단독경보형감지기 발생음 패턴에 따른 음향 특성 연구

1. 서 론

소방청 2017년도 화재통계연감에 의하면 2008년부터 2017년까지(10년간) 전체화재 441 030건 중 주거시설에서 112 244건으로(25 %) 가장 많은 화재가 발생하고 화재로 인한 사망자도 또한 전체 3247명 중 주거시설에서 1956명(60 %)으로 가장 많은 인명피해가 발생하고 있다. 2017년 주거시설 11 765건의 화재 중 단독주택 6422건, 공동주택 4866건, 기타 474건으로 총 11 765건의 화재가 발생한 것으로 주거시설 중 주택에서 대부분(96 %) 발생하고 단독주택 화재도 전체화재의 약 54 %를 차지하는 것으로 나타났다. 이를 일일평균으로 환산하면 매일 17여 건의 화재가 단독주택에서 발생하고 있다는 것이다. 이와 관련하여 2012년 2월부터 신축, 기준 단독주택은 2017년 2월부터 단독경보형감지기를 의무적으로 설치토록 하고 있다. 특히 주택에는 침대, 가구 등 생활용 집기들이 한정된 공간에 집중되어 있고, 소화를 위한 방법에 한계가 있기 때문에 화재를 조기에 발견하지 못한다면 피해가 커지게 된다는 특성을 가지고 있다.

한편, 단독경보형감지기는 내부 건전지만으로 전원이 공급되기 때문에 시간 경과에 따라 전압의 변화가 발생할 수 밖에 없다. 시간 경과에 따라 전압이 낮아질 경우 경보음의 특성에 영향을 끼치는 경우 이에 대한 대비책이 필요할 것으로 판단된다. 이와 같은 배경으로 이 연구는 주택에 설치하는 단독경보형감지기에 대한 음향적 특성을 분석하고자 하였으며, 전압 조건에 따른 경보음이 규정에서 정하는 범위를 만족하는지 여부를 평가하고자 하였다. 도출된 결과는 단독경보형감지기의 설치 및 운영 조건의 개선방향에 적용될 수 있을 것이다.

2. 단독경보형감지기의 일반적 음향기능

감지기의 형식승인 및 제품검사의 검정기술기준은 소방청고시 제2017-5호(2017.12.6.)에 감지기 용어 및 구분 등으로 구체화되어 있으며, 특히 제5조의2(단독경보형 감지기의 일반기능)에는 일반적인 단독경보형감지기의 음향기능을 설명하고 있다. 그 내용을 살펴보면 다음과 같다.

단독경보형감지기(주전원이 교류전원 또는 건전지인 것을 포함한다)는 다음 각 호에 적합하여야 한다.

(1) 자동복귀형 스위치(자동적으로 정위치에 복귀될 수 있는 스위치를 말한다)에 의하여 수동으로 작동시험을 할 수 있는 기능이 있어야 한다.

(2) 작동되는 경우 작동표시등에 의하여 화재의 발생을 표시하고, 내장된 음향장치의 명동에 의하여 화재경보음을 발할 수 있는 기능이 있어야 한다.

(3) 주기적으로 섬광하는 전원표시등에 의하여 전원의 정상 여부를 감시할 수 있는 기능이 있어야 하며, 전원의 정상상태를 표시하는 전원표시등의 섬광주기는 1초 이내의 점등과 30초에서 60초 이내의 소등으로 이루어져야 한다.

(4) 제2호의 규정에 의한 화재경보음은 감지기로부터 1 m 떨어진 위치에서 85 dB 이상으로 10분 이상 계속하여 경보할 수 있어야 하며 화재경보음이 단속음인 경우에는 단속주기가 Fig. 1 또는 Fig. 2에 적합하여야 한다. 이 경우 화재경보음에 음성안내를 포함할 수 있다.

Fig. 1

Intermittent period of alarming sound (Type I)

Fig. 2

Intermittent period of alarming sound (Type II)

(5) 건전지를 주전원으로 하는 감지기는 건전지의 성능이 저하되어 건전지의 교체가 필요한 경우에는 음성안내를 포함한 음향 및 표시등에 의하여 72시간 이상 경보할 수 있어야 한다. 이 경우 음향경보는 1 m 떨어진 거리에서 70 dB(음성안내는 60 dB) 이상이어야 한다.<개정 2017.12.6.>

3. 단독경보형 감지기의 음향특성

단독경보형감지기는 여러 형태가 있으며, 그 중 연기식 단독경보형감지기가 조기에 화재경보를 작동할 수 있어서 인명피해를 예방하는데 열식 감지기보다 효과적이라고 알려져 있다. 따라서 이 연구에서는 연기식 감지기중에서 광전식의 단독경보형감지기를 중점으로 연구를 진행하였다.

이 연구에서는 개정된 「감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준」과 「감지기의 형식승인 및 제품검사 시험세칙」에 의거 형식승인된 제품군과 개정 전 형식승인된 단독경보형 감지기를 대상으로 경보음의 음향특성을 측정하였다.

3.1 측정대상

측정대상은 Table 1과 같다. 단독경보형감지기는 현재 출시된 제품 중 국내 제품 8가지와 국외 제품 5가지를 포함하여 총 13가지를 대상으로 하였다. 연기의 감지는 연기감지용 테스트가스(smoke detctor tester)를 이용하였다.

Table 1

The shape of the single alarming detector

4. 측정결과 및 분석

4.1 단독경보형감지기 발생음 패턴

단독경보형감지기의 발생음에 대한 on/off시 작동패턴을 살펴보면 Table 2와 같다.

Table 2

Detector sound pattern

전체적인 특징을 살펴보면, 국내 제품 단독경보형감지기의 경우(A~H)는 대부분 “경보음”과 “음성안내”로 구성되어 있다. 하지만 국내 제품 F와 국외제품 전부(I~M)는 “음성안내”는 없고 “경보음”만으로 구성되어 있다.

Fig. 3

Power connection and measurement instrument configuration

Fig. 4

Digital power supply (left) and smoke detection test gas (right)

국내 단독경보형감지기의 발생음 패턴을 구체적으로 살펴보면, A, B 그리고 G 감지기의 단속주기는 “경보음 3회+음성안내 1회+정지”로 반복적으로 발생하고 있다. C 감지기의 단속주기는 “경보음 3회+음성안내 2회+정지”로 반복적으로 발생하고 있다. D 감지기의 단속주기는 “경보음 2회+음성안내 2회+정지”로 반복적으로 발생하고 있다. E 감지기의 단속주기는 “경보음 3회+음성안내 2회+정지”로 반복적으로 발생하고 있다. F 감지기의 단속주기는 “경보음 3회+정지”로 반복적으로 발생하고 있다. H 감지기의 단속주기는 “경보음 3회+음성안내 3회+정지”로 반복적으로 발생하고 있다.

또한, 각 단독경보형감지기의 단속주기는 A 감지기의 울림은 4.2초, 정지 1.1초, B 감지기의 울림은 3.2초, 정지 0.2초, C 감지기의 울림은 4.2초, 정지 1.1초, D 감지기의 울림은 3.8초, 정지 0.6초, E 감지기의 울림은 4.3초, 정지 0.7초, G 감지기의 울림은 4.2초, 정지 0.2초 그리고 H 감지기의 울림은 4.5초, 정지 0.1초로 경보음의 단속주기는 2:1 이상으로 단속주기 기준에 적합하였다. 다만, F 감지기의 경우는 울림은 1.2초, 정지 2.4초로 발생음의 패턴이 울림보다 정지가 더 길게 나타났다. 다만 F 감지기의 경우는 경보음과 경보음의 간격이 매우 짧아서 경보음 3회가 매우 짧게 발생하는 특징을 보여주고 있다.

국내 단독경보형감지기의 음성안내를 추가하는 경우에는 『감지기의 형식승인 및 제품검사 시험세칙』1의 2-2-2에서 “화재발생”으로 음성안내를 하여야 한다고 하고 있다. 대부분의 제품이 이 규정을 준수하고 있지만 H 감지기의 경우는 “화재입니다”를 발생하고 있어 기준에 맞지 않게 안내하고 있었다.

국외 단독경보형감지기의 발생음 패턴을 살펴보면 H부터 M까지 국외 제품 전체가 동일하게 “경보음 3회+정지”로 반복적으로 발생하고 있다. 국외 제품의 단속주기는 울림 2.5초, 정지 1.5초로 국외 제품 전체가 동일하였다.

4.2 단독경보형 감지기의 음압레벨 특성

단독경보형감지기의 경보음 발생음시 측정한 음압레벨의 변동 특성을 살펴보면 Table 3과 같다.

Table 3

Sound pressure level fluctuation characteristics of the alarm sound

국내 단독경보형감지기 경보음의 최대음압레벨은 86.4 dB(A) ~ 101.1 dB(A), 음압레벨의 최대음압레벨은 72.4 dB(A) ~ 86.1 dB(A)로 나타났다. B 감지기의 경우는 경보음과 음성안내의 최대음압레벨 차이가 4.4 dB(A)로 음압레벨 변화가 낮게 나타났다. 반면 C와 D 감지기의 경우는 경보음과 음성안내의 최대음압레벨 차이가 17.0 dB(A) 이상으로 경보음과 음성안내의 차이가 크게 발생했다. 경보음만의 최대음압레벨만을 비교했을 경우에 감지기로부터 1 m 떨어진 위치에서 85 dB이상 측정되어야 하는 기준에 만족하였다. 반면, 음성안내만의 최대음압레벨만을 비교했을 경우에는 85 dB이상 측정되어야 하는 기준을 만족하지 못하였다.

국외 단독경보형감지기의 경우는 경보음만으로 구성되어 경보음만 구성되어 있는 국내 제품과 유사하였으며, 경보음의 최대음압레벨은 거의 100 dB(A)에 근접하게 발생하는 것으로 나타났다. 특히, 국외 제품의 음압레벨 패턴은 제품별로 큰 차이가 없이 유사하게 나타났다.

4.3 전압 변화시 음향 특성

(1) 정격전압(3.0 V)에서의 특성

정격전압의 단독경보형감지기를 작동시킨 후 감지기로부터 1 m 이격된 지점에서 측정된 음압레벨은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5

Spectral characteristics of single alarm detector at rated voltage (3.0 V)

국내 단독경보형감지기 발생음의 주파수 특성은 고주파 대역으로 갈수록 음압레벨이 상승하는 경향을 보여주고 있다. 특히, 길이가 짧으면서 큰 음압레벨을 나타낼 수 있는 경보음의 주성분인 3.15 kHz ~ 5 kHz의 고주파 대역에서 높은 레벨을 나타내고 있다. 다만 국내 제품의 경우는 음성안내가 포함되어 있기 때문에 인간의 목소리의 주성분 주파수대역인 800 Hz ~ 2 kHz 대역의 주파수 부분도 상대적으로 높은 음압레벨을 보여주고 있다. 각 제품별로 단속주기, 발생음의 패턴 구성 그리고 음성안내 횟수도 다르기 때문에 주파수 음압레벨 특성도 각각 다른 특성을 보여주고 있다.

반면 국외 단독경보형감지기 발생음의 주파수 특성은 경보음만으로 구성되어 있기 때문에 고주파 대역에서 높은 음압레벨을 보여주고 있다. 경보음의 주성분인 3.15 kHz 고주파 대역만 음압레벨이 높아 길이가 짧으면서 큰 음압레벨을 보여주고 있다. 특히, 국외 단독경보형감지기의 경우 단속주기와 발생음의 패턴이 동일하기 때문에 주파수 음압레벨 특성도 거의 유사한 경향을 보여주고 있다.

(2) 전압강하(2.4 V)에 따른 음향 특성의 변화

단독경보형감지기는 내부 건전지에서 공급되는 전원에 의해서 작동되기 때문에 오랜시간 방치되어 있을 경우 전압강하가 발생할 수 있다. 즉, 전압강하에 의한 감지기에서 발생되는 음향에 대한 불확실성이 문제점이 될 수가 있다. 이에「감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준」에 의하면 제7조(전원전압변동시의 기능) 외부로부터 전원을 공급받는 방식의 감지기는 공급되는 전원전압이 정격전압의 ±20 % 범위에서 변동하는 경우 기능에 이상이 생기지 아니하여야 한다고 기준이 정해져 있다. 따라서 정격전압의 –20 %인 2.4 V일 때 단독경보형감지기에서 발생되는 음압레벨 특성을 제품별로 비교 분석하였다.

Fig. 6은 전압강하(2.4 V)에 따른 경보음의 음향특성을 보여주고 있다.

Fig. 6

Spectral characteristics of single alarm detector at voltage drop (2.4 V)

국내 단독경보형감지기의 경우 정격전압과 전압강하에 따른 주파수 특성은 거의 유사하게 나타난다. 다만 C와 D 감지기의 경우, 정격전압의 ±20 % 범위인 2.4 V에서 고주파수로 갈수록 음압레벨이 급격히 낮아져 관련 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 국외 제품의 경우에도 I, K 감지기의 레벨이 매우 많은 차이로 낮아져 기준을 만족하지 못하였다. 이러한 점을 비추어 볼 때, 건전지의 전압에 대한 검토가 주기적으로 필요함을 알 수 있다.

5. 결 론

이 연구는 주택의 화재시 경보음을 발생하는 단독경보형감지기 중 연기식 감지기의 발생 특성 및 음압레벨 특성을 분석하였으며, 특히 전원 전압의 강하에 따른 음향특성이 기준을 만족하는지 여부에 대해 평가하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 경보음의 단속주기는 국내 제품들은 F 감지기를 제외하고 2:1로 단속주기 기준에 적합한 것으로 나타났으며, 감지기 H는 음성안내를 “화재입니다(3회 반복)”으로 시험세칙에 정해져 있는 “화재발생” 기준에 맞지 않게 안내를 제공하고 있었다.

(2) 국내 단독경보형감지기의 경보음 발생시 최대음압레벨은 86.4 dB(A) ~ 101.1 dB(A), 음성 발생시 최대음압레벨은 72.4 dB(A) ~ 86.1 dB(A)로 나타났다. 이에 따라 음성안내만을 경보음으로 사용할 경우에는 기준값(85 dB 이상)을 만족하지 못하기 때문에 별도의 방안이 추가되어야 함을 알 수 있다.

(3) 정격전압의 국내 단독경보형감지기 발생음의 스펙트럼 특성은 고주파수 대역으로 갈수록 음압레벨이 점차적인 상승 경향을 보여주고 있다. 길이가 짧으면서 큰 음압레벨을 나타내는 경보음의 주요성분인 3.15 kHz ~ 5 kHz의 고주파 대역에서 높은 레벨을 나타내고 있다. 반면 국외 단독경보형 감지기는 경보음만 발생하는 특징으로 인해 고주파 대역에서 주요 성분이 구성된 것으로 나타났다.

(4) 전원 전압 강하에 따른 음향특성 측정결과, 정격전압의 ±20 % 범위에서 대부분의 단독경보형감지기가 관련기준에 만족하지만 발생음의 패턴이 “경보음+음성안내”로 구성되었을 경우에는 경보음과 음성안내의 음압레벨 변화가 크지 않으면 관련기준에 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서, 전압 강하시 음압레벨 기준을 만족하기 위해서는 경보음 및 음성안내의 혼합 사용시 음원의 종류에 따른 음압레벨의 크기가 확실히 구별될 수 있도록 설계해야 할 것이다.

(5) 국외 제품에 대한 전원 전압 강하에 따른 실험 결과, 실험에 사용된 5개 제품 중 2개의 음압레벨이 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 감지기의 전원 전압에 대한 세심한 주의가 필요함을 알 수 있다.

Acknowledgments

This work was financially supported by Ministry of Science and ICT(MSIT) in Korean government and Korea Industrial Technology Association(KOITA) as "A study on the programs to support collaborative research among industry, academia and research institutes", and by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(No. 2018R1D1A1B07049706)

References

• Jee, S. W., Kim, S. K., Lee, J. J., Kim, P. Y. and Lee, C. H., 2012, Development of the Low Power Stand-alone Smoke and Heat Detector for the Reliability Improvement, Fire Science and Engineering, Vol. 26, No. 1, pp.74~79. [https://doi.org/10.7731/KIFSE.2012.26.1.074]
• Kim, S. K., Jee, S. W., Lee, C. H., Yang, S. H., Lee, J. J. and Kim, P. Y., 2010, A Study on the Necessity of Addressable Fire Detector, Proceedings of the Korea Institute of Fire Science and Engineering Annual Autumn Conference, pp. 175~179.
• National Emergency Management Agency, 2011, Act on the Installation and Attraction of Fire-fighting Facilities & Safety Management(Law No. 11037), National Emergency Management Agency Notification No. 2011-11.
• Korea Fire Institute of Industry & Technology, 2012, Standards for the Detector Type Approval and Validation Technology, National Emergency Management Agency Notification No. 2012-17.
• Korea Fire Institute of Industry & Technology, 2012, Bylaw of the Standards for the Detector Type Approval and Validation Technology, National Emergency Management Agency Notification No. 2012-17.