I. 서  론

학교 교실은 학생들의 교육이 대부분 이루어지는 공간으로 적절한 청취환경을 제공해야 한다. 여기서 적절한 청취환경이란 적절한 잔향시간과 높은 명료도, 낮은 배경소음에 의해 결정된다. 특히 교실에서 학생은 학습 정보를 교사의 음성으로 전달받기 때문에 낮은 배경소음을 유지하는 것은 매우 중요하다.

해외에서는 배경소음과 학업성취도의 상관관계에 대해 많은 연구가 이루어지고 있는데, 교실의 배경소음이 학생들의 독해 능력 등 학업성취도에 영향을 미치며,^[1] 높은 배경소음이 학업성취도를 저하시킨다는 결과가 발표된 바 있다. ^[2-4] 이러한 연구결과를 바탕으로 미국과 영국에서는 교실 설계 시 인접공간에 따른 실간 벽체의 차음성능 기준과 이를 만족하기 위한 다양한 가이드라인을 제시하고 있다.^[5,6]

대한민국에서는 1980년대 이후부터 학교 교실의 음환경에 대한 관심이 증가하고 있으며 다양한 연구를 진행하고 있다. 특히 실내외 소음에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있는데 이 중 교실에 설치된 에어컨 타입에 따른 소음의 종류와 이것이 학생의 음성 인지성능에 미치는 영향을 음성명료도 평가를 통해 밝혀낸 바 있다.^[7] 또한 한 연구에서는 외부소음 및 실내소음이 수업 중에 피해를 줄 수 있으며 주로 수업의 흐름이 중단되어 산만해진다는 것을 설문조사를 통해 알아낸 바 있다.^[8]

이러한 연구결과를 바탕으로 최근에는 청취 성능을 바탕으로 한 교실의 학습 환경 개선 연구가 다수 진행되고 있다. 그 결과 외부소음도에 따른 창호 유리의 두께, 실내소음도에 따른 창호의 차음성능 권고치가 제시된바 있다.^[9] 또한 초등학교 교실에서 채광 및 차음성능을 고려한 외부벽체의 창/벽체 비율을 발표하였다.^[10]

그러나 지금까지의 국내 연구들은 외부벽체 및 창호의 차음성능에 대한 연구가 이루어지지 않았으며, 교실간 벽체에 대한 조사 또한 부족한 상황이다. 또한 수업 진행 시 인접 교실의 학생들에게 전달되는 측로전달소음에 대해 고려되지 않고 있다.

본 연구에서는 대한민국 충북 청주시에 위치한 중학교 교실의 외벽 및 내벽의 차음성능과 측로전달소음 실태를 조사하였다. 이를 위해 총 8개 중학교의 교실 외벽 및 내벽의 구조를 조사하였으며, 그 중 2개 학교를 선정하여 실험을 통해 차음성능 및 측로전달소음을 측정하였다.

II. 연구의 방법

외국의 경우 일찍이 학교 건축물 및 학습 교실에 대한 세부적인 음향기준을 설정하여 이를 관리하고자 하는 노력이 꾸준히 이루어지고 있다. 특히 미국 및 영국의 경우 공간의 규모 및 용도를 바탕으로 실내 잔향시간부터 암소음레벨 등에 대해 상세히 규정하고 있다. 특히 Tables 1과 2에 정리되어 있는 바와 같이 인접 공간의 성향을 고려해 실간 벽체의 차음성능에 대한 기준 또한 보유하고 있으며 그 중에는 교실의 벽체 또한 포함되어 있다.

대한민국의 경우 건축물의 내외벽 차음성능을 측정하고 평가하기 위한 다양한 국가표준이 마련되어 있으며, 그 대상 또한 건물 전체 및 건물 부재로 구분하여 상세하게 규정하고 있다. 특히 공동주택의 경우 주택건설기준 등에 관한 규정을 통해 세대간 벽체의 차음성능 등급을 설정해 신축 시 이를 준수하도록 법제화하고 있다. 그러나 대상 건축물의 범위가 주택법에서 지정하는 공동주택에 한정되어 있으며 대상 부위 또한 세대간 벽체에 국한되어 있다. 한편 학교 건축물의 경우 소음‧진동관리법 및 시행규칙을 통해 외부 소음에 대한 법규가 마련되어 있으나 교실로 유입되는 소음을 제어하기 위한 기준 및 법률이 마련되지 않은 실정이다.

따라서 본 논문에서는 교실간 벽체(내벽)의 차음성능을 비교하고 그 적정성을 평가하는데 있어서 미국 및 영국의 기준을 참고하고자 한다.

Table 1. The acoustic performance standards for the United States classrooms (unoccupied).[5]

Table 2. The acoustic performance standards for the United Kingdom classrooms (unoccupied).[6]

Table 3. Structure of walls depending on the construction types.

2.1 실험대상의 선정

실내외 소음에 대한 학교교실 벽체의 차음성능을 조사하기 위해서는 실험대상 선정이 중요하다. 본 연구에서는 실험대상 학교를 선정함에 있어서 우선 학교 건축물을 시공방식별로 분류하였다.

대한민국의 학교 건축은 건립년도에 따라 시공방식은 크게 4가지로 구분되며, 그 내용으로는 표준설계도서(standard design document), 공개경쟁(public tender), 현상공모(design competition), BTL(Build Transfer Lease) 입찰 방식을 들 수 있다. 본 연구에서는 이상의 분류에 따라 청주시 내 중학교를 시공형태 별로 2개소씩 선정하여 외부벽체 및 실간벽체에 대하여 조사하였으며 그 결과는 다음 Table 1에 나타난 바와 같다.

대한민국 교실의 벽체 구조 조사 결과 표준설계도서와 공개경쟁의 형태는 대부분 지어진 지 오래된 학교들로 조사되었다. 외부벽체의 경우 일반유리로 이루어진 창호를 이중으로 배치하여 사용하고 있으며 실간벽체는 시멘트 벽돌을 쌓아서 만든 습식공법으로 총 두께가 210 mm인 것으로 나타났다.

반면 현상공모와 BTL의 경우 2000년대 이후에 지어진 학교의 형태로 외부벽체는 단일창이지만 복층유리를 사용한 창호로 이루어져 있다. 또한 실간 벽체는 석고보드를 이용한 건식벽체를 사용하고 있으며 두께는 135 mm ~ 150 mm로 습식벽체보다 두께가 얇은 것으로 나타났다.

본 연구에서는 유사한 벽체구조를 가진 표준설계도서와 공개경쟁, 현상공모 형식의 학교 중 1개소와 BTL 입찰 방식의 학교 중 1개소를 선정하였다. 실험대상 학교는 1986년에 표준설계도서를 바탕으로 건축된 B학교와 가장 최근에 설립된 H학교이다.

2.2 교실 외벽의 차음성능 측정 및 평가 방법

실험대상으로 선정된 교실의 외벽 차음성능을 측정은 2015년 7월에서부터 8월에 걸쳐 진행되었다. 모든 실험은 KS F 2235를 준수하였으며 공석시에 수행하였다 . 음원의 경우 외벽으로부터 7 m 떨어진 거리에 지향성 스피커를 45°±5°의 입사각으로 설치하였으며 출력레벨은 90 dB 이상으로 설정하였다. 수음점은 교실의 내외부 모두에 설치하였는데, 실외의 경우 벽체로부터 스피커 방향으로 2 m 떨어진 위치에 1개소 설치하였으며 실내에는 교실의 4개 모서리를 포함해 중앙부에 5개소 배치하였다. 모든 수음점은 바닥으로부터 1.5 m 높이에 설치되었다. 학교 교실의 외벽 차음성능 측정시 음원과 수음점의 설치 위치는 Fig. 1에 자세히 나타내었다.^[11]

Fig. 1.

Measurement positions of sound source and receivers for exterior noises.

교실 외벽의 차음성능을 비교‧평가하기 위하여 측정결과를 바탕으로 표준화 음압레벨차(D_ls,2m,nT)을 산출하였으며, 이는 아래의 Eq. (1)로 산출할 수 있다. 이때 단위는 dB을 사용한다.

, (1)

여기서 L_1,2m은 실외에서 외벽으로부터 전방 2 m에 위치한 수음점(R6)에서 측정한 음압레벨을 L₂는 수음실 내에서 측정한 평균 음압레벨을 의미한다. 그리고 T는 교실 내에서 측정한 잔향시간을 T₀는 보정계수로써 그 값은 0.5 s이다.

이렇게 산출된 주파수대역별 표준화 음압레벨차(D_ls,2m,nT) 값은 스펙트럼 조정항을 이용해 단일수치평가량인 가중 표준화 음압레벨차(D_ls,2m,nT,w)로 환산할 수 있다.^[11]

2.3 교실간 벽체의 차음성능 측정 및 평가 방법

교실간 벽체의 차음성능 측정을 위하여 KS F 2809를 준수해 실험을 진행하였다. 음원은 무지향성 스피커를 음원실의 중앙에 설치하여 90 dB의 높은 음원을 발생시켰으며, 수음점의 경우 음원실의 경우 음원으로부터 1 m 떨어진 위치에 1곳 설치하였다. 한편 수음실에서는 학생이 위치한 장소의 4개 모서리 및 중앙점을 포함해 총 5개소에 측정점을 선정하였으며 모두 바닥으로부터 1.5 m 높이에 설치하였다. 실험시 측로전달소음의 유입을 막기 위해 모든 창문 및 문을 닫고 수행하였다. 다음 Fig. 2에서는 설치한 수음점의 위치를 보여주고 있다.^[12]

Fig. 2.

Measurement positions of sound source and receivers for noise between classrooms.

교실에서 측정된 결과는 KS F 2868에 명시된 표준화음압레벨차(D_nT,W)를 통해 분석하였으며, 이를 Tables 1 및 2의 미국과 영국 기준을 참고하여 평가하였다.

교실간 벽체의 성능을 평가하기 위하여 음원실과 수음실의 음압레벨 차를 바탕으로 단일 수치 평가량을 산출하였다. 본 논문에서는 미국과 영국에서 설정한 교실간 벽체 차음성능 기준을 모두 비교하기 위하여 측정결과를 바탕으로 투과손실(TL)과 표준화음압레벨 차(D_nT)를 산출한 뒤 각각의 단일수치 평가량인 음향투과등급(STC)^[5]와 가중 표준화 음압레벨차(D_nT,w)^[6]과 비교함으로써 대상 학교의 교실간 벽체 차음성능을 평가하였다.

투과손실(Transmission Loss, TL)은 아래의 Eq. (2)를 통해 계산되며 단위는 dB을 사용한다.

, (2)

이때 Ls는 음원실의 평균 음압레벨을 나타내며 L_r은 수음실에서 측정된 평균 음압레벨의 의미한다. 또한 S_w와 R_r은 각각 음향투과 면적(m²)과 수음실의 흡음력(m²‧sabine)을 의미한다. 따라서 TL 값이 클수록 부재의 차음성능이 높은 것을 의미한다.

한편 표준화 음압레벨차(D_nT)는 아래의 Eq. (3)을 이용해 산출할 수 있다.

 (dB),    (3)

여기서 L₁과 L₂는 각각 음원실의 음압레벨과 수음실 음압레벨을 나타내며 T는 수음실 잔향시간, T₀는 잔향실에 대한 보정계수로써 0.5 s를 나타낸다. 표준화음압레벨차 역시 그 값이 클수록 건축 부재의 차음성능이 높은 것을 의미한다.

위 공식을 통해 산출된 투과손실(TL)과 표준화 음압레벨차(D_nT) 결과는 각각 스펙트럼 조정항에 의해 단일 수치 평가량인 음향투과등급(STC)과 가중 표준화 음압레벨차(D_nT,w)로 표현 될 수 있다.^[12]

다만 음향투과등급(STC)의 경우 일반적으로 실험실에서 이루어지는 것이므로 본 논문에서 측정한 결과 값을 FSTC(Field Sound Transmission Class)로 표현하였다. FSTC의 경우 일반적으로 STC값에 비해 5-8정도 낮은 값을 보인다.^[13]

2.4 측로전달소음 측정 방법

교실에서 수업 진행 시 인접 복도 및 교실에서 전달되는 소음의 영향을 조사하기 위하여 측로전달소음을 측정하였다. 측정시 교실에서 측로전달소음이 전달될 수 있는 상황을 아래와 같이 3가지로 구분할 수 있으며 Fig. 3과 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 3.

Measurement modes for flanking noise between classroom.

(a)문과 창문을 모두 열었을 경우 (all opened)

(b)복도 측 창문과 문만 열었을 경우 (semi opened)

(c)문과 창문을 모두 닫았을 경우 (all closed)

여기서 문과 창문을 모두 열었을 경우는 복도에 면한 문과 창문 및 옥외에 면한 창문을 연 경우이다. 이러한 상황은 봄‧가을철에 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning) 시스템을 가동하기 전에 발생되므로 본 연구에 포함하였다. 또한 b 경우인 복도 측 창문과 문만을 열었을 경우는 환기가 필요하지만 운동장을 사용할 경우에 행하여지는 형태로 포함하여 진행하였다.

교실의 측로전달소음 측정시 음원 및 수음점의 위치를 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4.

Measurement positions of sound source and receivers for flanking noises.

인접교실의 음원이 미치는 영향을 알아보기 위해 수음실에 균등하게 배치하였으며 특히 음원과 가까운 뒷좌석의 경우 수음점을 추가(R6)하여 진행하였다. 또한, 측로전달소음의 경로를 파악하기 위하여 복도에도 수음점을 배치(R7)하여 실험하였다.

측로전달소음의 측정시 음원은 지향성 스피커를 사용하였으며 수업을 진행했을 때를 가정하여 학생 쪽을 지향하도록 하였다. 음원의 위치는 실제 교사의 위치인 강단에 바닥으로부터 1.5 m 위치에 설치하였다. 음원의 출력은 수업 진행시 교사의 음성레벨을 고려해 75 dB(A)^[17]로 설정하였다.

III. 실험결과 및 분석

3.1 외벽의 차음성능

다음의 Fig. 5는 대상 학교인 B학교 및 H학교 일반교실에서 측정한 외벽 차음성능을 그래프로 도식화 한 것이다. 그중 꺾은선 그래프는 각 학교에서 측정된 외벽의 표준화 음압레벨차(D_ls,2m,nT)를 주파수대역별로 나타낸 것이며, 이를 통해 산출한 단일수치평가량인 가중 표준화 음압레벨차(D_{ls,2m, nT,w})는 그래프의 우측에 산포도로 표시하였다.

Fig. 5.

Sound insulation performances of the outer wall of classrooms(D_ls,2m,nT and D_ls,2m,nT,w).

한편 B학교의 경우 단일창을 이중으로 설치한 관계로 내외 창문의 개폐에 의해 차음성능에 차이가 발생할 수 있다. 따라서 외부 창문만 닫은 경우(B-1)와 내외부 창문을 모두 닫은 경우(B-2)로 구분해 총 2가지 상황을 측정하였다.

측정결과 B학교의 경우 창문을 외부 창호만 닫았을 때(B-1)와 내외부 창문을 모두 닫은 경우(B-2)의 가중 표준화 음압레벨차(D_{ls,2m, nT,w})는 각각 22 dB과 25 dB로 산출되어 내부 창호에 의한 영향이 약 3 dB 정도로 나타났다. 이것은 대한민국 학교의 교사 내 소음 기준^[15]에 입각해 교실 외벽에 입사되는 소음이 최대 55 dB(A)이라고 가정할 때, 외벽을 투과해 실내에 유입되는 소음이 약 30 dB~33 dB(A)임을 의미한다.

B학교 교실 외벽의 주파수대역별 표준화 음압레벨차(D_ls,2m,nT)로 비교해보면, 내부 창호의 개폐여부에 따라 160 Hz~315 Hz 및 500 Hz~1600 Hz에 따라 3 dB 이상의 편차가 발생하고 있음을 알 수 있다. 이것은 음성과 같이 비연속음의 최소변화감지폭(Just No-ticeable Difference, JND)이 3 dB^[16]인 관계로 창호의 상태에 따른 외부 소음의 유입 차이를 학생이 인지할 수 있다. 특히 음성의 주요 주파수대역이 500 Hz~1000 Hz이고 창호 상태에 따른 해당 주파수대역의 편차가 평균 약 4.8 dB임을 감안하면 실제 수업시 음성전달을 저해할 수 있다.

한편 H학교의 경우 가중 표준화 음압레벨차 값이 28 dB로 산출되었으며 이것은 B학교에서 내외부 창호를 모두 닫은 경우(B-2)보다 약 3 dB 높다. 이러한 편차는 외벽의 재료, 창호의 구조 및 면적 등 다양한 원인이 작용한 것으로 유추된다. 창호에 의한 영향이 가장 큰 것으로 예상된다. 소음은 음향적으로 출입구, 창호, 개구부 등의 가장 취약한 지점을 통해 전달된다. B학교의 경우 단창을 2겹으로 설치한 이중 창호를 사용하고 있으며, H학교의 경우 2겹의 유리로 이루어진 이중창으로써 창호 구조가 서로 다르기 때문이다. 또한 벽체의 구조가 차음성능에 영향을 미쳤을 것으로 예상된다. B학교와 H학교 외벽의 두께는 각각 375 mm와 370 mm로 큰 차이가 없지만 벽체의 구성 재료가 벽돌만으로 이루어진 B학교와 달리 H학교의 경우 교실 내측 재료가 벽돌보다 차음성능이 높은 콘크리트로 구성되어있기 때문인 것으로 판단된다. 이 밖에도 B학교의 경우 건립년도가 1986년으로써 시설 노후화에 의한 영향이 있었을 것으로 사료된다.

3.2 교실간 벽체의 차음성능

각 학교의 교실간 벽체 차음성능 측정 결과를 Fig. 6과 같이 도식화하였다. 그중 꺾은선 그래프는 각 학교의 교실간 벽체에 의해 발생한 수음실과 음원실의 주파수대역별 음압레벨 편차를 각각 투과손실(TL)과 표준화 음압레벨차(D_nT)로 나타낸 것이며, 이를 통해 산출한 각각의 단일수치평가량인 현장 소음투과등급(FSTC)와 가중 표준화 음압레벨차(D_ls,2m,nT,w)는 그래프의 우측에 단일수치로 표시하였다. 또한 그림 중 (a)의 회색 음영은 미국의 실간 벽체 기준인 STC 50의 초과분을, (b)의 점무늬는 영국의 실간 벽체 기준인 45 dB를 만족하는 범위를 나타내고 있다.

Fig. 6.

Sound insulation performances of the wall between classrooms.

주파수대역별 투과손실 산출 결과를 살펴보면 250 Hz 이하의 저주파대역에서는 B학교의 측정값이 높게 나타났지만 250 Hz 이상의 중고주파대역에서는 H학교의 측정값이 높게 나타남을 알 수 있다. 이것은 학교별 교실간 벽체의 구성 재료에 의한 결과이다. B학교의 경우 시멘트 벽돌로 이루어진 조적벽에 모르타르로 마감한 습식벽체로써 구조체의 밀도가 높은 구조인 반면, H학교의 경우 차음석고보드를 철재 연결재로 연결한 건식벽체로써 벽체구조가 경량인 관계로 차음 주파수대역이 상이하게 나타난 것으로 판단된다.

측정결과를 미국 및 영국의 교실간 벽체 기준과 비교해 보면, 현장 음향투과등급(FSTC)을 산출했을 때 STC 값보다 5-8 낮은 값이라 하더라도 두 학교 모두 미국의 학교 교실간 벽체 차음성능 최저 기준인 STC 50을 만족하지 못하고 있다. 한편 가중 표준화 음압레벨차(D_nT,w)를 산출한 결과 B학교에서는 43 dB로 기준치인 45 dB을 만족하지 못하고 있지만 H학교의 경우 영국에서 규정하고 있는 교실간 벽체의 차음성능 기준을 만족하고 있다.

3.3 측로전달소음

다음 Fig. 7은 실험대상 학교의 교실 및 복도에 설치된 7개의 수음점에서 측정한 소음의 음압레벨을 측정한 결과이다. 이를 통해 음원실인 옆 교실에서 발생한 소음이 복도를 거쳐 수음실인 대상 교실로 유입되는 소음의 정도를 파악하고자 하였다.

Fig. 7.

Comparison of the flanking noise which is measured at receiving points in the receiving classroom.

이를 위해 측정대상 학교의 빈교실에서 배경소음을 측정하였다. B중학교의 경우 33.5 dB(A)로 나타났으며 H중학교에서는 27.7 dB(A)로 나타났다.

측정 결과 각 교실의 창문을 모두 개방한 경우(all opened)와 복도 측 창문만 개방한 경우(semi opened)에 수음실 내에서 측정된 음압레벨이 B학교와 H학교에서 각각 45.1 dB(A) 및 37.6 dB(A)로 나타났다. 이것은 미국 및 영국의 교실 내 배경소음 기준인 35 dB(A)^[5,6] 를 초과하는 값이다.

한편 B학교 및 H학교 음원실에 가장 가까운 수음점인 R7에서 가장 높은 소음레벨이 나타났다. 이것은 음원실에서 발생한 음에너지가 교실간 벽체를 투과하는 양보다 복도를 통해 전달되는 양이 더 많기 때문이다. 이는 교실과 복도 사이에 면해있는 벽체가 음에너지가 투과되기 쉬운 유리창으로 넓은 면적에 걸쳐 설치되어 있기 때문으로 보인다.

두 학교 모두 창문을 모두 개방한 경우와 복도 측 창문만 개방한 경우의 측정값에 큰 편차가 발생하지 않는 것을 알 수 있었다. 반면 모든 창호를 닫은 경우(all closed)에서 앞의 두가지 경우와 비교해 볼 때 B학교와 H학교에서 각각 19.6 dB(A), 12.8 dB(A)의 큰 편차가 발생했다. 이것은 음원실에서 발생한 소음이 음향적 취약점인 창호에 의한 영향으로 판단된다.

한편 두 학교의 측로전달소음 결과가 다르게 나타난 것은 H학교의 창호 및 복도측 벽체 차음성능이 낮기 때문인 것으로 예상된다.

IV. 결  론

본 연구는 대한민국 교실의 배경소음 기준을 준수하고 정온한 학습환경을 조성하기 위한 가이드라인 제시를 위해 교실 내에 유입되는 다양한 경로에 대한 조사를 진행하였다. 특히 실내외 소음이 투과될 수 있는 벽체의 차음성능을 조사하고 복도를 통해 유입될 수 있는 측로전달소음을 측정하였다. 이를 위해 청주시 내 2개 학교를 선정하여 실제 현장에서의 실험을 수행하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

1)교실 외벽의 경우 창호를 모두 닫았을 때 가중 표준화 음압레벨차가 약 25 dB~28 dB로 나타났다. 한편 일반유리로 이루어진 창호를 이중으로 배치한 B 학교의 경우 폐쇄된 창호의 수에 따라 차음성능이 달라지는 것을 알 수 있었다.

2)교실간 벽체의 차음성능 측정결과, 두 학교 모두 미국의 기준(STC 50) 보다 낮으며 B학교의 경우 영국의 기준(D_nT,w 45 dB) 보다 낮게 나타났다. 한편 습식벽체로 이루어진 B학교의 경우 250 Hz 이하의 저주파대역에서는 투과손실 값이 높게 나타나며, 건식벽체인 H 학교의 경우 중고주파대역에서 투과손실이 높게 나타난다.

3)측로전달소음 측정결과, B학교의 경우 복도 측 창호의 개폐여부에 따라 교실의 소음레벨이 평균 19.6 dB(A)의 편차가 발생한다. 따라서 복도를 통한 측로전달소음의 유입으로 소음대잡음비를 증가시켜 명료도를 저해할 수 있다.

본 연구에서는 대한민국의 학교 교실에서 소음이 전파되는 다양한 경로에 대한 실태를 조사하였다. 그러나 본 논문의 실험 대상이 청주시 내 2개 학교인 관계로 그 실험 결과가 대한민국의 모든 학교의 음향적 상태를 대표한다고 단언하기 어렵다. 또한 측로전달소음이 발생할 수 있는 다양한 경로에서 면밀한 실험이 이루어지지 못한 한계를 갖고 있다. 따라서 향후 추가적이고 지속적인 후속 연구를 통해 국내 교실의 배경소음에 영향을 미치는 건축적 요소를 밝혀낼 것이다.