I. 서 론
II. 실험방법
2.1 잔향실법 흡음측정
2.2 피험자 구성
2.3 의복
2.4 착의량 계산
2.5 착의량에 따른 만석 객석의자 흡음률
III. 실험결과 및 토의
3.1 겉옷 탈의시 각 피험자의 흡음특성
3.2 착의량 지표와 흡음의 상관관계
3.3 겉옷 소재에 따른 흡음특성
3.4 착의량에 따른 만석 객석의자 측정
IV. 토의 및 결론
I. 서 론
실내공간의 음향예측을 위해 마감재의 흡음특성을 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 그러나 면으로 모델링하기 힘든 인체의 특성 때문에 재실자의 흡음력은 일반적으로 고려하지 않고 있다. 공연공간의 경우에만 특수하게 만석의 의자 조건[1]이나 연주자의 흡음력[2]을 고려하고 있으며 따라서 공연장 좌석의 흡음률도 만석기준으로 산정되어야 한다. 그러나 만석이라고만 되어 있을 뿐 착의조건은 명시하지 않고 있다. 만석좌석의 흡음률은 착의량에 따라 편차가 크게 발생[3]하나 착의량의 변화에 따른 흡음률의 변화에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 또한 만석시 좌석의 흡음률 측정을 위한 착의량에 대한 구체적인 정의도 되어 있지 않아 착의조건을 제시할 수 없는 실정이다.
인체의 흡음특성[4]이나 착의량에 따른 흡음특성[5]에 대한 연구는 1960년대부터 간헐적으로 시도되었으며 최근 1인에 의한 인체의 흡음 및 확산을 시도한 사례[6]가 있으며 최근 Martellotta et al.[3]은 성당의 신도 점유에 따른 흡음특성의 실험실 측정을 진행하면서, 하계 및 동계 착의량에 따른 비교와 더불어 Kath의 연구결과[5]에 더해 의복의 열저항에 대한 주파수 대역 흡음율 변화를 비교한 바 있다.
그러나 기존 연구에서 의복 재질에 대한 영향은 고려되지 않았다. Choi and Bang[7]은 면, 마 등의 섬유소재 및 배면 부직포 등의 섬유층 구성에 따른 흡음특성을 관내법[8]을 이용하여 비교하였다. 그 결과, 소형시편으로 측정한 흡음특성은 섬유소재에 따라 큰 차이는 보이지 않았지만, 배면 섬유층 구성에 따라서는 고주파수 대역에서 3배 이상의 흡음율 차이도 관찰되었다. 실제 의복은 다양한 섬유소재를 이용하여 복잡한 다층구성을 보이기 때문에, 이에 따른 영향을 검토할 필요가 있다.
독립 흡음체에 대한 정확한 잔향실법 흡음특성을 도출하기 위해서는 측정표준[9]에서 요구하는 최소 시험체 면적의 충족(적어도 3개 이상의 독립흡음체로, 각 흡음체당 2 m 이상 거리 유지)이 필요하지만, 본 연구에서는 기초연구로서 착의량 변화만의 영향을 평가하기 위해 1966년 Kath의 연구[5]에서나, 최근 2004년 Conti et al.[6]의 연구에서도 적용된 바 있는 피험자 1인에 대한 잔향실법 흡음성능을 측정하였다. 이 측정방법은 피험자 1인에 대한 음향특성을 잔향실에서 측정하는 것으로 특정 소재에 대한 일반화된 흡음특성을 대표하는 것은 어렵지만, 초기 단계의 접근방법으로 상대적인 비교에 적용될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 섬유소재의 의복 변화에 따라 실제 사람 1인의 주파수 대역별 흡음면적을 측정하여, 착의량에 따른 인체의 흡음특성을 상대적으로 평가하였다. 또한 실제 공연장 객석의자의 만석시 흡음성능을 측정할 때 겉옷의 유무를 비교하여 착의조건이 흡음성능에 미치는 영향을 고찰하였다.
II. 실험방법
2.1 잔향실법 흡음측정
착의량 측정은 KS F 2805의 표준에 적합한 잔향실에서 진행하였다. 잔향실은 벽두께 250 mm의 철근콘크리트 구조로서, 대향벽이 없는 부정형 7면체로 구성되어 있었고, 총 면적 15 m2의 강화플라스틱 확산체가 천장에 설치되어 있었다. 잔향실의 용적은 209.7 m3이고, 표면적은 203.9 m2이다.
흡음면적을 측정하기 위해 무지향성 스피커(Falm, DO12)를 2지점에 설치하였고, 1/2인치 마이크로폰(G.R.A.S., 40AE) 6개를 이용하여, 총 12개의 감쇠곡선을 도출하여, 주파수 대역별 흡음면적을 산출하였다. 흡음특성은 1/3 옥타브 밴드의 100 Hz에서 5 kHz로 구분하여 분석하였고, 측정시의 환경조건으로 실내 온도는 17.5 °C ~ 18.7 °C, 상대습도는 48.2 % R.H. ~ 55.5 % R.H., 대기압은 997.0 hPa ~ 999.7 hPa였다.
2.2 피험자 구성
실험은 기존 연구[6]의 측정방법을 준용하여 Fig. 1과 같이 잔향실 중앙에 피험자 1인이 청력보호구를 착용하고 서 있는 상태에서 진행하였다. 피험자는 총 5인으로 남자 4인, 여자 1인으로 구성되어 있고, 피험자의 연령은 24세 ~ 47세, 신장은 163.2 cm ~ 183.0 cm, 의복을 제외한 체중은 54.2 kg ~ 79.7 kg의 범위로 분포하였다.
2.3 의복
각 피험자는 실내활동 상황을 모사하기 위해 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 일반적인 내의 및 상하의, 양말 및 신발을 착용하였다. 하의는 청바지, 면바지, 기모바지를 착용하였고, 상의는 긴팔 셔츠를 착용하였다. 착의량 변화에 의한 영향을 살펴보기 위하여 Table 1과 같이 8종의 의복에 대하여 실험을 진행하였다.
2.4 착의량 계산
의복에 따른 착의량은 단열성과 관련된 열저항성능과 더불어 체표면적당 무게의 두 가지 측면에서 계산하였다. 열저항성능은 일반적인 착의량 계산표[10]를 참고하여 피험자 및 겉옷 착의상태에 따라 개략적인 clo 단위로 계산하였다. 1 clo는 0.155 m2°C/W의 열저항성능을 의미한다. 또한 피험자의 체표면적당 무게로 착의량을 계산하였다. 피험자의 체표면적(Body Surface Area, BSA)은 1916년 제안되어 현재까지 널리 이용되고 있는 Du Bois와 Du Bois[11]의 예측식을 활용하였으며 Eq. (1)과 같이 계산하였다.
BSA = (W0.425 × H0.725) × 0.007184 (m2) , (1)
W: Weight (kg)
H: Height (cm)
각 피험자의 착의조건에 따른 착의량은 Table 2에 표시하였다. 계산 결과, 체표면적당 무게와 총의복 무게는 0.94의 유의한 상관계수를 보였으며, 체표면적당 무게와 clo값은 0.82의 상관계수를 보였다.
2.5 착의량에 따른 만석 객석의자 흡음률
실제 공연장에 적용되는 객석의자를 대상으로 만석시 피험자의 겉옷의 착용 유무에 따라 흡음성능에 어느정도 차이를 보일 수 있는지 알아보았다. 공연장에서 많이 사용되는 객석의자 20석을 4각 5열 배치로, 1 m 간격으로 배치하였고, 동일한 의자와 피험자에 대해 겉옷을 입었을 때와 벗었을 때의 흡음특성을 측정하였다.
III. 실험결과 및 토의
3.1 겉옷 탈의시 각 피험자의 흡음특성
Fig. 2는 겉옷을 입지 않은 각 피험자의 주파수 대역별 흡음면적 측정결과를 나타낸다. 1 kHz 이상에서 0.4 이상으로 고주파 대역으로 올라갈수록 크게 나타났다. 피험자에 따른 범위는 1 kHz 이하에서 0.2 이내의 평탄한 범위를 보였지만, 1,250 Hz 이상에서 피험자간 편차가 크게 나타났다. 특히, 4 kHz와 5 kHz에서 최대-최소간 편차는 0.8 이상으로 나타났다. 이것은 기존 섬유소재 연구결과[7]에서 일반적으로 나타나는 고주파수 대역의 흡음이 두드러지는 경향과 유사하다.
3.2 착의량 지표와 흡음의 상관관계
Table 3는 겉옷을 착용한 후 측정한 피험자 1인당 흡음면적에 대해 1/1 옥타브 밴드로 환산한 뒤 clo 단위의 착의량, 체표면적당 의복무게, 총 착의무게와의 상관계수를 나타냈다. 열저항으로 환산할 수 있는 clo 단위의 착의량의 경우, 250 Hz 이상에서 모두 유의한 관계를 나타냈고, 1 kHz와 2 kHz에서 0.7 이상의 높은 상관도를 보였다. 체표면적당 의복무게의 경우 250 Hz에서 2 kHz 대역에서 유의한 상관계수를 보였고, 500 Hz와 1 kHz에서 0.7 이상의 높은 상관도를 보였다. 한편, 총 착의무게는 전 주파수 대역에서 모두 유의한 상관계수를 보였다. 특히 250 Hz ~ 1 kHz 대역에서 0.8 이상의 매우 높은 상관도를 보였다. 따라서, 착의량에 따른 흡음성능의 예측과 관련하여, 저중주파수 대역의 경우 총 착의무게를 고려하고, 고주파수 대역의 경우 clo 단위의 착의량을 고려할 수 있다고 사료된다.
Table 3. Correlation coefficient of one octave band absorption area among wear amount index (*: p<0.05,**: p<0.01). |
Table 4와 Figs. 3과 4는 1/1 옥타브 밴드의 전체 측정결과에 대해 각각 단열성능으로서 clo 단위의 착의량과 총 착의무게에 따른 피험자 1인당 흡음면적의 산포도를 나타내었다. clo 단위의 착의량은 고주파수 대역으로 갈수록 선형회귀 분석의 기울기가 0.04에서 1.02로 증가하는 경향을 보였고, 총 착의무게는 2 kHz까지 기울기가 0.05에서 0.7로 증가하다가, 고주파수 대역에서는 0.45 내외로 머무는 것으로 나타났다.
3.3 겉옷 소재에 따른 흡음특성
Fig. 5는 겉옷 소재에 따른 흡음특성을 비교하기 위해 각 겉옷별로 피험자 개인의 흡음면적 측정결과를 평균하여 1/3 옥타브 밴드의 주파수 대역으로 표시하였다. 그 결과, 모직 소재의 겉옷의 경우 주파수 대역이 높아질수록 흡음면적도 커지는 경향을 보였고, 2 kHz 이상의 고주파 대역에서는 모직 소재의 겉옷이 가장 큰 흡음면적을 나타내는 것으로 나타났다. 나일론 소재나 면 소재의 경우, 모직 소재와 유사하지만 다소 낮은 흡음면적을 보였다.
한편 표면이 매끈한 폴리에스터 소재의 경우 겉옷의 무게가 증가할수록 1 kHz 내외의 중주파수 대역에서 크게 나타났으나, 1,600 Hz 이상의 고주파수 대역에서는 표면의 흡음력이 억제되어 오히려 clo값이 낮은 모직 소재의 겉옷보다도 흡음면적이 낮거나 비슷하게 나타났다. 겉옷을 입었을 경우, 입기 전이나 경량의 겉옷에 비해 주파수 대역별 흡음면적은 두 배 이상 차이날 수 있었다.
3.4 착의량에 따른 만석 객석의자 측정
앞서 측정한 겉옷의 소재에 따라 개인별 흡음면적의 차이만으로는 공연장 음향성능 예측시 활용하는 만석시 객석의 흡음성능 결과에 바로 적용할 수 없다. 따라서 Fig. 6과 같이 만석시 착의량에 따른 객석의자의 흡음성능을 측정하였다. 흡음계수의 도출은 격벽이 없는 상태에서 Barron의 기존 연구[12]에 따라 0.5 m 스트립의 부가 바닥면적을 고려하여 산출하였다. 측정결과 Fig. 7에서와 같이 공연장에 사용되는 객석의자의 만석시의 흡음계수는 외투 착의에 따라 주파수 대역별로 최대 0.2까지 차이가 날 수 있었다. 연주자의 흡음특성으로 언급되는 BBC의 측정결과[13]도 실험시의 착의조건은 언급되어 있지 않다. 따라서 만석시 객석의 흡음계수 측정시 요구되어지는 최대 착의량 조건에 대한 제시가 필요할 것으로 사료된다.
IV. 토의 및 결론
본 연구는 피험자 5인에 대해 다양한 소재의 겉옷 착용에 따른 잔향실법 흡음면적 측정결과를 비교하였고, 그 결과, 겉옷의 소재와 무게에 따라 흡음면적이 두 배 이상 차이가 날 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 흡음계수가 전주파수 대역에서 동일하게 변화하지 않기 때문에 겉옷의 물리적 지표를 인용하여 외피와 내피에 반사재질이나 흡음재질이 어떻게 영향을 미치는지 주파수 대역별로 분석하였다. 실제 공연장 객석의자 만석의자 측정시 외투착의에 따라 0.2 이상 흡음계수 차이가 날 수 있으므로, 착의조건에 대한 명시는 반드시 필요하다 할 수 있다.
향후 본 연구결과를 바탕으로 독립흡음체 시험조건에 만족하는 추가 실험을 통해, 착의조건에 따른 일반화된 흡음변화 양상을 연구할 필요가 있으며, 이를 바탕으로 만석 객석의 흡음계수 평가를 위한 표준 착의량을 제시할 필요가 있다. 또한 보다 실제적인 실내 음장의 예측을 위해 재실재의 흡음특성에 대한 고려는 더 증가할 것이며 이에 따라, 공간의 특성에 따라 공연장에서의 관객, 교실에서의 학생 등 표준화된 착의조건을 규정하고, 나아가 계절에 따른 변인, 인체조건을 모사한 마네킹 등의 표준더미의 개발 등에 대해 연구할 필요가 있다.
