언어명료도에 기반한 창문 개방 조건 교실의 배경소음 기준 고찰

1. 서론

교실에서 교사와 학생 간 명료한 음성전달을 위해서는 신호 대 잡음비 확보 및 적정 실내음향 설계를 통한 후기 반사음 제어가 필요하다. 이에 미국음향학회와 영국 교육부에서는 교실 음향성능 평가지표로^(1,2) 창문을 닫은 상태에서 측정한 배경소음과 잔향시간을 사용하고 있다. Bradley et al.^(3,4,5)의 교실 내 학생들의 음성인지도에 관한 연구에서는 잔향시간보다 배경소음이 음성인지도에 더 큰 기여를 하는 것으로 제시되었다. 위 연구에서 배경소음과 잔향특성 두 요소를 종합적으로 고려한 평가지표가 연구되었고, 이 지표는 언어명료도(U₅₀, Useful to detrimental sound ratio [dB])⁽⁴⁾로 정의되었다. 실제 교실에서 학생들의 U₅₀와 음성인지도와의 대응 정도에 대한 실험이 이루어졌고 실험결과, U₅₀는 전체 학생 중 음성정보를 정확하게 인지한 학생의 비율을 수치화한 음성인지도(SI, speech intelligibility[%])와 결정계수(R²)가 0.9 이상으로 대응정도가 높은 것으로 나타났다.

실내 음성명료도를 평가하는 지표로서 D₅₀, STI, AL_cons, ISO 3382-3의 D_2,S, r_D, L_P,A,S,4m 등이 다양하게 사용되고 있으나 U₅₀의 경우 C₅₀(clarity)와 신호 대 잡음비(SNR)로 계산이 가능하여 실제 수업중인 교실에서 여러 소음원이 명료도에 미치는 영향에 대해 분석이 가능하고 실내음향특성과 배경소음이 음성명료도에 미치는 기여도를 파악할 수 있는 특징⁽⁶⁾이 있다. 또한 STI, AL_cons, U₅₀를 이용한 음성명료도 예측 실험⁽⁴⁾에서 U₅₀가 97 %의 예측 수준을 보여 높은 대응성을 보이는 것으로 나타났다.

국내에서는 교실에 대한 음향성능 기준으로 학교보건법⁽⁷⁾에서 배경소음을 제시하고 있다. 창문을 개방한 상태에서 교실 내에서 5분간 측정한 등가소음레벨이 55 dBA 이하가 되도록 규정하고, 연중 1회 이상 점검토록 하고 있다. 하지만 교사와 학생들 간의 커뮤니케이션의 중요성을 고려할 때, 언어명료도 측면에서 현행 배경소음 기준의 적정성에 대한 고찰이 필요하다고 판단된다.

이 연구에서는 도로변에 위치한 12개 학교를 대상으로 창문 개폐 시 교실 내 배경소음, 잔향시간, C₅₀를 측정하고, 교사의 음성레벨 조건 등을 고려하여 U₅₀를 분석하였다. 또한 실제 교실에서 산정된 U₅₀와 선행 연구결과^(4,6,10)에서 제시하고 있는 권장 U₅₀ 수치를 기반으로, 창문 개방 시 교실의 적정 배경소음레벨 기준의 범위를 고찰하고 제안하였다.

2. 연구 방법

언어명료도 U₅₀는 신호 대 잡음비와 초기반사음 에너지를 고려한 음향성능 평가지표로서 식 (1)⁽⁸⁾과 같이 표현된다.

여기서, noise는 교실 내 배경소음, SPL은 교사의 음성레벨이다.

식 (1)의 C₅₀는 식 (2)와 같이 직접음 발생 후 50 ms를 기준으로 후기반사음에 대한 초기반사음 에너지의 대수비로 표현이 가능하다.

여기서, p(t)는 임펄스 응답(impulse response)이다.

교사의 평균적인 음성레벨은 미국음향학회의 교실 내부 배경소음기준 설정 근거^(1,9)에 제시된 내용을 참고하였다. 이에 따르면 교사 1 m 앞에서 음성레벨은 약 68 dBA이며, 신호 대 잡음비 확보를 위해 교사의 음성레벨은 교실 어느 위치에서든지 최소 50 dBA가 되어야 한다고 권고한다. 따라서 언어명료도 U₅₀ 평가 시 교사 음성레벨은 교실 맨 앞자리에서 70 dBA, 맨 뒷자리에서 50 dBA로 가정하였다.

식 (1)을 이용한 U₅₀ 평가를 위해 배경소음과 C₅₀는 현장 측정결과를 사용하였다. 500 Hz부터 4000 Hz까지의 C₅₀ 평균값과 A특성청감보정(A-weighted)을 적용한 배경소음, 음성레벨의 over all 값을 이용하여 도출한 U₅₀가 SI와 결정계수(R²) 0.969로 높게 나타나 이 연구에서는 상기 조건을 대입하였다.

이 연구에서는 기본적으로 창문 개폐 조건을 대상으로 U₅₀ 실태를 파악하고 교실의 음향성능을 평가・비교하였다. 또한 Table 1에서와 같이 Nijs⁽¹⁰⁾의 연구를 참고하여, 음향성능이 취약할 것으로 예상되는 창문 개방 조건에서 언어명료도를 고려한 배경소음 레벨의 범위를 검토하였다. Table 1은 STI (speech transmission index)와 이에 대응되는 U₅₀를 ‘Bad’부터 ‘Excellent’까지 5개 등급으로 구분하여 나타낸 것으로, 각 등급은 STI 0.15단위에 대해 U₅₀는 5 dB 단위로 대응되고 있다.

Table 1

Conversion from STI and U50 values to quality classes (Nijs and Rychtáriková, 2011)

3. 실험 개요

3.1 실험 대상 교실

창문 개폐 조건에 따른 교실 내부 음향성능 평가를 위해 서울∙경기 지역의 초등학교 4개교, 중학교6개교, 고등학교 2개교, 총 12개 학교를 선정하였다.

선정된 측정대상 학교의 교실과 인접도로의 배치 형태에 따라 수평배치(P Type), 수직배치(V Type), 교차배치(C Type)로 나눠 크게 3가지 유형으로 분류하였고 배치 형태는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1

Disposition types according to disposition between adjacent road and classroom

Fig. 2는 대상 학교의 교실 내부 및 측정 모습을 나타내고, Table 2는 실험대상 교실의 건축 제원을 나타낸다. 평균적인 교실 바닥은 가로, 세로 약 8 m의 정방형, 높이 약 2.5 m로 체적은 약 160 m³에서 200 m³인 것으로 조사되었다. 창은 1개당 면적이 약 1 m²로 1개 교실당 완전 개방 시 4개의 창을 개방할 수 있다. 이때 개구부 면적은 약 4 m² 내외로, 외벽면의 약 20 %에 해당하는 면적이다.

Fig. 2

View of the experiment in classrooms

Table 2

Architectural specification of the classrooms used in experiments

3.2 실험 방법

실험대상 교실의 창 개폐 조건을 달리하여 교실 내 배경소음과 잔향시간 및 C₅₀를 측정하였고 이를 바탕으로 U₅₀를 산출하였다. 측정은 학생이 없는 빈 교실을 대상으로 하였으며, Table 3는 측정 및 분석 시 사용된 장비와 제원을 나타낸다.

Table 3

Equipments used in the experiments

배경소음 측정은 ‘학교보건법 시행규칙 제3조’ 및 ‘학교 교사 내 환경위생 및 식품관리 매뉴얼’에 의거하여 창으로부터 1 m, 복도로부터 1 m 떨어진 지점에 소음계를 위치시켰다. Fig. 3은 교실 내부 소음계의 위치를 나타낸다. RION사의 NL-52를 사용하여 청감보정 특성은 A특성(A-weighted), 시간 특성은 fast mode(125 ms)로 측정하였다. 각 수음점에서 5분 동안의 등가소음도인 L_Aeq,5mins를 3회 측정하여 평균하였다.

잔향시간과 C₅₀는 한국산업표준 KS F 2864에 의거하여 측정하였다. Fig. 4는 교실 내부 음원 발생 위치와 수음점의 위치를 나타낸다. 충격성 음원을 발생시켜 얻어진 wav파일 형식의 임펄스 응답을 B&K사의 DIRAC 6(Type 7841)를 이용하여 분석하였다.

Fig. 3

Receiver points of background noise level

Fig. 4

Receiver points of impulse response for room acoustic performance

4. 실험 결과

4.1 U₅₀ 실태 분석

Fig. 5와 Fig. 6는 각각 실험대상 학교 교실의 창문 개폐조건에 따른 잔향시간과 C₅₀을 옥타브밴드 중심주파수별로 나타낸 것이다.

Fig. 5

Mean RT with max-min bars in 12 school classrooms according to window control with unoccupied and furnished conditions

Fig. 6

Mean C50 with max-min bars in 12 school classrooms according to window control with unoccupied and furnished conditions

잔향시간 측정결과, 측정 대상학교의 500 Hz에서 4000 Hz까지의 평균 잔향시간은 0.76 s로 창문 폐쇄 시와 개방 시가 동일하게 나타났다. 각 주파수에서 창문 개폐에 따른 잔향시간 변화는 0.05 s 이내로 거의 차이를 나타내지 않는 것으로 분석되었다. 500 Hz에서 잔향시간은 약 0.6 s에서 1.0 s 사이에 분포하는 것으로 조사되었다.

C₅₀ 측정 결과, 창문 폐쇄 시 500 Hz에서 4000 Hz까지 평균 C₅₀는 2.46 dB로 나타났다. 창문 개방 시 평균 C₅₀는 2.44 dB로 중주파수 대역에서 창문 개폐에 따른 차이는 거의 없는 것으로 판단된다.

이는 교실 내 창문 개방에 따른 개구 면적의 변화가 음성인지도에 좋지 않은 영향을 미치는 후기반사음을 감소시킬 정도로 충분히 크지 않기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 7은 12개 교실의 창 개폐 조건에 따른 교실 내 배경소음, C₅₀, U₅₀ 측정 및 분석결과를 나타낸다. C₅₀와 U₅₀는 500 Hz ~ 4000 Hz의 평균값이 사용되었기 때문에 C₅₀(500-4k), U₅₀(500-4k)로 표기하였다. U₅₀ 평가 시 교사 음성레벨은 교실 내 맨 뒷자리를 가정하여 50 dBA를 적용하였다.

창문 폐쇄 시 12개 교실의 평균 배경소음은 34.9 dBA, 창문 개방 시 49.4 dBA로 평균 14.6 dBA 차이가 나는 것으로 분석되었다. 현행 학교보건법으로 평가했을 때 총 12개 교실 중 창문 개방 시 55 dBA 이내를 만족하는 교실은 2개를 제외한 10개 교실로 나타났다.

Fig. 7

Measured background noise, C50(500-4k) and calculated U50(500-4k) in 12 school classrooms according to window control with unoccupied and furnished conditions

창문 폐쇄 시 12개 교실의 평균 U₅₀(500-4k)는 2.68 dB이고 최소 –1.92 dB에서 최대 5.45 dB의 분포를 나타내는 것으로 분석되었다. Table 1에서 제시하는 등급과 비교하면 9개 교실은 “Good’ 등급에, 나머지 3개 교실은 ‘Fair’ 등급에 해당하는 것으로 평가되었다. ‘Fair’ 등급인 3개 교실은 C₅₀가 측정대상 교실의 평균값보다 낮은 교실이었다. 결국 창문 폐쇄 시와 같이 배경소음이 낮아 일정 신호 대 잡음비가 확보된 경우 각 교실의 U₅₀는 C₅₀와 같이 50 ms 전후 반사음 에너지의 음향특성에 주로 영향을 받는 것으로 나타났다.

한편, 창문 개방 시 평균 U₅₀(500-4k)는 –3.73 dB로 창문 폐쇄 시에 비해 약 6 dB가 감소하였으며, 이는 Table 1에서의 ‘Poor’ 등급에 해당한다. 12개 평가대상 교실 중에서 상대적으로 낮은 배경소음과 높은 C₅₀값을 보인 1개 교실은 ‘Good’ 등급, 5개 교실은 ‘Fair’ 등급, 4개 교실은 ‘Poor’ 등급, 2개 교실은 ‘Bad’ 등급에 해당되는 것으로 나타났다. 창문 개방에 따라 배경소음 증가로 신호 대 잡음비가 감소함에 따라 전반적으로 명료도 등급이 저하되는 것으로 파악된다. 또한 창문 개방 시 U₅₀는 실내음향특성보다는 배경소음에 주로 영향을 받는 것으로 분석되었다.

4.2 U₅₀ 기반 적정 배경소음 기준 고찰

창호 개방 시 일정 수준 이상의 언어명료도를 고려한 배경소음 파악을 위해, 실험대상 학교 교실에서 측정된 음향성능과 U₅₀ 평가결과 및 선행연구⁽⁹⁾에서 제안한 U₅₀ 등급 범위(Table 1)를 활용하여 교실 내부 배경소음의 적정범위를 검토하였다. 앞서 4.1에서 파악된 U₅₀의 실태와 창호 개방 시 교실 내외부 음압레벨차 등을 감안하여, 이 연구에서는 총 5개 등급 중 중간등급인 ‘Fair’의 상한치(U₅₀ = 1.5 dB), 중앙치(U₅₀ = -1.0 dB), 하한치(U₅₀ = -3.5 dB)를 목표로 설정하고, 이에 대응하는 배경소음레벨을 검토하였다. ‘Fair’의 상한치(U₅₀ = 1.5 dB)는 ‘Good’ 등급의 하한치와 동일하다.

Fig. 8은 교사 음성레벨에 따른 배경소음 레벨 분석결과이다. 이때 C₅₀는 12개의 실험 대상교실 창문 개방 시 측정된 평균값 2.44 dB을 적용하였으며, 교사의 음성레벨은 50 dBA, 55 dBA, 60 dBA를 각각 적용하였다. 또한 분석 시 U₅₀의 범위는 ‘Bad’ 등급에 대응되는 –8.5 dB부터 실험대상 대상교실의 임계값으로 파악된 3.78 dB까지로 설정하였다.

Fig. 8

Calculated background noise level according to U50(500-4k) using measured C50(500-4k), 2.44 dB

교사의 음성레벨을 50 dBA^(1,9)로 적용하였을 경우, ‘Good’ 등급의 하한치(U₅₀ = 1.5 dB)에 대응되는 배경소음은 43.3 dBA로 분석되었으며 ‘Fair’ 등급의 중앙치(U₅₀ = -1.0 dB)와 하한치(U₅₀ = -3.5 dB)에 대응되는 배경소음은 각각 47.8 dBA, 51.1 dBA로 분석되었다. 이는 현행 학교보건법에서 규정하고 있는 창문 개방조건에서 교실 내 소음기준 55 dBA와 다소 차이를 보이고 있으며, 창문 개방 시에도 교사와 학생간의 원활한 커뮤니케이션을 위해서는 현행 교실 소음기준의 적정성에 대한 심도있는 검토가 요구된다고 판단된다. 나아가 높은 수준의 언어명료도 확보를 위해서는 배경소음 이외에도 C₅₀의 보강을 위해 보편적으로 적용되고 있는 교실의 실내마감 등에 대한 고려도 함께 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 9은 ‘Good’ 등급의 하한치인 U₅₀ = 1.5 dB에 대응되는 배경소음 레벨인 43.3 dBA를 참고하여, 배경소음을 40 dBA에서 55 dBA까지 5 dBA 간격으로 증가시켰을 경우 U₅₀의 분포를 분석한 것이다. 이때 일반적인 조건을 고려하여 교사의 음성레벨^(1,9)을 교실 맨 앞자리에서 70 dBA, 맨 뒷자리에서 50 dBA로 가정하고 C₅₀는 2.44 dBA를 적용하였다.

Fig. 9

Calculated U50(500-4k) according to teacher’s speech level using measured C50(500-4k), 2.44 dB

분석 결과, 현행 학교보건법에서 규정하는 배경소음기준인 55 dBA에서 교사의 음성레벨에 따라 U₅₀가 –6.87 dB ~ 3.43 dB로 최대 10.3 dB까지 차이가 나며, 음원(교사)으로부터 멀어질수록 U₅₀가 급격하게 저하되는 특성을 나타냄을 알 수 있다. 반면, 배경소음이 40 dBA인 경우는 교사의 음성레벨에 따라 U₅₀가 3.86 dB ~ 2.59 dB로 1.27 dB 이내로 비교적 균등한 분포를 보이며, 교실 맨 뒷자리를 가정한 교사의 음성레벨^(1,9) 50 dBA인 조건에서도 설정한 U₅₀ 목표치인 1.5 dB를 만족하는 것으로 분석되었다.

이를 통해 학교 교실의 U₅₀는 기본적으로 배경소음에 크게 영향을 받고 있음을 확인하였고, 배경소음 감소로 신호 대 잡음비가 일정 수준 이상 확보될 경우 교실 내 모든 영역에서 양호하면서 완만한 분포를 갖는 언어명료도를 제공할 수 있음을 확인하였다.

5. 결론

이 연구에서는 도로소음의 영향을 받는 12개 학교 교실을 대상으로 창문 개폐 조건에 따른 언어명료도 U₅₀ 실태를 도출하고, 창문을 개방하는 경우에도 교실에서 일정 수준 이상의 언어명료도를 확보할 수 있는 적정 배경소음 범위에 대해 고찰하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다.

(1) 창문 개방 시 실험대상 교실의 평균 배경소음은 49.4 dBA로, 12개 학교 교실 중 10개 학교에서 학교보건법 소음기준 55 dBA를 만족하는 것으로 평가되었다. 창호 개폐에 따른 배경소음의 차이는 평균 14.6 dBA로 나타났다. 또한 잔향시간 및 C₅₀(clarity)는 창문 개방에 따른 차이는 크지 않은 것으로 평가되었다.

(2) 실험대상 학교 교실의 U₅₀(500-4k)는 교사의 음성레벨을 50 dBA로 적용하였을 때, 창문 폐쇄 시에는 평균 2.68 dB로 Nijs 등의 선행연구에서 제안하는 ‘Good’ 등급에 해당되었다. 그러나 창문 개방 시에는 평균 –3.73 dB로 ‘Poor’ 등급에 해당되는 수준으로 평가되었다. 창호 개방 시 배경소음의 증가가 언어명료도 U₅₀에 크게 영향을 미치게 됨을 확인하였다.

(3) 창호 개방 시 측정한 평균 C₅₀(2.44 dB)와 교사의 음성레벨(50 dBA)을 적용하여, 선행연구에서 제안하는 5개 등급 중 중간등급인 ‘Fair’의 상한치 (‘Good’의 하한치), 중간치, 하한치에 대응하는 적정 배경소음은 43.4 dBA ~ 51.1 dBA인 것으로 분석되었다. 이는 현행 학교보건법에서 규정하고 있는 교실 내 소음기준 55 dBA와 다소 큰 차이를 보이고 있어, 창문 개방 시에도 교사와 학생간의 원활한 커뮤니케이션을 위해서는 현행 소음기준의 적정성에 대한 심도있는 검토가 필요하다고 판단된다.

(4) 배경소음을 변화시키면서 U₅₀를 분석한 결과, 창문 개방 시와 같이 배경소음이 높은 경우, 음원(교사)으로부터 멀어질수록 언어명료도가 급격하게 저하되었다. 따라서 교실 음향성능에 대한 검토는 교실 맨 뒷자리를 기준으로 고려하는 것이 바람직한 것으로 사료된다.

이 연구는 외기도입을 위한 창문 개방 시 옥외로부터 유입되는 도로소음을 주요 대상으로 언어명료도를 고려한 교실의 적정 소음기준을 고찰한 결과이다. 향후에는 실제 수업 환경과 유사한 조건에서 국내 실정에 맞는 보다 정확한 평가가 필요하다. 또한 교사의 교실 내 평균 음성레벨, 실제 수업 중인 교실의 평균 배경소음 등에 대한 연구 및 학생들의 음성인지도와 새로 제시된 지표 간의 대응 정도를 통해 정확한 평가방법 수립과 적정 음향성능 기준을 마련해야 할 것으로 사료된다.

Acknowledgments

이 논문은 2017년도 서울시립대학교 연구년교수 연구비에 의하여 연구되었음.

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