풍잡음 저감용 방풍망 특성에 대한 실험적 연구

1. 서 론

소음 측정시 마이크로폰에 바람이 인입(引入)될 때 발생하는 소음을 풍잡음(wind noise)이라고 한다. 환경 소음과 같은 외부 소음을 측정할 때 발생하는 풍잡음은 측정된 소음의 정확도에 영향을 미친다. 환경 소음을 측정하기 위해 사용하는 소음계에는 풍잡음을 줄이기 위해 다양한 방풍망(windscreen)이 마이크로폰에 장착된다. David와 Hessler⁽¹⁾의 연구에 따르면, 풍속이 3 m/s, 5 m/s, 8 m/s 일 때 방풍망 없이 측정된 50 dB(A), 70 dB(A), 83 dB(A) 크기의 소음이 일반형 방풍망을 사용한 경우에 각각 25 dB(A), 39 dB(A), 52 dB(A)로 측정된 바 있다. 일반적으로 환경 소음은 환경부의「소음∙진동 관리법」및「소음∙진동 공정 시험기준」⁽²⁾에 따라 소음 측정이 이루어지고, 사용되는 소음계는 환경부의 형식 승인을 받고 장비별 정도 검사나 검/교정을 주기적으로 받게 되어 있다. 그러나, 방풍망의 경우 각 제조사에서 제공하는 것을 별다른 검증 과정 없이 사용되고 있다.

「소음∙진동 공정 시험기준」⁽²⁾에 따르면 소음 측정시 풍속이 2 m/s 이상인 경우, 소음계의 마이크로폰에 방풍망(windscreen)을 부착하여 사용하도록 되어 있고, 5 m/s 이상인 경우 측정을 금지하고 있다. 그러나, 현장에서 순간적으로 불어오는 바람의 속도를 지속적으로 계측하기 어렵고 풍속계에 대한 기준이 없어 실외 측정시에는 무조건 방풍망을 부착하여 사용하고 있다. 그런데, 국내에 유통되는 방풍망은 각 소음계 및 마이크로폰 제조사에서 제공하며, 제조사에 따라 종류 및 크기가 다양하다. C사⁽³⁾ 소음계를 제외하고는 방풍망 설치시 소음에 대한 보정을 적용하는 경우는 거의 없는 실정이다. A사⁽⁴⁾의 경우 방풍망에 의한 풍잡음 저감 성능을 성능표로 제공하고 있으나 소음계에 적용하는 방법에 대한 설명이 충분하지 않다. 따라서, 방풍망 설치시 발생하는 측정 소음 크기의 오차가 어느 정도인지 확인할 필요가 있다. 그러나, 불행히도 대부분의 소음계에서는 그런 기능이 소음계에 존재하지 않거나, 있다 하더라도 대부분 실험실에서의 연구결과로서 제공하고 있을 뿐 실제 현장 소음 측정시 보정 과정에 사용되지 못하고 있다. 따라서, 실제 현장에서 풍속이 다양하게 변화할 때 방풍망이 풍잡음에 미치는 영향에 대해서 체계적인 연구가 필요하다.

방풍망의 풍잡음 효과에 대한 연구^(5~21)는 무향실에서 강제 송풍되는 바람에 의해 수행되는 것이 대부분으로 실제 소음이 발생하는 현장에서 진행되는 경우는 드물다. 특히 대부분의 민원 대상이 되는 도로와 철도 소음이 발생되는 현장에서 풍잡음이 포함된 소음에 대한 연구가 부족한 실정이다. 예컨대, 소음기의 투과 손실 측정시 바람이 있는 상태와 없는 상태의 소음의 주파수 특성이 달라지는 경험을 고려할 때, 무향실에서 순수한 바람만이 있을 때와 도로 및 철도 소음이 포함될 경우 방풍망의 성능이 주파수에 따라 달라질 수 있을 것이라는 것을 유추할 수 있다. 따라서, 방풍망 설치시 방풍망 내부로 바람이 전달되는 정도와 소음 측정방법 등에서 제안하고 있는 소음 측정의 한계 풍속이 5 m/s가 합당한 것인지 확인할 필요가 있다.

이 연구에서는 방풍망의 종류에 따른 풍잡음 저감효과를 정량적으로 확인하고, 소음원에 따른 풍잡음 저감 변화를 확인하였다. 이를 위해, 첫째, 국내에서 사용되고 있는 5개의 방풍망에 대하여 방풍망의 지름, 각 방풍망에 대한 PPI(pore per inch) 등을 조사한다. 둘째, 외부 풍속별로 방풍망 내부의 풍속 변화를 확인하였다. 셋째, 자유 음장에서 강제 풍속을 발생시켜 풍속별 풍잡음 저감량, 소음원에 따른 풍속별 소음의 변화량을 확인하였다. 넷째, 실제 자연 바람이 발생할 때 도로 주변에서 소음 측정을 수행하여 방풍망에 의한 소음 저감 정도를 확인하였다.

2. 방풍망과 실험방법

국내에서 사용되고 있는 소음계 및 마이크로폰의 직경은 대부분 1/2 inch이므로, 빈번히 사용되는 1/2 inch용 방풍망 5종을 Table 1과 같이 선정하였다. Model Ⅰ은 A사의 지름 9.5 cm, 40 PPI의 특성을 가지는 방풍망으로 가장 흔히 사용된다. Model Ⅱ는 B사의 소음계에서만 사용되는 타원형 방풍망으로 단축 5 cm, 장축 7 cm, 60 PPI의 특성을 가지고 있다. Model Ⅲ는 C사에서 높은 풍속에서도 사용할 수 있도록 특수 제작한 방풍망으로 지름 20 cm, 8 PPI의 특성을 가지고 있으며, Model Ⅳ는 A사 소음계의 몸체와 연결되도록 제작된 방풍망으로 타원형의 단축이 7 cm, 장축이 10 cm, 30 PPI의 특성을 가지고 있다. 마지막으로 Model Ⅴ는 C사에서 흔히 사용하는 지름 7 cm, 20 PPI의 특성을 가지고 있는 방풍망이다.

Table 1

Specifications of 5 windscreen models used in the work

실험에 사용된 장비는 Table 2에 정리하였다. 먼저 소음계(01 dB, Solo)는 현장에서 소음 측정시 사용하였으며, 마이크로폰(PCB, 378B02), 스피커(Cesva, BP012), 파워앰프(FALM, PA-1000), 대형 선풍기(한스전자, SFMC-750T)는 덕트 실험에 사용하였다. 또한 풍속 센서(schiltknecht)는 초당 풍속을 측정할 때 사용하고, 측정한 데이터는 Scadas Mobile에서 주파수 분석을 수행하였다.

Table 2

Specification of experimental equipment

3. 방풍망의 바람 차단 성능 실험

일정한 속도로 부는 바람이 방풍망 내로 유입되는 정도를 파악하는 실험을 수행하였다. 바람의 원활한 순환을 위해 창문 및 출입구를 개방한 실내에서, 선풍기를 일정한 속도로 가동시켰다. 바닥에서 0.6 m, 선풍기에서 1.2 m 떨어진 거리에 풍속 센서(anemometer)를 설치하여 풍속을 측정하였다.

먼저, 방풍망이 없을 경우 선풍기를 가동하여 평균 풍속이 6가지 경우(1 m/s, 1.9 m/s, 2.9 m/s, 4.0 m/s, 5.0 m/s, 5.9 m/s)가 되는 선풍기 회전 속도를 측정하였다. 각 경우에 방풍망 종류별 내부 풍속을 측정한 결과를 Table 3에 정리하였다. 풍속이 1.9 m/s(약 2 m/s) 일 때까지는 모든 방풍망이 바람의 유입을 잘 막았지만, 2.9 m/s(약 3 m/s)에서 Model Ⅳ와 Model Ⅴ는 각각 0.8 m/s, 0.9 m/s의 풍속이 계측되었다. 또한 4 m/s 이상에서는 모든 방풍망 내부로 바람이 유입되고 있음을 알 수 있었으며, 5 m/s에서는 Model Ⅴ에서 최대 1.4 m/s의 풍속이 계측되었다.

Fig. 1

Experimental set up to identify the capability of a windscreen to block a wind

Table 3

Wind speed measured inside the windscreen

측정되는 소음과 풍잡음의 차이가 10 dB(A) 이상 차이 나면, 풍잡음이 측정 소음 크기에 영향을 미치지 않는다고 알려져 있다. David와 Hessler⁽¹⁾가 수행한 풍속에 따른 풍잡음 실험결과(순수한 바람에 의한 소음)를 고려하면, 풍속이 5 m/s일 때 Model Ⅴ의 풍잡음이 약 30 dB(A) 내외로 추정된다. 따라서, 소음 크기가 40 dB(A) 이상의 소음이 발생되는 현장에서 풍속이 5 m/s이라면, 이 방풍망을 취부하여 소음 측정할 수 있다. Fig. 2는 Model Ⅴ의 추세선으로 분석한 결과이다. Model Ⅴ의 경우 풍속이 7 m/s 일 때 방풍망 내부에서는 약 2 m/s 정도로 추정할 수 있다. David와 Hessler⁽¹⁾가 수행한 풍속에 따른 풍잡음 실험결과를 고려하면, 풍잡음은 약 40 dB(A)로 확인되었다. 따라서 측정 대상이 되는 소음의 측정 소음도가 50 dB(A) 이상일 때는 이 방풍망을 사용하여 측정 하는 것이 무난할 것으로 판단된다.

Fig. 2

Wind speed measured inside the windscreen depending on wind speed in Model Ⅴ

4. 자유 음장에서의 강제 송풍 실험

인적이 드물고 암소음(background noise)이 크지 않은 정온한 장소를 선정하여, 자유 음장(콘크리트 바닥, 자연 바람의 유속이 1 m/s 이하인 상태)에서의 강제 송풍 실험을 실시하였다. 실험 방법은 Fig. 3과 같이 원형 덕트의 입구측에 대형선풍기와 무지향성 스피커를, 출구측에 마이크로폰과 풍속계를 바람이 수직 입사가 되는 방향으로 설치하여 실험을 수행하였다. 3 종류의 음원(백색잡음, 도로소음, 철도소음)을 사용하였고, 대형선풍기에 의한 바람의 세기(풍속)는 3가지 경우로 조절(출구측에서 각각 무풍(자연상태, 1 m/s 이내), 2 m/s, 5 m/s) 하였다. 출구측에 2개의 마이크로폰을 설치하는데, 한 개는 방풍망을 설치하지 않은 기준 마이크로폰(reference microphone)인 Mic-1이고 다른 하나는 방풍망을 설치한 Mic-2이다. 각 마이크로폰에서 약 60초 동안 측정한 평균 등가소음도(Leq)를 비교한다. 실험에는 파워 앰프에 내장된 백색 잡음, 경부고속도로 변에서 녹음한 도로 소음, 무궁화호와 전철 1호선이 통과하는 경부선 변에서 녹음한 철도 소음을 사용하였다(Fig. 4 참조). 철도 소음의 경우, 녹음하는 동안(약 1분) 총 4대의 열차가 통과하였다.

Fig. 3

Experimental set up to forced wind test in the free field

Fig. 4

Noise sources used for test

4.1 소음원에 따른 방풍망에 의한 소음 저감

먼저 강제 송풍을 하지 않는 상태(자연상태 풍속 0 m/s ~ 1 m/s)에서 소음원의 종류에 따른 소음 변화를 확인하였다. Table 4는 Mic-1과 Mic-2를 비교하여 그 차이를 전체(overAll) 소음 크기로 나타낸 것이다. 먼저 Mic-1과 Mic-2의 마이크로폰에 모두 방풍망을 설치하지 않은 상태에서의 소음차(Mic2-Mic1)를 기준으로 Mic-2에 방풍망을 설치한 후의 차이를 비교하여 분석하였다. Model Ⅲ에 대하여, 백색 잡음(white noise)인 경우 소음이 가장 많이 감소하였고 도로소음과 철도소음 순인 것으로 나타났다. 소음 변화량에서는 Model Ⅲ를 제외하고 ±0.3 dB 이하로 소음의 변화가 크지 않은 것으로 보아 소음원에 따른 전체 소음 크기의 변화는 크지 않은 것을 알 수 있다.

Table 4

Noise reduction due to windscreen depending on noise source

소음원 종류에 따라 주파수별 차이를 확인하기 위해 1/3 옥타브(1/3 octave frequency) 분석을 수행하였다. Fig. 5는 도로 소음의 중심주파수별 소음 변화량을 방풍망의 종류에 따라 나타낸 것이다. Model Ⅲ(지름이 큰 방풍망)을 제외하고 방풍망 설치에 따른 주파수별 소음의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 다만, Model Ⅲ의 경우 6300 Hz 이상의 고주파수 대역에서 소음 감소량이 크게 나타났다. 이는 방풍망의 지름이 큰 것에서 기인한 것으로 추정되므로 고주파가 많은 현장의 경우는 지름이 큰 방풍망을 사용하는 것을 지양해야 할 것으로 판단된다.

Fig. 5

Noise reduction due to windscreen for road noise

4.2 소음 크기에 따른 방풍망에 의한 소음 저감

소음원의 크기에 따른 풍잡음 변화를 확인하였다. Table 5는 소음원의 크기를 70 dB(A) ~ 100 dB(A)로 변화하였을 때 방풍망 설치 여부에 따른 소음 차이를 전체(overall level: OL) 소음값으로 나타내었다. Model Ⅰ, Ⅱ, Ⅳ, Ⅴ의 경우는 방풍망 설치에 따른 풍잡음 변화가 최대 ±0.4 dB 전후로 크지 않은 것으로 나타났으나 Model Ⅲ의 경우 최대 －0.98 dB로 소음원의 크기가 증가할수록 방풍망에 의한 소음변화량이 감소하는 것으로 나타났다.

Table 5

Noise reduction due to windscreen depending on the magnitude of white noise

또한 소음원의 크기에 따른 측정된 소음 변화가 주파수별로도 발생되는지 확인하기 위해 1/3 옥타브(1/3 octave) 분석을 수행하였다. Fig. 6은 중심주파수별 소음 변화량을 방풍망의 종류에 따라 나타낸 것이다. 그 결과 Model Ⅲ을 제외하고 소음원의 크기가 변하더라도 방풍망 설치에 따른 주파수별 소음도의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 따라서, 대상 소음이 70 dB(A) 이상인 환경에서는 일반적으로 많이 사용하는 지름이 10 cm 이하의 방풍망을 사용한다면 소음 측정결과에는 크게 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.

Fig. 6

Noise reduction due to windscreen for white noise (70 dB(A))

4.3 풍속에 따른 풍잡음의 변화

백색 잡음(white noise)을 음원으로 이용하여 풍속이 변화할 때 방풍망별 소음 차이를 확인하기 위해 출구측에서 2 m/s ~ 5 m/s가 발생되도록 선풍기의 회전 속도를 조절하였다. 측정한 소음 결과(Table 6과 Fig. 7)를 살펴보면, 풍속이 3 m/s 일 때까지 상대적으로 풍잡음이 증가하다가 4 m/s 이상으로 올라가면 오히려 풍잡음이 감소하는 것으로 나타났다. 다만 Model Ⅱ 방풍망은 4 m/s까지 소음이 증가하였다. Fig. 8은 5 m/s의 바람이 불 때의 측정된 소음을 1/3옥타브(1/3 octave)로 분석한 결과를 나타내고 있다. 바람이 불지 않을 때와 비교하여, 모든 방풍망에서 50 Hz 이하의 저주파대역에서는 방풍망에 의한 풍잡음 저감이 컸다.

Table 6

Noise reduction due to windscreen depending on the wind speed

Fig. 7

Difference in noise due to changes in wind

Fig. 8

Frequency characteristics of windscreens for wind speed of 5 m/s

5. 실제 현장에서의 풍잡음 실험

도로에 차량이 정상적으로 통과하고 풍속이 발생되는 현장에서 소음을 측정하였다. 도로 끝단으로부터 20 m 거리, 도로 지면으로부터 4 m 높이에서 측정하였으며, 소음계(sound level meter) 2개와 풍속 센서를 설치하여 초당 데이터를 취득하였다. 해당 도로는 제한 속도가 80 km/h인 왕복 4차선(주행 차선 기준) 아스콘포장 도로이다. Fig. 9는 현장 측정시 구성한 실험 장치의 설치 사진이다.

Fig. 9

Experimental setup to measure road noise in the real field

실제 차량이 통행하고 있고 풍속이 랜덤하게 발생할 때 소음을 측정하였다. 방풍망을 설치한 소음계와 설치하지 않은 소음계를 동시에 약 30분 이상 계측하여 초당 및 분당 등가소음도(LA_eq, 식 (1) 참조)), 순간 및 평균 풍속을 분석하였다. 먼저 차량이 통과하지 않거나 멀리서 차량 소리가 들리는 경우(방풍망이 설치된 소음계의 초당 소음도가 50 dB(A) 이하)의 데이터를 이용하여 방풍망과 풍속의 관계를 추정하였다. Table 7과 Table 8, 그리고 Fig. 10에서 방풍망을 설치하고 측정한 소음과 방풍망을 설치하지 않고 측정한 초당 소음의 차이를 계산하여 풍잡음의 추세선을 도출하고 풍속별 방풍망의 영향을 추정하였다. 그 결과 방풍망 유무에 따라 풍속이 5 m/s인 경우 13.5 dB(A) ~ 15.6 dB(A), 7 m/s인 경우 20.5 dB(A) ~ 23.1 dB(A) 소음이 저감한 것으로 추정되었다. 이는 바람에 의한 풍잡음이 그만큼 증가한다는 의미이고, 방풍망의효과로 볼 수 있다: 등가소음도

Table 7

Trend line of noise level (SPL,1s) under 50 dB(A) in the outdoor noise test

Table 8

Noise difference (SPL,1s) due to windscreen depending on wind speed in the outdoor noise test

Fig. 10

Noise differecne (SPL,1s) due to windscreen (model Ⅰ) depending on wind speed in the outdoor noise test

다음으로 방풍망을 설치한 소음계와 방풍망을 설치하지 않은 소음계의 분당 등가소음도 차를 풍속별로 비교하고 추세선으로 식을 도출하였다. Table 9와 Table 10, 그리고 Fig. 11에서 방풍망별 풍잡음 추세선을 도출하고 풍속별 방풍망의 효과(방풍망 미설치된 소음계의 등가소음도와 방풍망 설치된 소음계의 등가소음도 차)를 산정한 결과 소음도 차이는 평균 풍속이 5 m/s 정도일 때는 2.0 dB(A) ~ 3.4 dB(A), 7 m/s 정도일 때는 5.0 dB(A) ~ 6.4 dB(A)로 나타났다. 즉, 등가소음도가 60 dB(A) ~ 70 dB(A) 정도의 현장에서는 방풍망의 풍잡음 저감 효과는 풍속이 5 m/s 정도일 때 약 3 dB(A) 내외, 7 m/s 정도일 때 약 6 dB(A) 내외임을 알 수 있다. 즉, 순간적인 풍속에 따른 풍잡음은 크게 발생되나 평균적인 풍잡음은 상대적으로 크지 않은 것으로 분석되었다.

Table 9

Trend line of noise level (ΔLeq,1min) in the outdoor noise test

Table 10

Noise difference (ΔLeq,1min) due to windscreen depending on wind speed in the outdoor noise test

Fig. 11

ΔLeq,1min of outdoor noise test – model Ⅲ

6. 결 론

방풍망의 풍잡음 저감효과를 확인하기 위해 다양한 실험을 진행하였다. 먼저 방풍망 내부에 전달되는 풍속을 확인한 결과 풍속이 1.9 m/s(약 2 m/s)일 때까지는 방풍망이 바람의 유입을 잘 막았지만, 4 m/s 이상에서는 모든 방풍망 내부에 풍속이 계측되어 바람이 방풍막 내부로 충분히 유입되고 있음을 알 수 있었다. 문헌자료의 풍잡음 실험결과와 비교하였을 때 모든 방풍망은 풍속이 5 m/s일 때 측정소음도가 40 dB(A) 이상이 되는 조건에서 소음 측정이 가능함을 확인하였다. 또한 방풍망의 지름 및 PPI의 사양에 따라 그 성능이 다르다는 것을 확인하였다. 다만, 이 실험은 실내에서 수행되어 벽체와 실내 내장품 등에 의한 바람 반사가 포함되어 있는 한계가 있기에, 방풍망의 특성을 파악하는 기초 자료라 할 수 있다.

다음으로 강제 송풍 실험을 실시하였다. 소음원의 종류(백색 잡음, 도로 소음, 철도 소음)에 따라 소음도 변화를 확인한 결과 지름이 20 mm인 Model Ⅲ 방풍망을 제외하고 일반적으로 사용되고 있는 Model Ⅰ, Ⅱ, Ⅳ,Ⅴ 방풍망은 소음원의 종류에 따른 풍잡음 변화에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한 소음원의 크기를 70 dB(A) ~ 100 dB(A)로 변화하였을 때, 풍속에 따른 소음 변화도 5 m/s 이내에서는 전체 소음 값에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 다만, 주파수 분석을 통해 확인한 결과 50 Hz 이하의 저주파대역에서 방풍망에 의한 소음 저감이 크게 발생한다는 것을 알 수 있었고, 지름이 큰 Model Ⅲ 방풍망은 6300 Hz 이상에서 소음 저감이 상대적으로 큰 것을 알 수 있었다.

마지막으로 차량이 빈번히 통행하는 현장에서 초당 소음도 및 분당 등가소음도를 측정하여 풍속에 따른 방풍망 효과를 확인하였다. 그 결과 등가소음도가 60 dB(A) ~ 70 dB(A)가 되는 현장에서는 풍속이 5 m/s 정도일 때 순간적인 소음은 13 dB(A) 이상 증가하나 평균화된 등가소음도(Leq)는 3 dB(A) 정도 증가하는 것으로 확인되어 시간 평균된 등가소음도의 증가는 순간적인 바람에 의한 소음의 증가만큼 크게 측정되지 않는 것으로 나타났다. 다만, 실제 현장에서의 실험은 풍속의 변화 뿐만 아니라 빈도, 강도, 방향, 대기상태 등 다양한 조건이 변화되어 결과의 도출에 한계가 있으므로 값의 정확성을 가지기 보다는 경향을 파악하는데 주 목적이 있다고 하겠다.

국내에서는 대부분의 소음 측정에서 등가소음도(Leq)를 평가 단위로 선정하고 있고, 측정시 제한 풍속을 5 m/s로 하고 있다. 5 m/s를 초과할 때 방풍망 내부로 들어오는 풍속이 증가하여 풍잡음을 일으키는데, 실제 외부 현장에서는 풍속과 소음이 계속해서 변화하므로 등가소음도(Leq)에 대한 보정값을 산정하기에는 한계가 있음을 확인하였다. 따라서, 풍속이 5 m/s를 초과할 경우 소음 측정은 지양하는 것이 타당하며, 옥외에서는 방풍망을 설치하여 측정을 수행하여야 측정의 정확성을 유지 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 향후 이러한 현장 특성(풍속과 소음의 계속적인 변화)을 고려하여 무향실에서의 실험을 수행한다면 현장에서 적용할 수 있는 정확한 풍잡음 특성을 확인할 수 있을 것으로 판단된다.

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