소되는 것을 알 수 있다. 또한 흡음블록을 거치지 않고 객차로 바로 전파되는 차량의 장치소음을 고려하여 500 Hz ~ 20,000 Hz 대역에서의 소음도를 계산해보면 터널전체에서는 최대 2.8 dB(A), 흡음블록위에서는 최대 4.8 dB(A)가 감소하며 보정값을 적용하면 최대 6.8 dB(A)가 감소한 것을 확인할 수 있다. 예측과 실측이 차이는 장치소음과 예측에서 구조진동에 의한 원인을 고려하지 않았기 때문인 것으로 판단된다.
본 연구에서는 흡음블록의 저감효과를 실제 열차 작동조건에서 측정하여 제시함으로써 향후 소음대책에 실용적인 도움이 될 것으로 기대한다. 또한 예측모델의 검증을 위한 자료로도 활용하여 이후 설계단계에서 소음을 고려할 수 있는 기본 정보로도 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 연구에서는 보다 정밀한 흡음블록의 영향을 가늠하기 위해서 기차의 객차에 따른 영향을 최대한 줄일 수 있는 HEMU-430X를 대상으로 실험평가를 진행할 예정이다.
