유지보수성 개선을 위한 복합 구조를 갖는 탈부착형 방음판 개발 연구

2.1 흡음성능 평가 방법

방음판의 흡음성능의 경우 KS F 2805 잔향실법 흡음성능 측정방법에 따라 측정하며 방음판의 경우 A형 설치법으로 1/3옥타브 밴드의 중심 주파수에서 흡음계수를 계산한다⁽⁶⁾.

흡음성능의 평가는 KS F 4770-1 방음판 금속재의 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz 대역에서 흡음률 산술 평균값을 Table 1의 4개의 등급으로 나누어 평가되며, NRC(noise reduction coefficient)는 단순 산술평균 값이기 때문에 주파수 특성을 고려하지 않고 특정주파수에서만 흡음률이 높은 경우 NRC 값이 증가되는 단점이 있다⁽⁷⁾.

Table 1

Sound absorption coefficient class (KS F 4770-1)

CEN(European Committee for Standardization)에서 제시한 흡음률은 Table 2와 같이 6개의 등급⁽⁸⁾으로 평가된다. CEN의 high performance의 경우 125 Hz의 성능 확보가 가장 어려운 지표이다. 그 이유는 125 Hz는 20 ℃에서 음속이 약 343 m/s, 파장이 약 2.75 m로 파장이 길어 다공질의 흡음재로 저주파수대역의 흡음성능을 향상시키기 매우 어렵다. 철도의 저주파대역 소음 영향은 주로 레일과 열차 바퀴의 상대적인 조도 및 침목과 레일의 커플링에 의해 발생하는 레일과 침목의 소음이며, 방음벽 설계 시 고주파 성분뿐만 아니라 저주파 성분의 소음도 함께 고려가 되어야하기 때문에⁽⁹⁾ 철도공단에서는 철도용 방음판에 대하여 CEN의 high performance의 흡음성능을 요구하고 있다.

Table 2

Sound absorption coefficient of CEN

2.2 차음성능 평가 방법

방음판의 차음성능은 KS F ISO 10140-2 음향-건물 부재의 차음성능 실험실 측정방법 – 제2부:공기 전달음 차단 성능 측정방법에 따라 1/3옥타브 밴드의 중심 주파수에서 음향감쇠계수(투과손실:transmission loss)를 계산한다⁽¹⁰⁾. 차음성능의 평가는 KS F 4770-1 방음판 금속재의 500 Hz에서 25 dB, 1000 Hz에서 30 dB의 기준으로 음향감쇠계수 값을 평가한다⁽⁸⁾.

3.1 탈부착형 방음판

일반 방음판의 경우 지주(H형강)에 방음판을 상부에서 삽입하여 끼우는 형태로 시공이 되나 탈부착 방음판의 경우 빔 브라켓을 활용하여 지주에 바로 고정이 가능하여 Fig. 1과 같이 탈거가 가능하고 방음판의 노후화로 손상이 발생된 주요 부위를 개별로 보수가 가능하여 방음성능을 확보한다면 유지보수성 관점에서 경제성과 효율성이 우수할 것으로 예상된다.

Fig. 1

Concept of detachable noise barrier

지주(H형강)의 다양한 형태에 모두 적용이 가능한 범용성을 갖도록 제작하기 위하여 가장 많이 사용되는 150 mm 지주에 각각의 탈부착 부품이 빔 브라켓에 독립적으로 조립되도록 함으로써 유지보수에서 발생하는 경제적 손실을 줄이고 지주 내부에 공간을 확보하여 흡음층, 공기층, 타공판을 활용하여 흡음성능과 차음성능을 만족하고자 하였고, 흡음성능 확보를 위한 방음판의 구성은 Table 3과 같다. Case 1의 구조는 Fig. 2의 (a)와 같고, 차음실험에 적용한 case 6의 구조는 Fig. 2의 (b)와 같다. Case 1의 흡음조립세트(kit)의 흡음성능 산술평균 값이 0.73이 확보되었고 이를 기준으로 배후 공기층의 영향을 파악하고자 하였으며 case 2는 흡음조립세트(kit)의 흡음성능 산술평균 값이 0.89가 확보되어 탈부착형으로 적용하여 그 성능을 확인하였다. Case 1, case 2는 흡음조립세트(kit)의 흡음성능보다 탈부착형으로 적용 시 흡음성능이 저하되어 case 3에는 전면판에 폴리에스터를 추가하여 성능을 확인하였고 case 4, case 5는 125 Hz CEN의 high performance 흡음성능을 만족시키기 위하여 선정된 조건이다. 마지막으로 case 6의 경우 전면판의 두께 50 mm에서 12.4 mm로 축소시켜 전체 두께 282.4 mm로 CEN의 high performance 만족시키고자 하였으며, 최종 282.4 mm의 탈부착형 방음판을 현장에 적용하기 위하여 실험실에서 차음성능을 측정하였다.

Table 3

Material property for body frame

Fig. 2

Structure of case 1 & case 6

3.2 흡음성능 측정

탈부착형 방음판의 흡음률 측정을 위해 잔향실의 바닥에 시료의 크기 11.07 m²(3.04 m × 3.64 m)을 Fig. 3과 같이 구성하고 시료가 설치된 잔향실의 모습은 Fig. 4와 같다.

Fig. 3

Specimen installation diagram in reverberation room

Fig. 4

Example of specimen installation for sound absorption test is reverberation room

3.3 차음성능 측정

흡음성능이 확보된 탈부착형 방음판의 차음성능을 측정하기 위한 실험정보는 Table 4와 같고 두 개의 잔향실에서 왼쪽이 음원실, 오른쪽이 수음실로 그 사이에 탈부착형 방음판이 설치되어 Fig. 5로 차음실험이 구성되었고, 장비의 사양은 Table 5와 같다. 차음성능의 측정은 282.4 mm의 탈부착형 방음판을 10 m²(3650 mm × 2740 mm)의 공간에 지주(H형강)를 측면에 용접으로 설치하고 탈부착형 방음판을 빔 브라켓을 활용하여 설치하였다. Fig. 6은 지주에 탈부착형 방음판이 설치되는 구조이며, 음원실에서 시료가 설치된 모습은 Fig. 7과 같다.

Table 4

Information of sound insulation test

Fig. 5

Sound insulation test diagram

Table 5

Test equipment

Fig. 6

Schematic of installation conditions

Fig. 7

Specimen installation for sound insulation test

3.4 흡음재 구성 흡음성능 개선 효과

Table 4의 총 6가지 탈부착형 방음판의 구성 조건으로 흡음성능을 확인하였으며, 초기 조건은 case 1로 총 두께 320 mm, 전면판 타공 지름 8 mm, 간격 10 mm, 내부에 100 mm 공기층과 흡음조립세트(Kit) 100 mm의 내부에 폴리에스터 32 kg/m³, 50 mm, 후면 바닥에 공기층 170 mm로 구성하였고 그 결과는 Fig. 8과 같다. CEN high performance를 만족하기 위해서는 전체적으로 흡음성능을 향상시켜야 됨을 확인할 수 있다. Case 2는 전체적인 흡음성능 향상을 위해서 흡음재 KIT 내부에 고밀도 흡음재가 저밀도 흡음재를 감싸는 형태로 구성하였고, 그 결과를 Fig. 9에서 비교하였다. 160 Hz에서 2000 Hz까지 일부 개선은 되었으나 오히려 2000 Hz이상에서는 흡음성능이 저하되었다. Case 3은 case 2에서 전면판 내부에 폴리에스터 32 kg/m³, 50 mm를 설치하여 Fig. 10에 그 결과를 나타내었고, 고주파수 대역을 포함하여 전체적으로 흡음성능이 향상되었으나 125 Hz, 250 Hz에서의 흡음성능은 부족하였다. Case 4는 저주파수 대역의 흡음성능을 개선하기 위하여 흡음조립세트(kit)의 흡음재 구성을 아트보드 230 kg/m³, 3 mm에서 고밀도 아트보드 280 kg/m³, 3 mm로 변경하고 고밀도 아트보드를 추가 시공하였다. 또한 폴리에스터 32 kg/m³, 34 mm에서 폴리에스터 48 kg/m³, 40 mm로 두께와 밀도를 변경하였다. Fig. 11을 확인하면 저주파수 대역의 흡음성능이 약 10 % 상승하였으나 125 Hz high performance는 만족하지 못하였고 125 Hz의 성능을 향상시킬 수 있는 대책이 필요하였다.

Fig. 8

Test result of case 1

Fig. 9

Comparison of case 1 and case 2

Fig. 10

Comparison of case 2 and case 3

Fig. 11

Comparison of case 3 and case 4

3.5 타공판 구성 흡음성능 개선 효과

125 Hz의 흡음성능을 향상시키기 위해 공기층 사이에 타공판을 설계하였다. Fig. 12는 타공판의 구성을 나타내었고, 타공판 구멍의 크기가 음의 파장에 비해 매주 작을 때는 공명주파수 부근에서 흡음하는 원리로 판의 두께(h), 배후 공기층의 두께(d), 개공률(β)을 이용하여 식 (1)과 같이 표현된다. 개공률은 식 (2)로 얻을 수 있다.

where c = sound of speed in air
h = plate thickness
a = radius of hole
d = thickness of air layer
β = opening rate
B = distance between holes

Fig. 12

Configuration of perforated panel

Case 5는 타공판과 공기층을 조합하기 위하여 상단부 공기층을 90 mm 후면부의 공기층을 90 mm로 설계하고, 추가적으로 하단부 공기층 중간에 230 kg/m³의 흡음재와 타공판을 결합한 구조로 Table 6과 같이 배치하였다. 타공판이 없는 경우인 case 4와 타공판이 설치된 경우인 case 5를 Fig. 13에서 비교하였다. 하단부 공기층과 타공판의 영향으로 125 Hz의 흡음성능은 0.18 증가되었고, 중고주파수대역의 흡음성능도 상당히 개선되어 CEN의 high performance를 상회하며 만족하였다.

Table 6

Configuration of perforated panel

Fig. 13

Comparison of case 4 and case 5

추가적으로 case 6는 최적의 흡음성능 확보 및 경제성 개선을 위하여 전면판의 높이 약 20 mm 축소, 내부 폴리에스터 32 kg/m³, 50 mm를 제거하고, 흡음조립세트(kit)의 흡음재 구성을 고밀도 아트보드 280 kg/m³, 3 mm를 추가하였다. 또한 공기층 사이에 설치된 타공판의 처짐 현상 발생으로 타공판을 0.15 mm 강성을 보강하고, 흡음재의 밀도를 280 kg/m³로 상단부 공기층을 94 mm 후면부의 공기층을 84 mm로 설계 변경하였고 그 결과를 Fig. 14에 case 5와 비교하였고, Table 7은 high performance 흡음성능을 평가하는 흡음계수의 결과값을 표현하였다.

Fig. 14

Comparison of case 5 and case 6

Table 7

Results of sound absorption test

3.6 탈부착형 방음판 차음성능 측정 결과

282.4 mm의 탈부착형 방음판의 차음성능 측정 결과는 Fig. 15에 나타내었고 500 Hz에서의 차음성능은 27.0 dB, 1000 Hz에서는 35.4 dB로 KS F 4770-1에서 제시하는 음향감쇠계수 기준을 만족하였다.

Fig. 15

Result of sound insulation test