I. 서 론
II. 실험 내용 및 방법
2.1 어린이 뛰어다님 시뮬레이터(“아이뜀이”)
2.2 실험대상 실내화 및 매트류
2.3 실험내용 및 방법
III. 실험 결과 및 분석
3.1 주파수 대역별 저감 특성
3.2 단일수치 평가량 저감 특성
IV. 결 론
I. 서 론
우리나라 공동주택에서 바닥충격음이 가장 큰 민원 사항임은 주지의 사실이다. 이러한 바닥충격음에 대한 대처로써 공동주택 거주민이 쉽게 선택하는 것 중의 하나는 실내화 착용과 바닥 매트류의 거치라고 할 수 있다.[1]
그런데, 아직은 이와 같은 실내화와 바닥 매트류의 바닥충격음 저감 성능에 대한 측정 및 평가방법이 규정되어 있지 않기 때문에 객관적인 실내화와 바닥 매트류의 층간소음 저감 성능을 파악하지 못하고 있는 것이 현실이다.
살펴보면, 실내화 및 바닥 매트류의 층간소음 저감 성능 측정 및 평가방법 설정에 있어 가장 큰 장애는 이를 객관적으로 측정할 수 있는 충격원의 부재라고 할 수 있다. 우리나라 공동주택에서 실제로 문제가 되는 소음원은 “어린이 뛰어다님”이라고 할 수 있는데, 현행 바닥충격음 실험 표준 충격 음원인 태핑머쉰과 고무공은 우리나라 공동주택의 바닥충격음 실제 발생 상황과는 충격음 레벨과 패턴에 차이가 있기 때문이다. 현행 표준충격원은 단발이고 충격력이 실제 어린이의 충격력에 비하여 매우 크다.
또한 실내화는 신발이 신겨진 상태에서 층간소음 저감 성능 실험을 해야 하는데, 현행 표준충격원인 태핑머쉰과 고무공으로는 구조적으로 이의 실행이 불가능하다.
따라서, Park et al.[2]은 실제 어린이에게 실내화를 신겨 실험하였으며, Kim et al.[3]은 바닥 매트의 성능 평가를 위해 고무공의 낙하 높이를 달리하여 높이별 충격음을 측정하였다. Yeon et al.[4]은 고무공을 40 cm 높이에서 낙하하여 실 충격을 모사하여 매트류에 대한 저감성능 측정을 실시하였다.
실내화 및 매트류에 관한 기존 연구의 문제점은 실험에 참여하는 어린이는 실험 관련 훈련을 한다고 하나 일정한 충격력을 제공하기는 어렵고 태핑머쉰 및 고무공은 실제 충격력과 바닥 가진 양상이 다르므로 실제 어린이에 대한 충격력 저감을 파악하기는 쉽지 않은 것이다.
이에 본 연구진은 어린이의 뛰어다님을 모사하는 시뮬레이터를 개발하였고 이의 성능 분석을 실시하였다. 그리고, 개발된 시뮬레이터가 실제 어린이 뛰어다님의 충격 상황을 재현할 수 있음을 밝혔다.[5]
본 연구에서는 이와 같이 개발된 시뮬레이터를 활용하여 국내에서 시판되고 있는 10종의 실내화와 10종의 매트류에 대한 층간소음 저감 성능을 파악한 결과를 제공하고자 한다.
본 연구 결과는 공동주택 거주민이 실제 어린이 뛰어다님에 대한 대처 방안으로써 실내화나 매트류 등을 선택할 경우, 실제적이고 현실적인 저감량을 참조할 근거가 될 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 실내화 및 매트류의 개발자 및 바닥충격음 연구자들은 본 시뮬레이터를 활용하여 실제 어린이 뛰어다님에 보다 유효하게 대처할 수 있는 제품 및 구조 개발 등의 연구개발에 도움을 받을 수 있을 것으로 생각한다.
II. 실험 내용 및 방법
2.1 어린이 뛰어다님 시뮬레이터(“아이뜀이”)
본 연구진이 개발한 시뮬레이터(이하 “아이뜀이” : 시뮬레이터의 상표명)의 실물은 Fig. 1과 같다. “아이뜀이”의 충격 보폭은 어린이 32명의 8자형 원형상으로 뛰어다님 데이터를 근거로 설정되었으며[6] 그 회전속도는 어린이 10명의 원형 회전속도를 근거로 하여 제작되었다. 또한, C 대학교 잔향실험실에서 실제 어린이의 충격음과 시뮬레이터의 충격음을 비교 분석한 결과, 충격음 스펙트럼이 매우 유사하게 나타남을 확인할 수 있었다. 충격음 재현성의 측면에서도 검토하였는데, 충격음 재현시 표준편차가 0.4 정도로서 충격원으로 활용할 수 있는 정도라고 판단된다.[7]
2.2 실험대상 실내화 및 매트류
실험대상 실내화는 국내에서 판매되고 있는 것을 대상으로 하였다. 인터넷 검색을 통해 층간소음 저감에 효과를 보인다고 홍보하며 판매하고 있는 것을 대상으로 하였다. 그 10가지 실내화의 사진은 Fig. 2와 같다.
매트류의 선정은 이의 바닥충격음 저감성능을 연구하고 있는 한국건설생활환경시험연구원(Korea Conformity Laboratories, KCL)에서 추천받았으며, 본 연구진이 이 추천을 참고하여 국내에서 시판되고 있는 매트류를 선정하였다. 그 10가지 매트류의 사진은 Fig. 3과 같다.
본 연구에서는 “아이뜀이” 및 기존 충격원을 활용하여 각 실내화 및 매트류의 층간소음 저감 성능 비교에 주안점이 있기 때문에 각 실험대상구조의 상세 스펙(제품명, 두께, 무게, 재질, 단가 등)은 밝히지 않는다.
2.3 실험내용 및 방법
실험은 C 대학교 잔향실험실에서 행해졌다.
2.3.1 “아이뜀이” 작동 모드 설정
“아이뜀이”의 기기 회전속도(r/min) 설정에 관한 사항이다. “아이뜀이”는 실제 어린이의 뛰어다님을 모사하는 것을 목표로 하여 제작하였기 때문에. 실제 어린이가 뛰어다니는 양태(분당 바닥 타격 횟수 및 발생 충격음 레벨)를 재현할 수 있어야 한다. 앞서 “2.1”에서 밝혔듯이, “아이뜀이”는 실제 어린이의 뛰어다님을 근거로 제작하였다. 이를 바탕으로 실제 어린이가 뛰어다니는 양태와 “아이뜀이”의 바닥 가진 상황이 유사하도록 조정하는 과정에 관한 것이다.
Table 1의 ‘비고’에서 보듯이, 기존 바닥충격음 재현 실험에 참여한 어린이는 20 s당 65회, 70회, 75회의 타격을 하고 있었다(이는 신장에 따른 차이이다). 따라서 “아이뜀이”가 이를 모사하여 재현할 수 있도록 하여야 한다. “아이뜀이”의 회전체 지름이 50 cm이고 그 회전반경이 1.5 m인 것을 바탕으로 계산하면, 아이뜀이의 3회전당 바닥 가진 횟수는 36회이다. 실제 어린이의 20 s당 바닥 가진 횟수와 상사하게 하려면 “아이뜀이”의 분당회전수(r/min)은 각각 16.25, 17.5, 18.75로 계산되었으며 이를 토대로 “아이뜀이”의 회전속도를 제어하였다. 이를 각각 어린이 1 모드, 어린이 2모드, 어린이 3모드라고 설정하였다.
Table 1.
“Aittemi” operation mode setting.
또한, 실제 어린이의 뛰어다님에 의한 바닥충격음 레벨과 상사할 수 있도록 하여야 한다. 실제 어린이의 바닥충격음 발생 레벨 범위는 LAeq≒35 ~ 45이었다.
Table 1에서 보듯이, 어린이 1 모드로 “아이뜀이”를 가동시킨 결과, 평균값이 37.6(LAeq)로 측정되었다. 어린이 2모드 및 3모드에서는 각각 37.6(LAeq) 및 38.3(LAeq)의 충격음 레벨이 측정되었다.
이러한 결과에서 “아이뜀이”는 실제 어린이의 바닥 충격음 가진 양상 즉, 시간당 바닥 타격 횟수와 발생 바닥충격음레벨을 실제와 상사하게 재현하고 있다고 할 수 있다. 각 모드별 실험은 3회씩 실시되었으며 그 편차는 최대 0.5 정도로서 바닥충격음 레벨 재현성의 측면에서도 무리는 없을 것으로 판단된다.
2.3.2 실험 내역 및 방법
C 대학교 잔향실험실에서는 어린이 1, 2, 3 모드의 3가지 경우에 대하여 실험을 실시하였으며, 이의 평균값을 실험결과치로 하였다. Fig. 4는 이의 시험 장면이다.
실험은 맨바닥 및 실내화 10종 그리고 매트류 10종에 대해 실시되었다. 이후에 실내화와 매트류가 조합된 경우의 저감 성능 측정을 위해 실내화 10종 + 매트류 10종의 실험을 실시하였다. 여기에서는 모든 조합 즉, 실내화 10 종 × 매트류 10종의 100가지 경우에 대하여 실시하지는 않았고 단순히 실내화 1 + 매트류 1, 실내화 2 + 매트류 2, ---, 실내화 10 + 매트류 10의 10가지 경우에 대하여만 실시하였다.
제반 실험은 KS F ISO 16283-2에 준하여 실시하였다. “아이뜀이”는 본체를 중앙점에 위치시키고 회전체는 반경 0.75 m로 회전하면서 바닥을 가진할 수 있도록 하였다. 각 실험은 20 s 동안 측정하였으며 실험에 사용된 기기는 Rion 정밀소음계(Class1)이다.
기존 충격원과 “아이뜀이”의 비교 평가를 위해 기존 충격원인 태핑머쉰과 고무공을 사용하여 매트류에 대한 실험도 실시하였다.
III. 실험 결과 및 분석
3.1 주파수 대역별 저감 특성
Fig. 5는 “아이뜀이”가 충격원일 때, 맨바닥 및 실내화의 주파수 대역별 층격음 레벨 특성이다.
굵고 붉은색(S0)은 맨바닥을 가진하였을 경우의 스펙트럼 특성이다. 그림에서 보면, 실험 대상 실내화의 저감량은 맨바닥에 비해서 그 양이 크지는 않다. 다만, 전반적인 주파수 대역에서 충격음 레벨이 저감되는 특징을 보인다. 물론 25 Hz 및 31.5 Hz 대역에서는 오히려 레벨이 올라가는 경우도 있지만 전반적으로 주파수 대역별 레벨이 저감하고 있음을 볼 수 있다. 중고음역으로 갈수록 저감량이 증가하고 있으나 그 저감량은 크게 보이지 않는다. 따라서 단일평가수치 개선량도 크지 않으리라고 예상된다.
Fig. 6은 “아이뜀이”를 충격원으로 했을 때, 맨바닥 및 매트류의 주파수 대역별 충격음 레벨 특성이다.
역시 굵고 붉은색(S0)은 “아이뜀이”로 맨바닥을 가진할 때의 충격음 레벨 특성이다. 대체로 실내화의 경우와 마찬가지로 전 주파수 대역에서 레벨이 감소하고 있음을 알 수 있다. 다만, 실내화에 비하여 저감레벨이 다소 크게 나타남을 알 수 있다.
Fig. 7은 “아이뜀이”를 충격원으로 했을 때, 실내화 + 매트류의 실험결과이다. 매트류 위에서 어린이가 실내화를 신고 뛰어다닐 때를 가정하여 실시한 실험이다. 전체적으로 보면, 앞의 두 경우에 비해 주파수 대역별 저감량이 많이 늘어난 것을 알 수 있다. 실내화 및 매트류 조합의 시너지 효과가 보인 것으로 보인다. 전반적인 주파수 범위에서 충격음이 감소하고 있으며, 공동주택에서 실제 어린이의 바닥충격음 저감에 유효하게 대처할 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 8은 기존 충격원인 태핑머쉰을 충격원으로 했을 때, 매트류의 실험 결과이다.
그림에서 보면, 매트류는 기존 경량충격원인 태핑머쉰의 충격음 저감에 매우 효과적인 방안임을 알 수 있다. 맨바닥 가진 인 굵고 붉은 선에 비해 매트류를 바닥에 설치하게 되면, 전체 주파수 대역에서 그 저감량이 상당히 발생하고 있음을 알 수 있다. “아이뜀이”를 사용한 경우인 Fig. 6과 비교하면 그 저감량이 상대적으로 매우 크게 나타나고 있음을 실감할 수 있다. 하지만 현실적으로 태핑머쉰은 실제 우리나라 공동주택에서 발생하고 있는 어린이의 뛰어다님과는 레벨 및 충격음 특성에서 매우 큰 차이가 있다. 즉, 태핑머쉰의 충격음 주파수 레벨 특성이 실제 어린이의 그것과 큰 차이가 있는 것이다. 이는 맨바닥 “아이뜀이”의 가진 특성인 Fig. 6의 붉은 선과 맨바닥 태핑머쉰의 가진 특성인 Fig. 8의 붉은 선의 특성차이를 보면 알 수 있겠다. 결론적으로 매트류는 태핑머쉰의 충격음 저감에 매우 유효한 수단이나 충격음 평가시 과도하게 저감량을 제시할 수 있는 소지가 있다. 즉, 실제 어린이의 뛰어다님 충격소음을 매우 잘 줄일 수 있을 것 같은 착각을 불러일으킬 수 있다는 점을 고려해야 할 것으로 판단된다.
Fig. 9는 기존 충격원인 고무공을 충격원으로 했을 때, 역시 매트류의 실험 결과이다.
눈에 띄는 것은 저음역(25 Hz ~ 63 Hz)에서의 저감 특성이 거의 보이지 않는다는 것이다. 바닥충격음의 주요성분이 저음역에서의 저감 성능이 보이지 않는다는 것은 고무공에 대한 매트류의 저감 성능이 크지 않는다는 것을 의미한다고 하겠다. 다만, 중음역대에서는 그 저감성능이 보여 이 부분에 대한 성능 구분은 가능하리라 본다.
이상의 결과에서, 태핑머쉰은 매트류의 저감 성능이 과도하게 평가될 수도 있는 방안임을 알 수 있다. 반대로 고무공은 실제의 충격음에 대하여 매트류의 성능을 과소하게 평가할 소지가 다분한 충격원이라고 할 수 있다. 결국, 기존의 두 가지 충격원은 우리나라 공동주택에서 실제로 발생하고 있는 어린아이의 뛰어다님에 대한 충격음 평가에는 적절하지 못한 것 충격원인 것으로 판단된다.
3.2 단일수치 평가량 저감 특성
현행 경량(LAeq) 및 중량충격음(L‘iA,Fmax)차단성능 평가에는 기존 단일수치 평가량을 활용하였고, 아이뜀이에 대하여는 연속적인 충격음의 평가에 적절하다고 평가되는 LAeq를 사용하였다.
3.2.1 “아이뜀이” 활용 실내화 및 매트류 실험결과
Table 2는 “아이뜀이”를 가진 충격원으로 하여 실내화, 매트류 및 실내화 + 매트류 조합을 실험한 경우의 단일 수치 평가량이다. 실내화에 대하여, 최소 0.3(LAeq)부터 최대 3.1(LAeq)의 단일수치 저감량을 보이고 있다. 매트류에 대해서는 최소 1.8(LAeq)부터 최대 6(LAeq)의 단일수치 저감량을 보이고 있다. 이러한 저감량은 실제로 아이들이 뛰어다닐 경우 현실적으로 기대할 수 있는 바닥충격음 저감 레벨이라고 할 수 있다. 왜냐하면 “아이뜀이”라는 충격원 자체가 실제 어린아이의 뛰어다님을 모사하고 있기 때문이다.
Table 2.
Results of experiments on indoor shoes and mats using “Aittemi”.
| Shoes | Average LAeq | Improved LAeq | Ranking | Mats | Average LAeq | Improved LAeq | Ranking | Shoes×Mats | Average LAeq | Improved LAeq | Ranking |
Simple improvement sum LAeq* |
| SS 1 | 36.5 | 1.3 | 7 | MS 1 | 35.9 | 1.9 | 9 | XS 1 | 34.2 | 3.6 | 8 | 3.2 |
| SS 2 | 37.5 | 0.3 | 10 | MS 2 | 35 | 2.8 | 6 | XS 2 | 32.6 | 5.2 | 7 | 3.1 |
| SS 3 | 37 | 0.8 | 8 | MS 3 | 36 | 1.8 | 10 | XS 3 | 34.7 | 3.1 | 10 | 2.6 |
| SS 4 | 35.4 | 2.4 | 3 | MS 4 | 33.1 | 4.7 | 2 | XS 4 | 28.4 | 9.4 | 2 | 7.1 |
| SS 5 | 36.3 | 1.5 | 6 | MS 5 | 34.8 | 3 | 5 | XS 5 | 32.3 | 5.5 | 5 | 4.5 |
| SS 6 | 35.9 | 1.9 | 4 | MS 6 | 35.4 | 2.4 | 8 | XS 6 | 32.4 | 5.4 | 6 | 4.3 |
| SS 7 | 34.7 | 3.1 | 1 | MS 7 | 31.8 | 6 | 1 | XS 7 | 26.8 | 11 | 1 | 9.1 |
| SS 8 | 35.3 | 2.5 | 2 | MS 8 | 33.4 | 4.4 | 3 | XS 8 | 29.6 | 8.2 | 3 | 6.9 |
| SS 9 | 35.9 | 1.9 | 4 | MS 9 | 34.5 | 3.3 | 4 | XS 9 | 32.1 | 5.7 | 4 | 5.2 |
| SS 10 | 37 | 0.8 | 8 | MS 10 | 35.1 | 2.7 | 7 | XS 10 | 34.4 | 3.4 | 9 | 3.5 |
매트류 위에서 어린이가 실내화를 싣고 뚸어다니는 것을 가정한 실내화 + 매트류의 조합에서는 최소 3.1(LAeq)부터 최대 11(LAeq)의 단일수치 저감량을 보이고 있는데, 단순히 실내화 및 매트류의 저감량을 합한 것보다는 전반적으로 개선량이 커지고 있음을 알 수 있다. 실내화 및 매트류의 조합에 의해 시너지 효과가 있음을 알 수 있다.
“아이뜀이”를 충격원으로 활용한 실험에서, 실험대상 구조별 저감량에 차이를 보여 실내화 및 매트류의 바닥충격음 저감성능에 대한 실험 대상별 변별력을 적절히 제공할 수 있는 충격원이라고 할 수 있겠다.
3.2.2 매트류에 대한 태핑머쉰, 고무공, “아이뜀이”의 실험결과
기존 충격원인 태핑머쉰과 고무공을 사용하여 매트류에 대한 충격음 저감 실험을 실시하였으며, 이를 새로운 충격원이라고 할 수 있는 “아이뜀이”와의 단일수치 저감량 비교를 해보았다. 실내화에 대해서는 태핑머쉰과 고무공을 충격원으로 하는 실험이 불가능하지만 매트류에 대해서는 구조적으로 가능하기 때문에 실시한 실험 결과이다.
Table 3을 보면, 태핑머쉰에 대한 개선량은 최소 11.7(LAeq)에서 최대 20.2(LAeq)에 이르고 있다. 저감 수치로 볼 때 다른 충격원을 사용한 것에 비하면 매우 큰 저감량이라고 할 수 있다. 과도하게 평가될 소지가 다분하다. 고무공에 대한 개선량을 살펴보면 공진 등으로 인해 도리어 단일수치 평가량이 악화되는 경우가 있으며, 시편 간 구분이 잘되지 않음을 알 수 있다. 이는 고무공 충격원의 충격력이 실제에 비해 매우 크기 때문에 매트류가 이를 제대로 감당하지 못하여 시편 간 변별력이 크게 나타나지 않은 것으로 판단된다.
Table 3.
Results of experiments on mats using tapping machine, rubber ball, and “Aittemi”.
“아이뜀이”를 사용한 경우의 매트류 저감성능은 최소 1.8(LAeq)에서 최대 6(LAeq)에 이르고 있다. 어린이가 매트류에서 뛰어다닐 경우, 실제적인 바닥충격음 레벨 저감량이라고 할 수 있다. 또한. 시편 간 성능 구분이 보여 시편 간 바닥충격음 저감성능의 변별력 확보가 가능하다고 할 수 있다. 즉, 소비자의 입장에서는 매트류의 선정에 있어 도움을 받을 수 있으며 매트류 개발자의 입장에서는 성능 개선을 위한 방향을 제시받을 수 있는 유효한 충격원이라고 할 수 있다.
IV. 결 론
실제 어린이의 뛰어다님을 모사하는 바닥충격음 발생원인 “아이뜀이”를 활용하여 실내화 10종, 매트류 10종 및 그 조합 10종에 대한 실험을 실시하였다. 매트류에 대해서는 “아이뜀이”와의 충격원 간 비교를 위해 기존 충격원인 태핑머쉰과 고무공에 대한 실험도 병행 실시하였다.
“아이뜀이”를 충격원으로 하였을 때, 실험대상 구조별로 성능 구분이 가능하여 실내화 및 매트류에 대하여 변별력을 제공할 수 있는 충격원임을 확인할 수 있었다. 그리고, “아이뜀이”는 실제 어린이의 뛰어다님을 모사하였기 때문에, 우리나라 공동주택에서 실내화 및 매트류를 적용하였을 경우의 현실적인 층간소음 저감량을 파악할 수 있을 것으로 기대된다.
매트류에 대한 기존 충격원의 실험결과에서, 태핑머쉰은 그 성능을 과도하게 평가할 수 있는 소지가 있었고 반대로 고무공은 과소하게 평가할 수 있음을 확인하였다. 따라서 두 가지의 기존 충격원은 실제 저감량을 평가하는 측면에서는 매트류의 성능 평가에는 적절한 충격원이 아니라고 할 수 있다.
이상의 결과는 C 대학교 잔향실험실의 결과이므로, 실제 거주민이 생활하고 있는 공동주택에서 동일한 실험을 실시하여 다시 한번 그 효과를 확인할 필요는 있다.
