I. 서 론

교육시설의 실내 음향 성능 기준은 학습 공간에서 높은 음성 명료도를 확보하기 위해 크게 세 가지 요소로 구분된다. 즉, 실내 배경 소음, 잔향 시간, 그리고 실간 차음 성능이며 공실 상태에서의 최소 음향 조건을 제시한다.^[1,2]

최근 독일^[3]과 이탈리아^[4]는 음향 기준을 개정하면서, 단순한 공실 조건을 넘어 재실자와 실제 수업 활동을 고려한 음향 설계를 요구하고 있다. 이탈리아의 UNI 11532-2:2020^[4]은 교실 음향 기준을 통해 좋은 음성 명료도를 조성하는 것을 목표로 하며, 활동 종류에 따라 공간을 A1 ~ A5 범주로 구분하여 구체적인 설계 기준을 제시한다(Table 1 참조). 또한 A6 범주에 해당하는 부속 공간은 실 체적과 높이에 따른 최소 흡음 기준을 규정한다.

특히 음성 전달이 중요한 일반 교실과 강의실은 A3 범주로 분류되며, 재실률 80 %일 때의 최적 잔향 시간(Tₒₜₜ), C₅₀(명료도 지수), 그리고 음성 전달 지수(Speech Transmission Index, STI)를 지표로 삼아 실의 체적에 따른 적정 기준을 제시한다. 체적이 250 m³ 미만인 교실은 음성 명료도 평가 지표로 C₅₀를 적용할 수 있으며, 500 Hz – 2 kHz 대역 평균값이 C₅₀≥ 2 dB(공실 기준)을 만족해야 한다. STI는 확성 시스템을 사용하지 않는 경우 체적이 250 m³ 미만이면 STI ≥ 0.55, 250 m³ 이상이면 STI ≥ 0.50을 권장한다. 확성 시스템을 사용하는 경우 STI ≥ 0.60이 권장된다.

또한 음악실, 교실, 강당, 그리고 멀티미디어 교실인 A1 ~ A4 범주에 해당하는 공간은 가구가 배치된 상태에서 재실률 80 % 기준의 Tₒₜₜ를 예측하여 권장 재실 잔향시간을 만족할 수 있도록 그 기준치를 제시한다(Table 1 참조). Eq. (1)을 활용하여 재실자 1인당 평균 흡음력과 Tₒₜₜ를 바탕으로 역산하여 공실 상태의 최적 잔향 시간을 산출해야 한다.^[5]

여기서 T_occ는 재실률 80 %의 최적잔향시간(s), T_unocc는 가구가 위치한 공실 상태의 최적잔향시간(s), V는 실의 체적(m³), A_pers는 재실자의 등가 흡음 면적(m²)이다.

교실의 음향 상태는 재실자와 학습 활동에 따라 공실 시와 재실 시에 서로 다르게 나타난다. 특히 공실 상태에서의 음향 특성은 실제 학습 현장에서 적절한 음성 명료도를 확보하는 데 중요한 기준이 되므로, 교육시설의 실내 음향 성능 기준은 재실자가 없는 공실 조건에서의 최소 음향 기준을 제시하는 것이 타당하다. 그러나 국내외 교실 및 강의실에 대한 현장 측정 연구 결과에 따르면,^{[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]} 공석 상태와 만석 상태의 음향 특성은 공간별로 차이가 있으며, 특히 재실자와 학습 활동으로 인한 배경소음 증가가 음성 대 소음비(Speech to Noise Ratio, SNR)를 낮추어 음성 명료도 지표, 음성전달지수와 Useful-to-detrimental ratio(U₅₀)에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 따라서 국내 교육 환경에 적합한 음향 기준을 마련하기 위해서는 실제 수업이 이루어지는 재실 상태에서 재실자와 학습 활동을 고려한 음향 측정이 선행되어야 하며, 이를 반영한 기준이 제시되어야 한다.

본 연구의 목적은 국내 초·중·고등학교 및 대학교의 총 49개 교실과 강의실, 106개 수업 현장에서 수행한 공실 및 재실 음향 측정 결과를 바탕으로, 재실자와 학습 활동을 반영한 국내 교육시설 음향 기준 제정의 기초자료를 제시하는 것이다. 먼저, 재실자에 의한 흡음을 고려하여 공실 및 재실 조건의 실내 음향 상태를 잔향 시간(T₃₀)과 명료도(C₅₀) 지표를 중심으로 분석하였다. 다음으로 실제 학습 현장에서 재실자와 다양한 학습 활동으로 인한 실내 또는 실간 재실 음향 특성을 음성과 소음 레벨을 바탕으로 분석하였다. 마지막으로 재실 음향 조건을 반영한 결과가 음성 명료도 지표(U₅₀) 예측에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.

II. 공실 및 재실 음향 측정

Table 2에 국내 초·중·고 및 대학교 49개 교실의 106개 수업 현장에서의 실내 음향 측정에 대한 제원을 나타내었다. 초등학교 2개교, 중·고등학교 각각 1개교, 특수학교 1개교, 그리고 대학교 1개교에 위치한 49개 대상 교실의 평균 체적은 122 m³ ~ 257 m³로 교실 내 평균 수용 인원의 차이로 인해 초·중·고 및 특수학교 교실의 체적이 대학 강의실에 비해 작았다. 특히, 특수학교의 경우 교사를 포함한 교실당 평균 재실자 수가 약 5명으로(s.d. = 1.5명) 일반 학교의 약 4배 ~ 5배 차이를 보였다. 대학 강의실의 경우 2017년과 2022년에 측정한 공간의 체적은 약 250 m³ 유사하였으나, 팬데믹 기간 중 강의실내 물리적 거리두기의 영향으로 강의실당 평균 재실자 수가 약 2배 차이를 나타냈다.

초·중·고 및 특수학교 교실 내 실제 수업 현장의 모니터링에서 학습 활동은 크게 수업(plenary), 그룹학습(group work), 개별학습(individual work), 그리고 시청각 자료를 활용한 학습(watching video) 으로 나누어져, 4가지 학습 형태로 분류하였다. 수업 활동은 단독 수업 혹은 활동을 병행하여 진행하였다. 수업은 교사가 수업 전반에 주도적으로 학습 지도를 하며 학생은 교사의 지도에 따라 질문에 대답하거나 큰소리로 따라 읽는다. 개별학습은 학생이 주도적으로 자습하거나 시험을 보는 경우를 말한다. 그룹학습은 학생이 한 책상에 그룹을 조성하여 토의하거나 움직임이 동반되는 학습 활동으로 선생은 학생활동을 돕는다. 마지막으로 교사가 수업의 이해를 돕기 위해 시청각 자료의 보조 도구를 활용하여 진행하는 수업으로 나뉜다. 대학 강의실 내 수업 현장은 교수가 주도적으로 강의를 진행하였다.

소음계 1대 ~ 4대를 1.2 m 높이로 교실 전후반의 좌석에 착석한 학생 귀 높이에 가깝게 위치시켰다. 강단의 화자 위치에서 약 2 m ~ 8 m 지점에 해당한다. 수업 현장 측정은 약 40 min ~ 50 min의 수업 시간을 측정하였고, 화자 목소리가 교실 내 주요 음원이었다. 수업 중 화자의 마스크 착용 비율은 팬데믹 전후 시기별로 상이하며, 팬데믹 후 마스크 착용은 12 % ~ 100 %였다. 공조기 가동 시 공조기에서 1 m 떨어진 지점에서 측정한 교실 내 평균 소음은 40.1 dBA ~ 47.1 dBA로 공조기 가동 여부에 따른 실내 소음 레벨의 차이가 약 10 dBA ~ 16 dBA정도로 나타났다.

소음계 위치와 동일한 지점에서 실내 음향 측정을 실시하였으며, 측정 지점이 2개 ~ 4개로 각 학교 및 수업 현장별로 달랐다. 실내음향지표(T₃₀, C₅₀)는 ISO 3382^[17]에 의거하여 Dirac V.6.0 소프트웨어^[18]를 이용하여 측정하였다. 실간 차음성능은 ISO 16283-1^[19]과 ISO 16283-2^[20]에 의거하여 SAMURAI 소프트웨어^[21]를 이용하여 각각 측정하였으며, 단일평가지표값(D_nT,w L´_nT,w)은 ISO 717-1^[22]과 ISO 717-2^[23]에 의해 각각 도출하였다. ASTM 기준에 의거한 단일평가지표값(ASTC, AIIC) 도출은 각각 ASTM E413^[24]과 ASTM E989^[25]에 의거하였다.

III. 국내 학습 현장의 음향 상태

각 학교 및 수업 현장별로 측정 시기가 상이하고, 수업 현장의 현실적인 제약으로 모든 49개 교실의 공실 및 재실 조건의 실내 음향 측정이 불가능하였고, 측정 지점도 2개 ~ 4개로 교실별로 달라 수음점의 평균값을 산정하여 제시하였다. Table 3에 초등학교 2개교 9개 교실, 중학교 1개교 4개 교실, 고등학교 1개교 7개 교실, 특수학교 1개교 4개 교실, 그리고 대학교 1개교 15개 강의실의 공실 시 음향 상태 측정 결과를 보여주고 있다. 공실 측정의 경우 학기 중 혹은 방학 기간으로 나누어 측정하였으며, 학기 중 측정은 쉬는 시간에 측정을 진행하여 학생의 개인 물품이 자리에 있는 상태에서 실시하였다. 재실 음향측정은 초등학교 2개교 5개 교실, 고등학교 1개교 3개 교실, 대학교 1개교 15개 강의실에서 각각 실시하였다. 실내 음향 상태는 교실 음향 기준에 중요한 3가지(실내 배경소음, 잔향시간, 그리고 실간 차음성능)를 위주로 제시하였다.

Table 3에 국내 교실 음향 기준의 부재로 인하여 미국, 영국, 그리고 이탈리아 교실 음향 기준을 각각 인용하여 함께 제시하였다. 초·중·고등학교는 ASTM 기준^[1]을, 특수학교는 BB93 기준^[2]을 각각 차용하여 각 기준을 만족하는 음향지표 값을 Table 3에 굵은 이탤릭체로 표기하였다. 재실 잔향시간과 명료도 기준은 UNI11532-2^[4]을 차용하였다. 현재 국내 기준의 부재와 국외 여러 나라 기준과의 상대적인 비교를 통해 국내 교실의 음향 상태 현황을 분석하기 위함이다.

Table 3에 의하면, 교실 및 강의실의 공실시 실내 배경소음(특수학교: L_Aeq ≤ 30 dBA, 그 외 학교: L_Aeq ≤ 37 dBA ~ 41 dBA), 공실 잔향시간(특수학교: T₃₀ 125 – 4 kHz ≤ 0.4 s, 그 외 학교: T₃₀ 500 Hz – 2 kHz ≤ 0.6 s), 그리고 벽체 간 차음성능(특수학교: D_nT,w ≥ 50 dB, 그 외 학교: 인접 실 STC ≥ 50, 인접 복도 STC ≥ 45)은 미국과 영국의 권장기준^[1,2]을 모두 만족하지 못하였다. 반면, 재실 잔향시간(모든 학교: T₃₀ 125 Hz – 4 kHz ≤ 0.5 s ~ 0.6 s)은 일부 대학교 강의실을 제외한 모든 학교가 권장 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 명료도의 경우 체적 250 m³ 미만인 교실에서 C₅₀(500 Hz – 2 kHz) ≥ 2 dB^[4]을 요구하는데 중학교와 대학교를 제외한 학교에서 기준을 만족하는 것으로 나타났다.

대상 공간의 건축 년도가 1979년 ~ 2022년임을 고려한다면 국내 교육시설의 음향 기준 부재로 인하여 지난 40년간 교실 음향 상태는 개선되지 않았음을 Table 3의 측정 결과로 유추할 수 있다. 특히, 특수학교의 경우 2022년 신축된 건물로 건축자재의 성능 향상으로 인접 실 혹은 인접 복도와의 벽체 차음성능이 다른 3개교 건물보다 향상되었을 것이라 기대되지만 인접 복도와의 벽체 차음성능은 가장 낮게 나타났다. 특수학교 특성상 재실자의 교실 이동을 쉽게 하려고 상대적으로 큰 치수의 미닫이문을 설치하는데 그 결과 인접 복도와의 벽체 차음성능은 일반 학교에 비해 떨어지는 것으로 사료된다. 인접 실과의 벽체 성능보다 인접 복도와의 벽체 차음성능이 ASTC 18 ~ 20으로 낮은 이유는 복도 측 벽체의 약 50 %에 해당하는 개구부 면적(창과 문)과 취약한 차음성능이 원인으로 분석된다. 교실의 외기에 인접한 창문 이외에 복도에 인접한 창문은 단일창문으로 차음성능이 취약하였다.

Fig. 1에 재실자에 의한 흡음으로 공실 및 재실 조건의 T₃₀값을 체적이 유사한 초등학교와 고등학교 1곳을 각각 선정하여 그 결과를 비교하였다. Fig. 1에 이탈리아 기준 UNI 11532-2:2020^[4]에 의한 A3 범주인 교실에서의 재실률 80 % 상태의 Tₒₜₜ와 재실자 1인당 평균 흡음력 및 Tₒₜₜ를 바탕으로 역산한 공실 조건의 Tₒₜₜ를 각각 산출하여 국내 두 교실의 측정값과 함께 비교하였다.

Fig. 1.

Comparisons of measured T₃₀ values and calculated T_ott values for both occupied and unoccupied conditions in (a) high school and (b) elementary school classrooms.

Fig. 1(a)와 1(b)에 의하면 체적에 따른 두 교실의 T_ott는 0.54 s이며, 125 Hz에서 0.35 s ~ 0.78 s, 250 Hz – 2 kHz에서 0.43 s ~ 0.65 s, 그리고 4 kHz 에서 0.35 s ~ 0.65 s의 허용 범위를 나타낸다. Fig. 1(a)의 고등학교 교실의 경우 재실 잔향시간은 500 Hz – 4 kHz에서 약 0.45 s로 하한 허용 범위에 가까우며, Fig. 1(b)의 초등학교의 경우 500 Hz를 제외한 모든 주파수 대역에서 0.54 s에 근접하였다. 특히, 초등학교 교실의 경우 산출한 공실 Tₒₜₜ와 측정한 공실 조건의 잔향시간과 매우 유사하였다. 고등학교 교실의 경우 산출한 공실 Tₒₜₜ는 고주파수대역으로 갈수록 잔향시간이 길어지는 반면 측정 결과는 반대 추이를 나타냈다[Fig. 1(a) 참조].

Table 3의 국내 교실 및 강의실의 공실 및 재실 조건의 실내 음향측정 결과를 바탕으로 체적이 250 m³ 이하인 공간의 권장 잔향시간은 재실 80 % 기준으로 125 Hz – 4 kHz 대역에서 0.60 s ≤ T_ott(Category A3: classroom, T_ott = 0.32 log V – 0.17)^[4]가 적절하며, 실내 재실 상태에 따라 상하한 20 %에 해당하는 0.48 s≤ T_ott ≤0.72 s가 허용 범위이다. 이렇게 20 %의 허용 범위를 두는 이유는 가구 종류 및 배치상태, 재실률 등 여러 재실 변수에 의한 영향을 평균적으로 산정한 수치이다.^[3] 공실 잔향시간은 Eq. (1)을 이용하여 재실자 1인당 평균 흡음력과 Tₒₜₜ를 바탕으로 역산하여 산출할 수 있다. 재실자의 평균 흡음력은 책상 종류와 학생 연령별로 상이하여^[6,9,13]국내 학생의 인체 흡음 특성을 반영한 데이터가 요구된다.

IV. 재실자 및 학습 활동에 따른 수업 중 음성 및 소음 레벨

학교별로 수업 시작과 끝부분 약 10 min을 제외한 본격적인 수업 현장의 약 30 min ~ 40 min의 측정데이터를 바탕으로 음성 및 소음 레벨을 도출하였다. Hodgson et al.^[7]이 제시한 통계 방법에 따라 주파수대역별 250 ms 레벨 값을 빈도수 그래프로 도식화한다. 도식화한 빈도수 그래프에 2개의 큰 피크점이 나타나는데, 높은 음압레벨의 최고점이 음원 레벨이고 낮은 음압레벨의 최고점이 소음 레벨을 나타낸다[Fig. 4(a) 참조]. 빈도수 그래프의 두 피크점에 정규분포곡선을 피팅하여 각 피크점의 값으로부터 음원과 소음 레벨을 각각 도출한다. 초등학교^[9,16]와 대학교 수업 현장^[7,15]을 대상으로 한 선행연구에서 실시간 학습 현장의 음성 및 소음 레벨을 정확하게 측정할 수 있다고 보고하였다.

각 학교 및 수업 현장 별로 측정 시기가 상이하고, 수업 현장의 현실적인 제약으로 측정시 수음점의 위치(화자의 위치에서 2 m ~ 8 m) 와 수(1개 ~ 4개)가 같지 않아 측정 결과는 모든 수음점의 평균값을 산정하여 제시하였다. Table 4에는 초등학교의 3개 음악 수업을 제외한 총 103개 수업 현장에서 측정한 평균 음성과 소음 레벨을 표준편차와 함께 연령별로 제시하였다(초등학생: 7세 – 11세, 중·고등학생: 12세 – 15세, 대학생: 20세 – 25세 및 21세 – 27세). 대학생의 경우 팬데믹 전·후로 구분하여 결과를 제시하였다.

국내 초등학교의 수업 중 평균 소음 레벨은 57.2 dBA로, 중·고등학교와 대학교보다 약 8 dBA ~ 15 dBA 높게 나타났다. Shield와 Dockrell^[8]은 영국 초등학교의 수업 중 소음 레벨이 학습 활동과 높은 상관성을 가진다고 보고하였으며, 영국 초등학교 3학년 ~ 5학년의 평균 음성과 소음 레벨은 각각 70.6 dB L_Aeq과 52 dB L_A90으로 국내 초등학교 측정 결과와 음성 레벨은 유사하였다. 반면, 캐나다 초등학교의 측정 결과^[9]는 국내보다 음성과 소음 레벨이 약 9 dBA 높게 나타났는데, 이는 국내의 경우 그룹학습과 시청각 자료 활용 등 다양한 수업 활동을 포함하여 측정한 반면(Table 2 참조), 캐나다는 교사 주도형 수업을 중심으로 15 min ~ 20 min 간 측정한 결과에 따른 차이라고 볼 수 있다. 교사 주도형 학습 지도의 비중은 중·고등학교와 대학 수업에서 각각 84 %와 100 %를 차지하는 반면, 초등학교에서는 약 39 %에 불과하다. 따라서 국내 초등학교 수업 중 높은 음성 및 소음 레벨은 낮은 연령대 학생을 대상으로 한 다양한 수업 활동에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 2는 총 103개 수업 현장에서 측정한 음성 레벨과 소음 레벨의 관계를 도식화한 것이다. 각 수업 현장의 음성 및 소음 레벨은 1개 ~ 4개 측정 지점의 평균값으로 산출하였다. 대학교 30개 수업 현장 측정 결과에서는 소음 레벨 증가에 따른 화자의 음성 레벨 증가 현상이 나타나지 않아 회귀분석에서 제외하였다. 초·중·고등학교 및 특수학교 73개 수업 현장 결과를 이용하여 선형회귀분석을 실시하였으며, 그 결과 음성 레벨과 소음 레벨 간에 유의한 선형 상관관계(R² = 0.688, p < 0.001)가 나타났다. 이는 수업 활동으로 소음 레벨이 증가할수록 교사의 음성 레벨도 함께 상승함을 의미한다. 또한 초등학교와 중·고등학교의 평균 소음 레벨은 약 8 dBA 차이를 나타내어, 학생 연령이 높아질수록 수업 중 소음 레벨이 감소하는 경향을 보였다. 이러한 소음 레벨의 감소는 교사의 음성 레벨에도 영향을 미쳐 평균적으로 약 4 dBA 낮아지는 결과를 보였다.

Fig. 2.

(Color available online) Mean speech level versus noise levels during 103 actual classes. Each point is the average of the measurements at one to four receiver positions in each class.

Fig. 3에 학생 연령별로 수업 활동 종류에 따른 영향을 분석하고자 초등학생(7세 – 11세) 과 중·고등학생(12세 – 15세) 두 그룹으로 구분하여 (a) 평균 음성 레벨, (b) 소음 레벨, 그리고 (c) 음성대 소음 비(Speech to Noise Ratio, SNR) 값을 각각 상자 그림(box plot)으로 도식화하였다. 두 연령 그룹에 공통적인 3종류의 수업 활동(단독 수업, 그룹 활동, 시청각 활용 수업)에 국한하여 Fig. 3에 보여주고 있다. Fig. 3(b)에 따르면, 국내 초등학생의 경우 평균 소음 레벨은 단독 수업(54 dBA)에 비해 그룹 활동(62 dBA)이나 시청각 활동을 병행한 수업(56 dBA)에서 약 2 dBA ~ 8 dBA 높고, 수업별 분포도 넓게 나타났다(그룹 활동: 57 dBA ~ 72 dBA, 시청각 활동: 46 dBA ~ 69 dBA). 특히 그룹 활동을 병행한 수업에서는 높은 소음 레벨의 영향으로 모든 수업이 권장 기준인 SNR ≥15 dBA^[9]를 충족하지 못하였다[Fig. 3(c) 참조]. 중·고등학교(12세 – 15세) 수업 현장에서도 그룹 활동을 병행한 수업에서 적정 SNR 값을 대부분 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 Fig. 3(b)에 의하면, 일부 단독 수업에서도 소음 레벨이 60 dBA를 초과하였는데, 이는 교사가 질문을 통해 학생들의 반응을 적극적으로 유도하는 수업 방식에 기인한 것으로 추정된다.

Fig. 3.

(Color available online) Box plots of (a) mean speech levels, (b) noise levels, and (c) SNR values grouped by age (Age 7 - 11, and 12 - 15) and classroom activity in 73 active classes.

학생 연령과 수업 활동(독립 변수)이 실제 수업 중 음성 레벨, 소음 레벨, 그리고 SNR 값(종속 변수)에 미치는 영향을 다중회귀분석으로 검토하였다. 분석 결과, 학생 연령은 세 가지 종속 변수 모두와 통계적으로 유의한 상관관계를 보였으며(음성 및 소음 레벨: p < 0.001, SNR 값: p < 0.01), 반면 수업 활동은 음성 레벨(p = 0.815), 소음 레벨(p = 0.389), 그리고 SNR 값(p = 0.106)에서 유의한 상관성을 나타내지 않았다. Visentin과 Prodi^[16]가 이탈리아 초등학교 5개교 26개 수업 현장을 측정한 결과에 따르면, 수업 중 발생하는 소음 레벨은 학년과 유의한 상관성을 보였으며, 음성 레벨은 학년과 수업 활동 모두와 유의한 상관성을 나타냈다고 보고하였다. 이는 학생 연령이 수업 중 재실 음향에 중요한 영향을 미친다는 점을 시사한다. 그러나 본 연구에서는 수업 활동 종류에 따른 영향이 통계적으로 유의하지 않았는데, 이는 중·고등학생(12세 – 15세)의 경우 대부분이 단독 수업 방식으로 진행되었고, 약 16 %가 다른 활동을 병행한 수업으로 이루어져 수업 활동별 충분한 데이터 확보가 어려웠던 점에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 4에는 초등학교 3개 교실에서 음악 활동에 따른 해당 교실과 인접 교실의 소음 레벨을 분석하여 (a) 비 연주 구간과 (b) 연주 구간으로 구분하여 도식화하였다. Fig. 4(a)의 음악 활동 중 비 연주 구간에사 해당 교실의 음성 및 소음 레벨은 각각 70.5 dBA와 60 dBA로, Fig. 3(a)와 (b)의 그룹 활동 병행 수업의 평균 음성 및 소음 레벨과 유사한 결과를 보였다. 음악 활동 수업 중 비 연주 구간 측정 결과에 의하면 수업 활동에 따른 소음의 영향이 인접 교실(소음 레벨: 32 dBA)에 미미하였다. 그러나 Fig. 4(b)의 음악 연주 구간 측정 결과에 따르면 해당 교실의 소음 레벨은 86.7 dBA로 약 27 dBA 증가하였으며, 인접 교실의 소음 레벨도 40.6 dBA로 약 9 dBA 증가하였다. 이는 교실 내 학습 활동 유형에 따라 교실 내부와 인접 교실의 소음 레벨 증가시켜 수업 중 적정 SNR 값 조성에 영향을 줄 수 있음을 시사한다. 이러한 현상은 국내 초등학교의 개구부를 포함한 복도 측 복합벽체의 차음 성능(Table 3 참조)에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Level comparisons both inside classroom and adjacent room during music activity in an elementary school classroom.

인접 복도와의 복합벽체 차음 성능은 개구부의 면적과 차음 성능에 영향을 받으므로, 권장 기준값 이상의 차음 성능을 확보하기 위해서는 문과 창의 차음 성능 개선이 필요하다. 특히 국외 교실은 복도 인접 벽체에 창문을 설치하지 않는 경우가 일반적이므로, 국내 교실 조건을 고려한 창문 포함 복합벽체의 차음 성능 기준을 국내 규정에서 제시할 필요가 있다. 이외에 복도 천장과 상부 벽체에 흡음재로 마감이 되면 인접 교실에서 복도를 통해 유입되는 소음을 줄일 수 있다.

Table 4의 국내 수업 현장 측정 결과를 바탕으로 평균 음성 레벨이 약 62 dBA(55 dBA ~ 70 dBA)임을 가정할 때 권장 SNR ≥15 dBA을 만족하기 위해 수업 중 최대 허용 소음 레벨은 47 dBA(40 dBA ~ 55 dBA) 이하가 되어야 한다. 초등학생을 대상으로 한 언어 명료도 평가 결과에 따르면 1, 3학년의 저학년 학생들의 경우 권장 SNR값 보다 3 dBA ~ 5 dBA 높은 값이 적절하다고 보고하여^[10] 수업 중 최대 허용 소음 레벨은 50 dBA 이하가 요구된다. 여기서, 평균 음성 레벨 62 dBA는 교사의 목소리 레벨이 아니라 수업 중 학생이 듣는 교사의 음성 레벨임을 고려한다면 실제 교사의 목소리 레벨은 62 dBA 보다 높으며 이는 음성을 높이거나 크게 소리 낼 때 해당한다. 따라서, 교사가 목소리 레벨을 무리하게 높이지 않고 수업 시 적정 SNR값 조성이 가능한 방법은 공조기 가동 시 공실 최대 허용 소음 레벨 L_Aeq ≤ 40 dBA^[3]이 적절하다. Fig. 4의 결과에서 인접실간 수업 활동에 의한 소음 차단을 높이기 위해 벽체 간 차음성능은 인접실 STC ≥ 50, 인접 복도 STC ≥ 45 이 적절하며, 복도와 인접한 복합벽체의 경우 스피치 프라이버시가 중요한 장소에서는 STC ≥ 50이 적절하다.^[1]

V. 재실 음향을 반영한 음성 명료도

음성 명료도 평가지표인 U₅₀는 C₅₀와 SNR값을 기반으로 산출되며, 이를 통해 학습공간의 재실 음향 조건을 반영한 음성 명료도 예측이 가능하다.^[15] 따라서, 이 지표를 활용하면 수업 활동에 의한 소음 수준이 음성 명료도에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 실제 대학 강의실을 대상으로 한 선행 연구에서 U₅₀가 높은 상관관계를 나타내어, 실내 음향 특성과 소음 요인을 결합한 음성 명료도 예측이 가능하며 STI ≥ 0.60에 상응하는 U₅₀값은 약 4.1 dB(Fig. 5의 가로 실선)로 보고하였다.^[15]

Fig. 5.

Mean U₅₀ (125 Hz - 4 kHz) values versus measured C₅₀ (125 Hz - 4 kHz) values at each measurement position in 59 active classes.

재실 음향을 반영한 실제 학습 현장의 음성 명료도는 음성 및 소음 레벨과 명료도 지표를 기반으로 산출하여 Fig. 5에 도식화하였다. 공실과 재실 상태에 따른 C₅₀ 값의 변화를 고려하여 각각의 조건에서 U₅₀ 값을 산정하였으며, 실제 학습 현장의 음성 및 소음 레벨을 활용하여 도출한 U₅₀과 C₅₀ 값의 관계를 선형 회귀선과 함께 제시하였다. 초·중·고등학교 및 특수학교 27개 수업(Fig. 5의 ☆표식 )과 대학교 15개 수업 측정 결과(Fig. 5의 ●표식)의 두 그룹으로 구분하여 각각 선형 회귀분석 하였으며, 이때 U₅₀ 값 산정에는 공실 조건의 C₅₀값을 이용하였다. 분석 결과, C₅₀ 값이 증가할수록 U₅₀ 값 또한 유의하게 상승하는 상관관계를 나타내었다(초·중·고등학교 및 특수학교 27개 수업 : R² = 0.873, p < 0.05, 그리고 대학교 15개 수업 : R² = 0.903, p < 0.001).

재실 상태의 실내 음향측정을 수행한 다른 초·고등학교 17개 수업(Fig. 5의 ⋆표식)에서 재실 조건의 C₅₀값을 이용하여 도출한 U₅₀값은 약 1.4 dB ~ 8 dB 범위로 나타났으며, 공실 조건의 C₅₀값을 바탕으로 도출한 U₅₀값(Fig. 5의 ☆표식)과 비교해 높았다. 재실자의 흡음 효과로 인해 평균 C₅₀ 값은 약 2 dB 증가하였으며, 이에 따라 U₅₀ 값은 약 2.2 dB 증가하였다. 음성 명료도 지표인 U₅₀는 C₅₀와 SNR값에 따라 값이 변화하는데 Fig. 5의 4개 초등학교 수업의 경우 같은 교실에서 재실 조건의 C₅₀값이 6 dB로 일정함에도 불구하고 수업 활동별로 SNR값이 3.8 dBA ~ 15 dBA로 약 11 dBA 변화하여, 그 결과 U₅₀값은 약 6 dB 차이를 나타냈다.

Tables 3과 4의 국내 교실 및 강의실의 실내 음향과 수업 현장 측정 결과를 바탕으로 STI ≥0.60에 상응하는 음성 명료도 U₅₀≥ 4.1 dB^[15]를 성취하기 위해 수업 중 재실 음향 상태가 권장값인 SNR ≥15 dBA을 만족한다면 C₅₀ ≥4 dB(재실 기준) 가 요구된다. 이탈리아 음향 기준에서 500 Hz – 2 kHz 대역 평균값이 C₅₀≥ 2 dB(공실 기준)^[4]을 제시하였고, 재실자 흡음에 의해 약 +2 dB 증가하므로 재실 상태의 명료도 기준으로 적합하다고 할 수 있다.

VI. 요 약

본 연구는 국내 초·중·고등학교 및 대학교에 위치한 총 49개 교실과 강의실, 106개 실제 수업 현장에서 수행한 공실 및 재실 음향 측정 결과를 토대로, 재실자와 학습 활동을 반영한 국내 교육시설 음향 기준 제정의 기초 자료를 마련하는 것을 목적으로 한다.

첫째, 음성 전달이 중요한 공간에서는 공실 상태의 음향 기준에만 국한하지 않고, 재실자와 수업 활동을 포함한 재실 음향 설계를 고려하여 적정한 음성 명료도를 확보해야 한다. Table 3의 국내 교실 및 강의실의 공실 및 재실 조건의 실내 음향측정 결과를 바탕으로 체적이 250 m³ 이하인 공간의 권장 잔향시간은 재실 80 % 기준으로 125 Hz – 4 kHz 대역에서 0.60 s ≤ T_ott 가 적절하며, 실내 재실 상태에 따라 상하한 20 %에 해당하는 0.48 s≤ T_ott ≤0.72 s가 허용 범위이다.^[4] 재실 조건의 T_ott 기준인 독일과 이탈리아와 동일하다.

권장 SNR ≥15 dBA을 만족하기 위해 수업 중 최대 허용 소음 레벨은 47 dBA(40 dBA ~ 55 dBA) 이하가 되어야 한다. 1, 3학년의 저학년 초등학생들의 경우 수업 중 최대 허용 소음 레벨은 50 dBA 이하가 요구된다. 교사가 목소리 레벨을 무리하게 높이지 않고 수업 시 적정 SNR값 조성을 위해서 공조기 가동 시 공실 최대 허용 소음 레벨을 L_Aeq ≤ 40 dBA^[3]가 적절하다. 이 기준은 독일과 동일하며, 미국, 영국, 그리고 이탈리아 기준보다 약 2 dBA ~ 5 dBA 높다.^[1,2,4]

둘째, 수업 활동과 재실자의 연령은 재실 음향에 유의한 영향을 미치며, 이는 국내외 여러 연구^{[8,9,10,11,12,14,16]}에서 보고된 바 있다. 특히 인접 교실의 활동으로 인한 소음 유입을 최소화하기 위해서는 개구부를 포함한 복합 벽체의 차음 성능을 향상시키고, 복도 상부와 측벽에 대한 최소 흡음 기준을 제시할 필요가 있다. 인접실간 수업 활동에 의한 소음 차단을 높이기 위해 벽체 간 차음성능은 인접실 STC ≥ 50, 인접 복도 STC ≥ 45이 적절하며, 복도와 인접한 복합벽체의 경우 스피치 프라이버시가 중요한 장소에서는 STC ≥ 50이 적절하다.^[1]

셋째, 재실 음향 조건을 반영하여 적정 음성 명료도 지표를 예측할 수 있도록 최소 기준을 마련해야 한다. 국내 교실 및 강의실의 실내 음향과 수업 현장 측정 결과를 바탕으로 STI ≥0.60에 상응하는 음성 명료도 U₅₀≥ 4.1 dB^[15]를 성취하기 위해 수업 중 재실 음향 상태가 권장값인 SNR ≥15 dBA을 만족한다면 C₅₀ ≥4 dB(재실 기준)가 요구된다. 이탈리아 음향 기준에서 500 Hz – 2 kHz 대역 평균값이 C₅₀≥ 2 dB(공실 기준)^[4]을 제시하였고, 재실자 흡음에 의해 약 2 dB 증가하므로 재실 상태의 명료도 기준으로 적절하다.

마지막으로, 본 연구에서는 총 106개 수업 현장 중 특수학교는 5 % 미만의 수업을 대상으로 하였다. 따라서, 본 연구에서 제시하는 재실 음향 기준은 일반 학교의 측정 결과를 주로 반영한 것으로 음향적 지원이 필요한 특수학교의 기준을 만족시키기에 분명히 한계가 있다. 따라서, 향후 국내 교육시설 음향 기준을 제정하기 위해서는 일반 학교뿐만 아니라 특수학교의 재실 음향 특성까지 두루 반영된 기준을 함께 제시할 필요가 있다.