방음벽 높이에 따른 헬기 비행장 소음 저감효과 연구

2.1 연구지역

이 연구에서는 강원도 A 헬기 비행장과 경기도 B 헬기 비행장에서 소음을 측정하였다. A, B 헬기 비행장은 각각 2013년, 2016년 방음벽이 만들어지기 전 '비행장 항공기 소음영향도 조사 결과 보고서'를 통하여 소음을 측정한 바 있다. 각 헬기 비행장에서 사용하는 방음벽의 종류 및 제원은 Table 1과 같으며^(5,6), Fig. 1은 실제 비행장의 방음벽을 촬영한 사진이다.

Table 1

Noise barrier type and specifications

Fig. 1

Photos of noise barrier

2.2 대상 헬기 기종

측정 헬기 기종은 A 헬기 비행장에서는 KUH-1(수리온)을, B 헬기 비행장에서는 KUH-1(수리온)과 AH-1S(코브라)를 사용하였다. 헬기 동체의 높이는 대략적으로 KUH-1(수리온)은 4.5 m 그리고AH-1S(코브라)는 4.1 m이다.

2.3 실험 방법

소음측정은 Table 2와 같이 헬기 비행장마다 사전답사와 실제 측정으로 구분하여 5일간 진행하였으며, 사전답사 일에는 소음측정기 위치선정 및 배경소음을 측정하였다. B 헬기 비행장은 당일 측정시간 전・후로 다른 비행이 계획되어 있어 배경소음의 측정이 불가하다고 판단되었으며, 실제 측정일(9월 초순) 이전 연구팀이 측정 가능한 일자인 8월에 배경소음을 측정하였다. 8월 사전답사 간 도로소음에 대한 영향은 적은 것으로 판단하여 비행장 주변 배경소음으로 활용하였다.

Table 2

Schedule of noise measurement

실험에서는 소음측정기 3대를 동시에 운용하였으며, 소음측정기 위치는 Table 3과 같다. A 헬기 비행장에서의 7월 측정지점(이하 HP-A1)과 B 헬기 비행장에서의 8월 측정지점(이하 HP-B1)은 공통적으로 헬기의 전・후・측면을 동시에 측정 후, 헬기로부터 동일거리에 떨어진 두 개의 지점(방음벽 유무) 측정, 마지막으로 방음벽 외부 지점 3개소를 측정하였다. B 헬기 비행장에서의 11월 측정(이하 HP-B2)은 헬기로부터 이격된 거리별(70 m, 100 m, 150 m, 200 m) 지점을 방음벽 내・외부별로 측정하였다. 단 200 m 지점은 헬기가 가동 중인 상태에서 소음측정기 1대만 이동시켜서 측정하였다.

Table 3

Helicopter and noise meter location

이 연구에서는 국립환경과학원 고시 제2018-15호(2018. 4. 27)의 소음·진동공정 시험기준을 준용하여 소음을 측정하였다. 측정기기는 정밀급 소음측정기 NL-52(RION, 일본)를 사용하였으며, 이 측정기는 국제표준 Class1 급으로 장기간(1000시간)의 소음모니터링이 가능하다. 주파수는 20 Hz ∼ 20 kHz 범위, 소음은 25 dB(A) ∼ 141 dB(A)의 넓은 측정 범위를 가지고 있다.

소음측정기는 바람이나 외력에 의해 쓰러지지 않도록 견고히 소음발생지역을 향하도록 하였으며, 일반지역의 경우 소음측정기 주위 3.5 m 이내에 장애물이 없는 지점에, 주위에 건물이 있는 경우 건축물로부터 1 m 떨어진 지점에 설치하였다.

등가소음도(L_eq)는 1초 간격으로 5분간 측정하여 전·후 1분을 제외하고 3분 동안 측정한 값을 이용하여 식 (1)에 따라 구하였다. 측정 당시 헬기 이륙 전 단계별 시간을 5분으로 측정하였으나, 정확한 단계별 구분이 제한되어 대표적인 값을 얻고자 전・후 측정값의 1분씩을 제외하였다.

여기서L_eq는 등가소음도 L_1~n는 1초 간격으로 측정한 1 ∼ n회 소음도이다.

이번 연구에서 소음의 단위로 WECPNL보다는 등가소음도를 사용하였으며, 이유는 헬기장 주변의 민가 소음 피해는 하루의 전체 평균 헬기 소음보다는 단일 비행에 따른 영향을 크게 받고 있으며, 방음벽의 효과를 확인하기 위해 WECPNL보다는 등가소음도를 통한 비교가 용이하기 때문이다.

3.1 헬기의 방향별 소음측정 결과

헬기 소음원은 방향별로 A, B 헬기 비행장에서 KUH-1을 대상으로 측정하였다(HP-A1). 헬기는 지상에서 최대출력인 full open 상태를 유지하였으며, 안전거리 유지를 위해 전·후·측방 동일하게 30 m 거리에 소음측정기를 헬기방향으로 삼각대 위에 부착하여 5분 동안 측정하였다.

방향별 소음측정결과는 Fig. 2와 같다, 헬기 소음은 방향별로 유사하게 나타났으나, 일부 구간에서는 풍향, 풍속 등 외부요인에 따라 다소 차이가 발생하기도 하였다.

Fig. 2

Noise measurement result by helicopter direction

30 m 이격된 거리에서 allpass 주파수를 기준으로 A 헬기 비행장에서 KUH-1의 소음은 전방 94.7 dB(A), 후방 90.1 dB(A), 측방 95.3 dB(A) 분포를 보였으며, B 헬기 비행장에서 KUH-1의 소음은 전방 97.0 dB(A), 후방 89.3 dB(A), 측방 95.2 dB(A) 분포를 보였다.

3.2 헬기의 거리별 소음측정 결과

헬기의 거리별 소음측정은 B 헬기 비행장에서 AH-1S를 대상으로 진행하였다(HP-B2). 소음측정기 위치는 방음벽의 영향을 받지 않는 곳과 방음벽의 소음차단효과를 확인할 수 있는 곳에서 각각 헬기로부터 70 m, 100 m, 150 m 이격된 곳에 배치하였으며, 헬기는 이륙 전 시험 단계인 idle(지상시동단계), full open(지상최대출력), hovering(약 7 m 높이에서 제자리 비행), O.G.E.(약 15 m 높이에서 제자리 비행) 총 4단계에서 각각 5분간 측정하였다.

거리에 따른 소음의 변화는 Table 4와 같다. 소음은 헬기로부터 거리가 멀어질수록 감소하는 추세를 보였으며, 방음벽으로 차단 된 곳은 70 m 이격된 거리에서도 60 dB(A)보다 적은 소음을 보였다.

Table 4

Noise measurement by distance from helicopter [dB(A)] (without noise barrier / with noise barrier)

방음벽의 소음저감 효과는 Fig. 3과 같이 idle, full open, hovering 단계에서 가까운 거리에서 크게 나타남을 확인할 수 있었다. O.G.E.단계에서는 방음벽에 제일 근접한 70 m 지점을 제외하고 소음차단효과가 상대적으로 적음을 알 수 있다.

Fig. 3

Noise measurement by distance from helicopter

3.3 비행장 외부 소음 측정 결과

비행장 외부 소음측정은 A 헬기 비행장에서는 KUH-1을 운용하여 방음벽 외부, OO기업체, OO학교 3곳에서 동시에 측정하였으며, B 헬기 비행장에서는 KUH-1을 운용하여 OO마을회관과 OO단독주택에서 동시에 측정하였다. 소음은 이륙 전 시험 단계인 idle, full open, hovering, O.G.E. 총 4단계에서 각각 3분간 측정하였다.

A 헬기 비행장은 특히 방음벽이 설치된 이후에도 헬기관련 소음 민원이 지속 발생한 지역이다. 91 m 지점과 247 m 지점은 방음벽 너머의 민가지역으로 헬기 비행 시 직접적인 소음의 영향을 받는 곳이며 또한 왕복 4차선 도로가 지나가는 지점으로 헬기의 이륙단계 중 어떤 단계가 주민들에게 직접적인 영향을 주는지 확인하기 위해 선정을 하였다. Table 5와 같이 7월 00일에 측정한 배경소음이 OO학교를 제외하고 74.0 dB(A) ∼ 75.9 dB(A)에 달하여 소음측정기 주변의 도로소음의 영향이 큰 것으로 추측된다. 7월 00일에 KUH-1을 측정한 결과 O.G.E.단계에 모든 지점에서 소음도가 배경소음을 초과하였다.

Table 5

Average level of outside noise of the A heliport [dB(A)]

B 헬기 비행장에서는 Table 6과 같이 8월 00일에 측정한 배경소음도가 51.5 dB(A) ∼ 52.5 dB(A)를 보이며, 9월 00일에 KUH-1을 측정한 결과는 모든 지점에서 소음도가 이륙 전 시험단계가 진행될수록 대부분 증가하는 추세를 보였다.

Table 6

Average level of outside noise of the B heliport [dB(A)]

3.4 헬기 이륙준비 형태별 소음저감 효과

헬기 이륙준비 형태별 소음감쇠도는 A 헬기 비행장에서는 KUH-1을 운용하여 방음벽 내부와 외부에서 91 m 동일간격으로 동시에 측정하였으며, B 헬기 비행장에서는 앞의 방식과 동일하게 KUH-1 운용 175 m, AH-1S 운용 150 m 간격으로 각각 측정하였다. 헬기는 이륙 전 시험 단계인 idle, full open, hovering, O.G.E. 총 4단계에서 각각 5분간 측정하였으며, 소음감쇠도는 방음벽 내부의 소음도와 외부의 소음도의 차이로 산정하였다.

A 헬기 비행장에서 방음벽에 의한 KUH-1의 소음 저감 효과는 Fig. 4와 Table 7과 같이 –18.2 dB(A) ∼ 3.1 dB(A)으로 거의 보이지 않았다. A 헬기 비행장의 방음벽의 높이(4.5 m)가 측정한 헬기의 main lotor 높이와 크게 차이가 없으며 도로소음으로 인하여 배경소음 자체가 높게 측정되어 저감 효과 산정이 어려운 것으로 판단된다.

Fig. 4

The degree of noise attenuation according to the helicopter take-off stage

Table 7

The degree of noise attenuation according to the helicopter takeoff stage [dB(A)]

B 헬기 비행장에서는 9월과 11월 측정 결과 모두 방음벽에 의한 소음저감효과를 나타내었다. 9월에는 8.0 dB(A) ∼ 18.2 dB(A)의 소음저감효과를, 11월에는 4.8 dB(A) ~ 15.0 dB(A)의 소음저감효과를 보였다.

3.5 SoundPLAN 프로그램을 활용한 소음지도 작성

이 연구에서는 실제 소음측정 결과를 입력하여 헬기 비행장 주변 소음영향을 분석하기 위하여 상용예측 프로그램인 SoundPLAN ver 8.2(SoundPLAN, 독일)를 사용하였다. SoundPLAN 프로그램은 소음의 수치와 분포를 계산하여 계절적인 변화나 시간적인 변화에 관한 데이터를 분석하여 시각적으로 제시하여 주는 지도기능을 가지고 있으며, 방음벽에 대한 감쇠 효과도 구현할 수 있다.

장소는 방음벽의 감쇠효과가 뚜렷하게 나타나는 B 헬기 비행장을 대상으로 하였으며, SoundPLAN에 사용되는 수치지형도 v1.0(1:5000)는 국가공간정보포털 오픈마켓에서 해당 지역에 대한 DXF파일을 다운로드 받아 사용하였다.

수치지형도 파일에는 등고선, 건물, 도로 등 기본 지형정보가 입력되어 있으나, 헬기 비행장(부대) 내부 건물 전체 및 방음벽 정보, 일반 건물 높이 정보가 포함되어 있지 않아 실측값을 프로그램에 수기입력 하였다. Fig. 5와 같이 수치지형도를 SoundPLAN 프로그램에서 실행시키면 2D로 나타나지만, 입력된 정보에 의하여 3D로도 구현이 가능하다.

Fig. 5

B Heliport area

SoundPLAN 프로그램에서는 다양한 유형의 소음이 주파수별 수치로 저장되어 있어 상황에 맞게 위치를 입력하여 소음지도를 만들 수 있다. 하지만 프로그램 내 헬기소음에 대한 정보는 포함되어 있지 않았으므로, 이 연구에서 측정한 실제 소음측정값을 입력하였다. 소음원과 소음측정기간 이격거리를 고려하여 실제 소음도를 산출하였으며, 헬기로터가 윗부분에 설치되어 있기 때문에 소음원을 중심으로 구형으로 전파됨을 가정하였다.

이 연구에서는 SoundPLAN 프로그램을 이용하여 소음지도를 그렸으며, 실제 소음 측정치와 프로그램 예상치를 비교·분석하였고, AH-1S를 소음원으로 하여 기존 방음벽(8 m)과 가상으로 방음벽 높이를 달리 했을 때(11 m, 15 m)의 소음도 차이를 분석하였다. 소음원은 AH-1S으로부터 30 m 이격하여 측방에서 측정한 측정값을 프로그램에 입력하여 산출한 값을 사용하였으며, 점음원으로 표현되었다. 소음원의 주파수별 값, 소음원 높이, 소음전파형태, 소음측정기 산출 거리, 방음벽 반사손실, 흡음계수, 반사계수, 건물 반사손실에 대한 SoundPLAN 프로그램 입력값은 Table 8과 같다.

Table 8

Value applied to the SoundPLAN program

Tables 9, 10은 11월 00일 소음측정기를 이용하여 실제 측정한 AH-1S의 방음벽 내·외부의 거리별(70 m, 100 m, 150 m, 200 m) 측정값과 SoundPLAN 프로그램에 AH-1S 기종의 소음도를 입력 후 산출된 예측 값을 비교하였다. 거리별, 단계별 각각의 예측 값과 측정값의 차이에 대한 평균, 구간 사이의 상관관계를 분석하여 이 연구에서 프로그램이 입력한 조건에 대하여 얼마나 잘 반영하는지를 분석하였다.

Table 9

Difference between predicted and measured values for each distance inside the noise barrier [dB(A)] (measured values/predicted values)

Table 10

Difference between predicted and measured values for each distance outside the noise barrier [dB(A)] (measured values/predicted values)

방음벽 내부에서는 Table 9와 같이 full open, O.G.E. 단계의 일부 지점을 제외하고 측정값이 예측값보다 높게 측정되었으며, 동일단계의 거리별 차이를 분석한 결과, 70 m에서 200 m로 멀어질수록 실측값과 모델링 값의 차이 절대값 평균이 4.8 dB(A)에서 1.6 dB(A)로 작아지는 경향을 보인다.

방음벽 외부에서는 Table 10과 같이 idle, hovering 단계일 때 100 m 이격된 지점을 제외하고 측정값이 예측 값보다 높게 측정되었으며, 동일단계의 거리별 차이를 분석한 결과, 70 m에서 200 m로 멀어질수록 실측값과 모델링 값의 차이 절대값 평균이 2.1 dB(A)에서 7.0 dB(A)로 커지는 경향을 보인다.

동일거리에서의의 이륙 단계별 차이를 분석한 결과, idle단계에서 O.G.E.단계로 진행될수록 실측값과 모델링 값 차이 절대값 평균은 증가하는 추세를 보인다. 모델링 결과 제자리 비행 고도와 소음원과의 이격거리가 증가함에 따라 오차가 발생하여 모델링 시 값에 대한 보정이 필요한 것으로 판단된다.

B 헬기 비행장에 설치된 방음벽의 높이는 8 m로서 hovering 단계와 O.G.E. 단계일 때 방음벽 효과가 저감된다. 따라서 방음벽의 높이조정에 따른 소음 감쇠의 효과를 프로그램을 통하여 예측해 보았다. Hovering 단계와 O.G.E. 단계의 효과적인 방음벽 높이를 프로그램 상으로 각각 설정하고 방음벽 너머 AH-1S로부터 이격거리 150 m지점에서의 예측치를 비교해 보았다.

Fig. 6과 같이 프로그램 상으로 방음벽을 11 m로 높였을 때의 소음지도를 방음벽 높이 8 m와 비교했을 때, 모든 단계에서 소음도가 감쇠됨을 보였으며, Table 11과 같이 감쇠 정도는 1.8 dB(A) ∼ 3.2 dB(A) 분포를 보였다. O.G.E. 단계에서는 67.8 dB(A)까지 하향된 수치를 보였다.

Fig. 6

The noise level according to the height of the noise barrier at each take-off phase of the AH-1S model

Table 11

The noise level according to the height of the noise barrier at each take-off phase of the AH-1S model [dB(A)]

방음벽을 프로그램 상으로 15 m로 높였을 때의 소음지도를 8m와 비교했을 때, 모든 단계에서 소음도가 감쇠됨을 보였으며, 감쇠 정도는 4.2 dB(A) ∼ 5.4 dB(A) 분포를 보였다. O.G.E. 단계에서는 65.6 dB(A)까지 하향된 수치를 보였다. 이 결과를 볼 때 방음벽의 높이를 높일수록 각 단계의 소음저감 효과가 더 크다는 것을 알 수 있다.

3.6 측정값과 이론값의 비교 결과

Fig. 7과 같이 헬기와 방음벽 상단부와의 거리를 a, 가옥과 방음벽 상단부와의 거리를 b, 헬기(점음원)와 가옥까지의 거리를 d라고 했을 때, δ와, Fresnel number N은 식 (2)로 나타낼 수 있다. 방음벽의 높이는 B 헬기 비행장의 8 m를 적용하였다. 계산된 N를 벽에 의한 회절감쇠치 그래프(maekawa attenuation)에 적용시켜 예상 감쇠치를 얻을 수 있다⁽⁷⁾.

Fig. 7

Distance relationship between helicopter, noise barrier, and house

여기서 f는 대상 회절 주파수(Hz)이다. HP-B1와 HP-B2의 d값은 각각 175 m, 150 m이며, 각각의 회절주파수는 1 kHz를 선정하였다. 그로 인하여 산출된 N값은 각각 1.67과 1.96값이다.

방음벽의 회절감쇠치 식으로 구한 이론값과 Table 7의 측정치를 비교했을 때, 방음벽의 효과는 Table 12와 같다. 전체적으로 측정치와 이론값의 절대값의 차이는 0.2 ~ 12.3 분포를 보인다.

Table 12

Comparison of measured and theoretical values for noise reduction by noise barrier

Hovering과 O.G.E.에서는 소음원이 방음벽의 높이 이상 위치하기 때문에 이론값과의 비교가 제한되며, Fig. 4의 결과에서 알 수 있듯이 크게 저감된 주파수를 Table 12에 기재하였다.

3.7 헬기위치와 방음벽 높이의 연관성

헬기의 이륙 전 시험 단계는 4단계인 idle(시동단계), full open(최대출력), hovering 그리고, O.G.E로 구분되며, 4단계 중 idle과 full open은 동체 높이의 거리에서 소음을 발생시키며, hovering과 O.G.E.는 공중에 완전히 떠 있는 상태에서 소음을 발생시킨다.

회절감쇠치 이론에서 δ의 크기가 클수록 방음효과는 크다. Fig. 7(a)와 같이 헬기와 가옥이 지표면에 있다고 가정했을 때, 방음벽의 높이가 크면 클수록 δ값은 크며 그만큼 방음효과는 높아진다고 할 수 있다.

A 헬기 비행장에 설치된 방음벽의 높이는 4.5 m이고 KUH-1의 메인로터의 높이가 이와 유사하여 방음벽의 소음차단효과를 달성하기에 어려움이 있으며, Fig. 7(b,c)와 같이 헬기의 제자리 비행 높이가 방음벽보다 높을 때와 낮을 때의 차이는 방음벽이 높을 때 δ값이 크기 때문에 방음벽의 소음차단 효과가 크다. Hovering 단계의 높이와, O.G.E. 단계의 높이를 고려하여 SoundPLAN에서 예측한 소음저감 효과를 고려하였을 때, 방음벽을 신규 설치 시 hovering 또는 O.G.E. 단계의 높이와 헬기동체 높이를 더한 높이보다 높게 설치를 하여야 소음저감 효과를 볼 수 있을 것으로 판단된다.