주거지의 정온한 환경은 주거자의 삶의 질적 요소로 중요하다. 하지만 층간소음 이웃사이센터 보고 자료에 따르면 공동주택 층간소음관련 민원이 해마다 증가하고 있어 문제가 되고 있다.

이러한 층간소음의 해결을 위해서는 구조적인 해결법 외에도 실제 실내에서 발생하는 소음원에 대한 바닥구조에 대한 정확한 측정과 평가가 중요한 요소라 할 수 있다. 전문가 대상 설문조사⁽¹⁾에서 바닥구조에 가진을 하는 충격원을 개발한다면 재현할 점에 있어 어린이가 위치를 움직이며 뛰는 것을 반영하는 것이 필요한 것으로 밝혀졌다. 하지만 현재 표준충격원으로 사용하고 있는 고무공은 충격력과 주파수 관점에서 어린이의 뜀과 비슷하나, 측정 시 한 지점에서 가진하여 측정하고 평가하고 있다. 실제 어린이가 달리는 모습을 관찰하면 연속적이면서 가진점이 이동을 하는 형태이다. 따라서 이러한 어린이의 뜀을 반영한 충격원을 개발하면 현재의 충격원을 보완하여 보다 정확한 평가가 가능할 수 있다.

실제 충격원 및 표준충격원 대한 물리적 특성에 관한 연구 중 Kim 등⁽²⁾의 연구에서는 어린이의 충격력의 경우 체중과는 비례하나 그 경향성은 찾기 어려웠다. Park 등⁽³⁾의 연구에서도 실제 충격원과 표준 충격원 간의 물리적 특성의 차이가 있는 것으로 분석되었다. Jeong⁽⁴⁾의 연구에서 고무공이 어린이의 뜀과 주파수 측면에서 유사한 표준충격원으로 나타났다. 하지만 Lee 등⁽⁵⁾의 연구에서는 표준충격원 비교에서 고무공이 어린이 뜀과 가장 유사하나 임피던스나 충격력에 있어 차이가 나타났다. 또 Park 등⁽⁶⁾의 연구에서는 보행의 경우 표준 충격원보다 충격력과 주파수 스펙트럼이 낮게 나타났고, 고무공의 경우, 63 Hz, 80 Hz, 100 Hz의 중심주파수 영역에서 보행의 충격력이 더 높게 나타났다. 이러한 연구들을 통해 기존의 충격원 중에서 물리적 특성이 어린이의 뜀과 가장 유사한 것은 고무공으로 나타났지만 이러한 유사성에도 어린이의 뜀과는 차이가 있었다.

충격원에 있어 물리적 특성과 함께 청감적인 부분도 중요하다. 청감적 반응에 대한 심리음향학적 연구로는 Jeon 등⁽⁷⁾의 연구에서 표준충격원(뱅머신, 고무공, 태핑머신)의 주관적 반응을 통해 고무공이 어린이의 뜀과 가장 유사한 반응을 보이는 것으로 나타났다. Jeong⁽⁴⁾에서도 고무공이 실제 충격음을 잘 재현하는 것으로 나타났다. 하지만 Park 등⁽⁶⁾에서 고무공의 유사성에도 불구하고 정확한 보행의 재현에 있어 차이가 있는 것으로 나타났다. 그러므로 어린이의 뜀을 보행의 관점에서 정확히 모사하며, 이와 더불어 연속적이고 이동이 가능한 가진점을 갖는 충격원을 고안 한다면 더 나은 평가가 가능할 것으로 판단된다. 이를 위해서 어린이 뜀의 속도와 보폭에 대한 정보가 필요하나 이러한 데이터가 부족한 실정이었다.

따라서 이 연구에서는 어린이 뜀의 보폭과 속도 데이터를 얻기 위해 실제 어린이의 뜀을 동영상으로 촬영하고, 이를 분석하였다. 어린이는 실내에서 달릴 수 있는 여러 형태를 재현하기 위해 직선과 8자형 두 가지에 대해 실험을 실시하였다. 분석은 어린이의 뜀에 영향을 미칠 수 있다고 예상되는 연령, 키, 몸무게, 성별에 따라 하였다. 이 분석을 바탕으로 신중량 충격모델의 속도, 보폭을 제안하고자 한다.

어린이의 뜀 동영상 분석데이터를 토대로 신중량 충격음원모델의 가진부 형태를 제안하려고 한다. 신중량 충격음원모델의 중요 반영 인자로는 보폭과 속도였고 보폭은 가진부의 반지름을 통해, 속도는 가진부의 회전속도를 통해 반영할 수 있어야 한다. 이러한 요소를 반영한 가진부의 예시는 Fig. 21과 같다. 중앙부의 핸들을 통해 가진부의 회전 뿐만 아니라 가진부 자체도 핸들을 중심으로 하는 원궤도를 따라 회전을 하여 이동가능한 가진점을 재현할 수 있도록 하였다. 가진부는 발모양의 의족 모양의 가진점을 만들어 실제 발과 유사한 충격과 파형을 얻을 수 있도록 할 예정이다. 보폭과 속도는 두 데이터에서 만 5세를 기준으로 계산하였다. 또 두 형태의 평균치 데이터로도 계산해보았다.

Fig. 21 
The prototype model of the new heavy-weighted impact source

보폭은 원궤도를 따라 운동한다는 가정을 하여 다음의 식 (1)으로부터 결정하였다.

회전속도는 반지름을 r, 회전체 가장자리의 속도를 v라고 하면 시간 t 동안 이동한 거리를 L이라 하면 L = v×t이고 시간 t 동안 회전한 각도라고 하면 θ = (360×L)/2 = (360×v×t)/2가 된다.

회전하는 물체의 각속도를 ω라고 하면 ω = ω = θ/t = (360×v)/2πv에서 v를 구한다.

이러한 방식으로 8자와 두 방식의 평균에 대해 계산한 결과는 Table 3과 같다. 표에는 걸음 수를 나타낼 수 있는 값으로 주기를 추가하여 나타냈다. 주기의 경우 5세를 기준으로 계산하면, 3가지 값들에서 차이를 보이지 않았다. Table 3에서 평균치를 제시한 것은 실제 주거지에서 어린이의 뜀은 직선과 곡선 경로가 혼재되어 나타나게 되는데, 이를 반영한 경우를 나타내기 위한 수치로 활용하기 위함이다.

시뮬레이터의 가진부가 어린이의 뜀을 포괄적으로 모사하기 위해서는 단순히 직선경로나 곡선경로만을 고려하기 보다는 두 가지 형태 모두를 반영한 값이 필요하다. 이를 위해 신충격음원모델의 가진부는 두 경로의 평균 수치를 반영하여 제작하는 것이 효과적이라고 판단하였다.

신중량 충격원 개발을 위해 필요한 보폭과 속도의 데이터를 얻기 위해 어린이의 뜀 실험을 실시하였다. 실험의 결과는 직선경로에서는 보폭과 속도에 영향을 미치는 영향인자는 나이, 키 그리고 몸무게로 나타났다. 나이와 키, 몸무게는 보폭과 속도에 양의 상관관계를 보이는 것으로 나타났다. 보폭과 나이, 키, 몸무게의 상관성은 각각 0.98(p<0.05), 0.84(p<0.05), 0.62(p<0.05)로 나타났다. 속도와 나이, 키, 몸무게의 상관성은 각각 0.98, 0.63, 0.40(p<0.05)으로 나타났다. 나이와 키, 몸무게는 신체적 성장지표를 나타내는 요소이기 때문에 이러한 상관관계가 나타나는 것으로 보인다. 같은 성장 지표이지만 몸무게의 경우에는 비만과 같이 키나 나이에 비해 몸무게가 많이 나가는 경우가 있고 이로인해 속도나 보폭이 작은 값이 나올 수 있기에 상관성이 나이나 키에 비해 낮은 것으로 분석된다. 이를 확인하기 위해서, 추세선에서 크게 벗어나는 4개의 데이터를 제외하고 분석한 결과 상관계수가 보폭과 속도에서 각각 0.62에서 0.8(p<0.05)로, 0.4에서 0.7(p<0.05)로 각각 증가하는 것으로 나타났다. 성별은 보폭, 속도와 상관성이 없는 것으로 나타났다. 8자경로에서는 보폭의 경우 나이, 키, 몸무게와 비례하는 경향을 보였으나 그 상관관계 전체적으로 직선경로에 비해 낮았다. 속도는 나이에서 3세 ~ 5세까지는 양의 상관관계를 보였으나 6세에서는 음의 상관관계를 보였다. 키, 몸무게는 속도와 양의 상관관계를 보이나 직선경로의 수치에 비해 낮았다. 걸음 수는 나이, 키, 몸무게가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 같은 경로라도 신체적으로 성장함에 따라 보폭이나 속도가 커지면서 이러한 결과를 보이는 것으로 해석된다.

이 데이터를 활용해 신중량 충격모델의 가진부를 설계해 보았다. 보폭과 속도를 효과적으로 반영하기 위해 가진부는 원형의 중심부에 90도 간격으로 인체의 발모양을 설치하여 회전시키는 방향으로 설계하였다. 또 가진부 자체도 핸들을 중심으로 하는 원궤도를 따라 이동할 수 있도록 하여 어린이가 가진하는 방식을 재현하도록 했다. 만 5세 어린이를 기준으로 직선, 8자형 경로와 둘의 평균 수치에 대해 계산해 보았다. 결과는 Table 3과 같았다. 시뮬레이터 제작에는 이 수치들 중에서 평균치를 활용하기로 하였다.

추후, 속도와 보폭만 고려한 데이터의 보완을 위해 어린이 뜀의 충격력 레벨과 주파수를 측정하여 속도와 보폭과의 관계성이 있는지 여부를 밝히고 이를 적용하는 것이 필요하다.