I. 서 론
II. 이론적 배경
2.1 시간 가중 음(Time weighted sound)
2.2 시간 평균 음(Time averaged sound)
2.3 항공기, 사격장 소음 평가방법
III. 연구의 방법
3.1 측정 대상 및 데이터 수집 방법
3.2 데이터 분석 방법
IV. 결과 및 논의
4.1 시간 가중 및 시간 평균 방법 비교
4.2 소음노출레벨 분석 결과
4.3 평가방법에 대한 고찰
V. 결 론
I. 서 론
공항·비행장 인근 및 군사격장에서 발생하는 소음은 인근 주민들에게 심각한 환경적 불편을 초래하는 주요 문제 중 하나이다. 우리나라에서는 ｢공항소음방지법｣과 ｢군소음보상법｣을 통해 소음 피해 지역 주민들에게 보상을 제공할 법적 근거를 마련하였으며,[1] 이에 따라 신뢰할 수 있는 소음 측정과 평가가 중요해졌다. 한편, 항공기 소음 평가는 2023년부터 1일 동안의 소음노출레벨(Sound Exposure Level, SEL)을 합산하여 평가하는 Lden방식으로 평가단위가 변경되었으며,[2] 군사격장 소음의 경우에는 사격 소음의 소음노출레벨에 시간대별 및 화기별 가중치를 적용한 LRdn 방식으로 평가하고 있다.[3]
Reference [4]에 따르면, 원칙적으로 소음노출레벨은 음압의 실효값(Root Mean Square, RMS)을 산출한 후, 소음 발생 시간 동안의 값을 합산하여 평가하는 시간 평균(time averaging) 방법을 사용해야 한다. 그러나 국내 관련 기준들에서는[5,6] 항공기 및 사격장 소음 평가 시 1 s 시간 상수를 사용하여 음압의 제곱 값을 지수적으로 가중하는 방식인 Slow 시간 가중(time weighting) 방법을 적용하도록 표현되어 있어, 이에 대한 논란의 여지가 있다.
소음의 분석하는 과정에서 시간 평균 및 시간 가중 방법을 다르게 적용할 경우, 신호 처리 방식의 차이로 인해 소음 레벨에 영향을 미칠 수 있다. Reference [7]에 따르면, 충격성 소음의 경우 순간적인 음압 변동으로 인해 이러한 차이가 더 크게 나타날 수 있으며, 특히 소음노출레벨을 평가할 때 시간 가중 방식을 적용하면 샘플링 간격이 평가 결과에 영향을 줄 수 있다. 이는 시간 가중 방식의 특성상 샘플링 간격이 길어질수록 소음의 순간적인 변화를 충분히 반영하지 못할 가능성이 있기 때문이며, 특히 사격장 소음과 같이 급격한 레벨 변화가 발생하는 경우에는 신뢰성 있는 평가를 위해 적절한 기록 간격의 설정이 요구된다.
본 연구의 목적은 항공기 및 대형화기 사격장의 소음노출레벨 분석 시 시간 평균 방법과 Slow 및 Fast 특성을 적용한 시간 가중 방법 간의 차이를 비교·분석하는 것이다. 또한, 시간 가중 방법 적용 시 소음레벨 샘플링 간격이 소음노출레벨 값에 미치는 영향을 분석하여, 소음 측정의 신뢰성과 일관성을 확보할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
II. 이론적 배경
2.1 시간 가중 음(Time weighted sound)
시간 가중 음은 음향 신호의 변동성을 실시간으로 평균화하기 위해 사용되는 신호 처리 기법이다.[8] 대표적인 시간 가중 방식으로는 Fast와 Slow가 있으며, 각각 0.125 s와 1 s의 시간 상수를 적용하여 신호 변화에 대한 반응 속도를 조절한다. 이는 신호를 지수 함수적으로 가중하여 평균화하는 방식으로, 변화가 빠른 소음에 민감하게 반응하거나, 반대로 완만하게 반응하도록 설정할 수 있다. 시간 가중에 대한 방정식은 Eq. (1)과 같다.[3]
여기서, x(ξ)는 순간적인 입력 신호, y(t)는 출력 신호, τ는 시간 상수이다. 이 식은 현재 시점의 출력값이 과거 입력 신호에 대해 시간 상수 τ에 따라 지수적으로 감소하는 방식으로 가중됨을 보여준다. 시간 상수 τ에 따라 신호의 반응 속도가 결정되며, 출력 신호는 작은 값일수록 빠르게 반응하고 큰 값일수록 느리게 반응하게 된다.
2.2 시간 평균 음(Time averaged sound)
시간 평균 음은 특정 시간 간격 동안 소음 신호의 에너지 수준을 평균화하여 평가하는 방식으로, 입력 신호의 실효값을 평가 시간 동안의 평균값으로 계산하는 방식이며, Eq. (2)와 같이 표현된다.[3]
여기서 x(ξ)는 순간적인 입력 신호(음압의 제곱) 값, y(t)는 출력 신호, T는 평가 시간 간격이다.
소음노출레벨은 특정 이벤트 동안 발생한 소음의 에너지를 합산한 값이며, Eq. (3)과 같은 시간 평균 음 방식으로 계산된다.[3]
여기서, T는 평가 시간(s)이며, p(t)는 시간 t에서의 순간적인 음압, p0는 기준 음압이다.
2.3 항공기, 사격장 소음 평가방법
항공기 소음은 2023년 이후부터 Lden 방식으로 평가되고 있으며, 이는 매 항공기 통과 시마다 소음노출레벨 값을 시간대별로 가중하여 Eq. (4)와 같이 평가하는 방법이다.[4]
여기서,
T : 1일 동안의 측정시간(86,400 s)
T0 : 기준시간(1 s)
LAE,d,i : 낮 시간대 i번째 A-가중 소음노출레벨
LAE,e,j : 저녁 시간대 j번째 A-가중 소음노출레벨
LAE,n,k : 밤 시간대 k번째 A-가중 소음노출레벨
군용항공기의 경우, 2023년 이전까지 민간항공기 소음 평가 시 사용하였던 단위인 Weighted Equivalent Continuos Perceived Noise Level(WECPNL)을 적용하고 있다. 단, 우리나라의 WECPNL은 International Civil Aviation Organization(ICAO)에서 규정한 WECPNL을 근사적으로 평가하기 위해 Slow 시간 가중을 적용한 후 최고소음레벨 LASmax로 근사하여 평가하는 방법이 Eq. (5)와 같이 사용되고 있다.[5]
여기서,
: 1일 동안의 최고소음도(LASmax) 에너지 평균값
N : 1일간 시간대별로 가중한 소음 측정 횟수[N = N2 + 3N3 + 10(N1 + N2)]
N1 : 00시부터 07시까지 소음 측정 횟수
N2 : 07시부터 19시까지 소음 측정 횟수
N3 : 19시부터 22시까지 소음 측정 횟수
N4 : 22시부터 24시까지 소음 측정 횟수
군사격장 소음은 평가 지표로 LRdn이 사용되며, 대형화기 사격의 경우 Eq. (6)과 같이 평가된다.[5]
여기서,
T : 1일 동안의 측정시간(86,400 s)
LRCE,d,i : 낮 시간대 i번째 C-가중 평가소음노출레벨
LRCE,n,j : 밤 시간대 j번째 C-가중 평가소음노출레벨
LRCE : 소음노출레벨에 충격소음 보정치를 합한 평가소음노출레벨, LCE + KL(KL : 18 dB)
III. 연구의 방법
3.1 측정 대상 및 데이터 수집 방법
본 연구에서 사용된 음원 데이터는 항공기 소음과 대형화기 사격장 소음으로 구분되며, 항공기 소음의 경우, 착륙 소음이 주로 발생하는 3개 지점과 이륙 소음이 주로 발생하는 2개 지점에서 데이터를 수집하였다. 군사격장 소음은 자주포, 피탄지, 발칸포 등 대형화기 사격장에서 발생하는 소음을 대상으로 측정하였다. 측정 지점의 세부 사항은 Table 1과 같다.
Table 1.
Measurement conditions for aircraft and large caliber firing range noise.
소음 측정에는 국제 표준인 International Electrotechnical Commission(IEC) 61672-1 Class 1을 준수하는 소음계를 사용하였으며, 모든 장비는 사전에 교정 작업을 수행하였다. 측정된 음원 데이터는 샘플레이트 48 kHz, 24비트 해상도의 WAV 형식으로 기록되었으며, 이후 이 데이터를 기반으로 소음레벨 산출을 위한 분석을 수행하였다.
3.2 데이터 분석 방법
시간 평균 및 시간 가중 방법이 소음노출레벨 결과에 미치는 영향을 분석하기 위해, 항공기 및 군사격장의 10개 측정 지점에서 각 5회씩 측정하여 총 50개의 소음 데이터를 수집하였다. 본 연구는 시간대별 변동성을 분석하는 것이 아니라, 샘플링 간격과 시간 가중 방법이 소음노출레벨에 미치는 영향을 평가하는 것이 목적이므로, 24시간 연속 측정이 아닌 소음이 발생하는 특정 시간대만 측정을 수행하였다.
소음노출레벨 산출을 위한 평가시간을 설정하기에 앞서, 소음의 지속시간을 분석하기 위해 항공기 소음과 사격장 소음 모두 배경소음보다 10 dB 높은 값을 트리거 레벨로 설정하여 사전 분석을 실시하였다. 이때, 배경소음은 측정 지점에서 소음이 발생하지 않는 5 min 동안 측정된 등가소음레벨(Leq)을 기준으로 산출하였다.
사전 분석 결과, 평균 소음 지속시간은 항공기 소음의 경우 약 20 s, 사격장 소음의 경우 약 3 s로 분석되었다. 따라서, 본 연구에서는 평가의 일관성을 유지하기 위해, 소음노출레벨 산출 간격을 해당 지속시간과 동일하게 설정하여 모든 음원에 일괄 적용하였다. 소음 지속시간은 측정 지점별로 차이가 있을 수 있으나, 본 연구는 시간 특성 및 샘플링 간격이 소음노출레벨에 미치는 영향을 분석하는 데 초점을 맞추었으며, 다른 요인의 영향을 최소화하기 위해 지속시간을 일정하게 적용하였다.
시간 평균과 시간 가중을 사용하여 소음노출레벨을 분석하기 위한 절차는 Fig. 1과 같다.
먼저, 항공기 소음 데이터는 인간의 청감 특성을 반영하기 위해 A-weighting 보정 적용하였으며, 군사격장 소음 데이터는 저주파 소음의 특성을 반영하기 위해 C-weighting 보정이 적용되었다. 보정된 신호는 RMS 값을 기반으로 한 소음노출레벨을 산출하는 데 활용하였으며, 이를 기준 소음노출레벨로 표현하여 시간 가중 특성을 적용하여 산출된 소음노출레벨 결과와 비교하기 위한 기준값으로 사용하였다.
다음으로, 시간 가중 방식으로 Slow와 Fast를 신호에 적용하고, 0.01 s, 0.1 s, 1 s의 3가지 시간 간격으로 기록된 후 각각의 소음노출레벨을 산출되었으며, 이를 기준 소음노출레벨(SELRef)로 비교하였다. 이를 통해 시간가중 특성과 시간간격의 선택이 소음노출레벨 추정치의 변동성과 정확성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
IV. 결과 및 논의
4.1 시간 가중 및 시간 평균 방법 비교
시간 가중 및 시간 평균 방법을 적용했을 때 소음 레벨의 변화를 구체적인 시간 이력으로 확인하기 위해, 항공기 소음은 Point 1 지점, 군 사격장 소음은 Point 6 지점의 음원을 샘플로 선정하여 분석하였다. 이를 바탕으로 0.01 s 간격으로 시간 흐름에 따른 소음 레벨을 그래프로 나타내었으며, 소음노출레벨에 대한 분석을 수행하였다. Fig. 2는 항공기 1대가 통과할 때의 소음 레벨의 시간 이력을 나타내며, 위쪽 그래프는 0.01 s 간격으로 기록된 데이터를, 아래쪽 그래프는 1 s 간격으로 다운샘플링된 그래프를 0.01 s의 RMS 값과 비교하여 나타낸 그래프이다.
항공기 소음의 경우, 시간 평균 방법을 적용하면 소음 신호의 순간적인 변화를 보다 세부적으로 확인할 수 있었다. 반면, Slow 시간 가중 특성은 이러한 변동을 보다 완만하게 분석하였다. Fast 특성은 시간 평균 방법과 유사하게 순간적인 소음레벨 변화를 나타내지만, 시간 평균 방법보다는 음압레벨의 변동이 다소 완만하게 반영됨을 확인할 수 있었다.
소음노출레벨과 등가소음레벨을 시간 평균 및 시간 가중 방법에 따라 분석한 결과, 소음레벨 간의 차이는 0.05 dB 미만으로 나타났다. 이는 항공기 소음이 비교적 연속적이고 안정적인 특성을 가지므로, 시간 특성에 따른 영향이 적은 것으로 판단된다.
한편, 최고소음레벨(Lmax)의 경우 시간 가중 방식(Fast, Slow)에 따라 0.8 dB 차이가 발생하였으며, 이는 Fast 특성이 음압레벨 변동에 Slow보다 민감하게 반응하기 때문으로 판단된다. 단, 최고소음레벨은 원칙적으로 시간 가중을 적용한 후에 평가되는 것이므로,[4] 최고소음레벨을 시간 평균 방식이나 1 s 간격으로 샘플링한 그래프에서는 산출하지 않았다.
Fig. 3와 같이, 사격장 소음의 경우 시간 평균 방식과 시간 가중 방식 간의 차이가 항공기 소음보다 더 크게 나타났다. 특히, Slow 시간 가중 방식은 순간적인 사격 소음 레벨 변동을 충분히 반영하지 못하였으며, 이로 인해 소음노출레벨 및 등가소음레벨(Leq)의 차이도 0.3 dB 정도로 더 크게 발생하였다. 또한, Fast 특성과 Slow 특성 간의 최고소음레벨(Lmax) 차이 역시 7.6 dB로 크게 나타났다.
Fast 및 Slow 특성을 적용한 후 1 s 간격으로 기록한 데이터를 0.01 s 간격 RMS와 비교한 시간 이력 그래프를 분석한 결과, Fast 특성이 순간적인 소음 레벨 변동을 충분히 반영하지 못하여 소음 레벨이 면밀하게 기록되지 않는 현상이 발생함을 확인할 수 있었다. 0.01 s 간격 분석에서는 최고 소음도가 92.7 dB(C)로 나타났으나, 1 s 간격에서는 최고 소음도 발생 전후에서 약 70 dB(C) 수준으로 기록되어 실제 값보다 상당히 낮게 반영된 것을 확인할 수 있었다.
Slow 특성 또한 충격 소음의 세부적인 변화를 충분히 반영하지 못하였지만, 1 s 간격으로 기록된 값과 소음노출레벨, 등가소음레벨(Leq)은 Fast 특성보다 더 높은 값으로 기록되었다. 이는 Slow 시간 가중 특성이 1 s 간격으로 기록된 경우에도 큰 시간상수 값으로 분석하기 때문에, 주요 음압레벨을 포함할 수 있었던 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고, Slow 특성으로 기록된 소음노출레벨 값과 기준 소음노출레벨 간의 차이는 3.7 dB로 나타났으며, 이는 0.01 s 간격으로 기록하여 분석한 소음노출레벨과의 차이값인 0.3 dB보다 더 높은 것으로 분석되었다.
4.2 소음노출레벨 분석 결과
총 50개 음원에 대해서 시간 평균 방식으로 산출한 기준 소음노출레벨 값과 시간 가중 방식을 적용하여 1 s, 0.1 s, 0.01 s 간격으로 기록하여 분석한 소음노출레벨 값 간의 차이를 분석한 결과는 Table 2와 같다.
Table 2.
Comparison of SEL differences between time weighted and averaging for aircraft and large caliber firing range noise.
항공기 소음의 경우, 모든 소음노출레벨 값 간의 편차가 0.4 dB 미만으로 나타나, 시간 평균 및 시간 가중 방식의 영향이 크지 않은 것으로 분석되었다. 또한 샘플링 간격이 세분화될수록 소음노출레벨 차이의 감소하는 경향이 확인되었으며, Fast 특성을 적용하고 0.01 s 및 0.1 s 간격으로 기록한 경우 기준 소음노출레벨과의 0.05 dB 미만으로 분석되었다. 반면, Slow 특성을 적용한 후 1 s 간격으로 기록된 소음노출레벨 값의 절대평균오차(Mean Absolute Error, MAE)는 약 0.1 dB로 분석되었다.
사격장 소음의 경우, 소음노출레벨의 차이는 항공기 소음에 비해 상대적으로 크게 나타났으며, 기존 군사격장 소음 기록 방식인 1 s 간격 Slow 특성을 적용할 경우 기준 소음노출레벨 값과 최대 4.5 dB의 편차가 발생하였다. 또한, 시간 간격을 0.01 s 또는 0.1 s로 세분화하더라도 1 dB 미만의 편차가 지속적으로 관찰되었다. 반면, Fast 특성을 1 s 간격으로 적용한 경우 소음노출레벨의 절대평균오차 및 표준 오차가 4 dB 이상으로 크게 나타났다. 그러나 0.01 s 간격으로 기록한 경우, 편차가 0.05 dB 미만으로 적게 나타났다. 이는 군사격장 소음이 짧고 강한 충격음을 포함하고 있으므로, 시간 가중 방식과 샘플링 간격에 따라 소음노출레벨 값의 차이가 크게 발생한 것으로 판단된다.
4.3 평가방법에 대한 고찰
우리나라의 항공기 및 군사격장 소음 평가방법에서는 모두 시간 가중 특성으로 Slow를 적용하도록 규정되어 있다. 그러나 소음노출레벨을 산출할 때 적용되는 기록 방식은 항공기 소음과 군사격장 소음에서 차이가 있다. 항공기 소음의 경우,｢소음·진동공정시험기준｣에 따라 1 s 단위의 등가소음도 LAeq,1s를 기록하도록 명시되어 있다. 반면,｢군용비행장·군사격장 소음영향도 조사 예규｣에서는 샘플링 주기를 1 s 이내에서 결정하도록 규정하고 있으며, 대형화기 사격장의 경우 LCeq,1s를 산출하도록 명시되어 있다.[5,6] 즉, 항공기와 군사격장 소음 평가방법 모두 Slow 특성을 적용하도록 명시되어 있지만, 시간가중 특성인 LAS, LCS을 적용한 것이 아니라, 시간 평균 방식의 단위인 LAeq,1s, LCeq,1s를 사용하고 있음을 확인할 수 있다.
그러나 측정자가 이를 잘못 해석하여 단순히 1 s 단위로 기록된 Slow 시간 가중 소음 레벨을 사용할 경우, 항공기 소음에서는 약 0.1 dB, 사격장 소음에서는 약 2 dB 정도의 편차가 발생할 가능성이 있다. 그러나 소음 측정 기기가 1 s 간격의 시간 평균 방식으로 산출할 수 없거나, 장기간 기록 후 분석이 필요한 특정 상황에서는 시간 가중 방식을 사용하여 소음 레벨을 기록해야 할 수도 있다. 따라서, 소음노출레벨 산출 방법에 대해 시간 가중 방식과 시간 평균 방식을 명확히 구분하고, 이를 구분하여 적용할 수 있는 세부적인 기준을 마련할 필요가 있다.
Table 3은 민간항공기, 군용항공기 및 군사격장 소음 평가 시 현행 규정과 본 연구를 통해 도출된 변경 제안 사항을 정리한 것이다. 민간항공기의 경우, 소음노출레벨 산출을 위해 0.1 s 간격의 Fast 특성을 적용한 기록 방식을 제안하였으며, 군사격장의 경우에는 소음의 순간적인 변동성을 충분히 반영하기 위해 0.01 s 간격의 Fast 특성을 적용하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
Table 3.
Proposed modifications to noise evaluation methods based on sound source types.
군용항공기의 경우, 현행 평가 방식인 WECPNL에서는 Slow 시간 가중 특성을 적용한 최고소음레벨 LASmax로 평가하는 방법이 적용되고 있다.[6] 따라서 Fast 특성을 적용한 최고소음레벨 LAFmax는 사용되지 않으며, 또한 민간항공기와 달리 1 s 간격으로 LAeq,1s를 기록하지 않는다는 점에 유의할 필요가 있다.
본 연구의 범위에서는 소형화기 사격장이나 헬리콥터 소음 등 다양한 소음원을 대상으로 분석하지 않으므로, 추후 연구에서는 더 많은 종류의 항공기 및 사격장 소음 음원에 대한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
V. 결 론
본 연구에서는 항공기 및 사격장 소음레벨 산출 시 시간 특성과 기록 간격이 소음노출레벨에 미치는 영향을 분석하였다. 현재 국내 소음 평가 기준은 시간 평균 방법과 시간 가중 방법이 혼재된 상태로 규정되어 있으며, 구체적으로는 Slow 시간 가중을 적용한 1 s 단위 등가소음레벨(Leq)을 산출하도록 명시되어 있다. 이로 인해 측정자의 해석 방식이나 장비의 신호 처리 특성에 따라 소음노출레벨 산출 결과에 편차가 발생할 수 있으며, 사격장 소음의 경우 이러한 편차가 항공기 소음에 비해 상대적으로 크게 나타났다.
따라서, 정확한 소음노출레벨 분석을 위해서는 시간 평균 방식을 적용하거나, 보다 짧은 간격의 시간 가중 방식을 적용하는 것이 필요하다. 이를 바탕으로, 항공기 소음에는 Fast 시간 가중을 적용한 0.1 s 간격 기록이, 사격장 소음에는 Fast 시간 가중을 적용한 0.01 s 간격 기록이 적절한 것으로 판단된다.
본 연구는 소음 평가 시 시간 가중 방식 및 기록 간격 설정에 대한 개선 방향을 제시함으로써, 향후 소음 영향도 조사 및 평가의 신뢰성을 높이기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
