서 론

국내 공동주택에서 거주하면서 상층 바닥충격음으로 인하여 민원(Jang et al., 2020)에 대한 걱정을 하고 있는 세대가 적지 않을 것으로 사료된다. 이러한 민원 해결을 위하여 건설사, 연구기관 등에서는 다양한 기술개발(Yoo and Jeon, 2014; Kang et al., 2015; Yeon et al., 2016; Lee et al., 2021) 결과를 공동주택에 적용하고 있다. 하지만, 이러한 기술개발을 통한 바닥충격음 민원 및 문제발생 감소가 눈에 띄지 않고 살인사건 및 방화사건 등이 왕왕(往往) 일어나면서 정부에서는 주택법 제·개정(MOLIT, 2020)을 통한 바닥충격음 문제해결을 진행하고 있는 실정이다.

공동주택에 바닥충격음 저감을 위해 사용되는 완충재는 공동주택과 동일한 시험동에서 시공을 하고 인정기관 또는 KOLAS 시험기관 등에서 바닥충격음 측정 및 평가(KS F 2810-2, 2012; KS F 2863-2, 2017)를 통하여 성적서를 발급받게 된다. 또한, 발급받은 성적서를 인정기관에 제출하게 되면 시험한 완충재에 대한 인정서(MOLIT, 2019) 발급이 완료되게 된다. 하지만 시험동에서의 성능과 현장에 시공하였을 때 그 차이는 존재하게 되며 이러한 문제를 해결하기 위해 2022년 하반기부터 공동주택 사업승인 대상인 현장의 경우 준공 시 사후성능 확인제도(Minister of Land, 2022)의 적용 대상이 된다. 적용 대상인 공동주택 현장의 경우 KOLAS 시험기관 등에서 현장 투입 후 바닥충격음 측정 및 평가를 받을 것으로 예상된다.

현장에서 제대로 바닥충격음 측정 및 평가를 진행함에 있어 KOLAS에서 언급(KS Q ISO IEC 17025, 2021)하고 있는 측정 소급성의 만족을 위하여 인력, 장비, 교육 등의 기본적인 사항에 대한 충족이 중요시 되고 있다. 바닥충격음 측정 및 평가를 위해 국내 소음·진동 관련 인정기관, KOLAS 시험기관 및 품질검사기관 등은 기본적으로 주파수 분석기(Frequency analyzer)를 중심으로 마이크로폰 등을 결합하여 측정 및 평가에 활용하고 있다. 또한, 측정 장비의 경우 ISO/IEC 17025 6. 자원요구사항 6.4.5항 ‘측정에 사용된 장비는 유효한 결과를 제공하는데 요구되는 측정정확도 및 또는 측정불확도를 달성할 수 있어야 함’이라고 명시되어 있으며 6.4.6항에는 ‘측정장비는 다음과 같은 경우 교정(다수의 양으로부터 계산된 측정결과를 얻기 위해 사용된 장비)’을 진행한다고 명시되어 있다. 또한, 6.4.7 항에 의거하여 교정주기 및 교정대상 장비 등을 설정(KATS, 2021), 외부 교정기관에 의뢰하여 반드시 교정 절차를 통해 맡겨야 한다. 이 절차는 반드시 거쳐야 하는 과정으로 절차를 수행하지 않을 경우 기관에서 측정 및 평가 업무 진행에 영향을 받게 된다.

음향측정장비의 교정 요인으로 주파수 분석기, 마이크로폰(microphone), 소리 교정기(acoustic calibrator)를 고려할 수 있으며, 교정주기는 1년을 권장하고 있다(Kim et al., 1998). 여기에서, 마이크로폰과 소리 교정기는 교정 결과 값이 dB 단위로 도출되는 반면에 주파수 분석기는 채널별과 각주파수 대역별로 mV (Milli-Volt) 또는 V (Volt) 단위의 전압으로 교정 결과가 제시되는 문제가 있다. 따라서, dB 단위로 도출되는 바닥충격음 측정결과에 주파수 분석기의 교정 값은 직접적으로 활용되지 못하고 있으며, 실제 측정 시에는 마이크로폰에 소리 교정기를 삽입하여 1,000 Hz 대역만의 음압레벨을 교정하여 사용하고 있는 실정이다. 측정결과의 소급성 및 유효성 확보를 위해 정밀한 교정이 필요함은 주지의 사실이나, 일반적으로 사용되고 있는 다양한 교정 요인이 실제 측정결과에 어느 정도 영향을 미치는지에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 1개의 주파수 분석기를 중심으로 교정값을 확보할 수 있는 다양한 변인에 대해 바닥충격음 차단성능의 사례(Lee and Koo, 2016; Chung and Im, 2018)를 바탕으로 측정 결과에 미치는 영향을 분석하였다. 이에 따라, 각 채널별, 각 주파수별 교정값과 마이크로폰 교정 값을 활용하여 바닥충격음 측정결과에 적용하였을 때 주파수 대역별로 교정 전/후의 데이터를 이용하여 비교하였고, 나아가 건설 현장에서 활용되는 바닥충격음 단일수치 평가량으로 환산한 결과에 대해서도 영향요인을 고찰하였다.

개 요

바닥충격음 측정 장비 연결 계통도

Figure 1은 국내에서 일반적으로 사용되는 바닥충격음 차단성능의 측정장비 연결 계통도를 나타낸다. 주파수 분석기를 중심으로 계측 모니터링, 측정, Raw- data 수집 등을 할 수 있는 컴퓨터, 주파수 분석기에 신호를 포집할 수 있는 마이크로폰, 주파수 분석기와 마이크로폰을 연결하는 케이블 등으로 구성된다. 측정 시작 전 마이크로폰에 소리 교정기를 삽입하여 교정값을 입력 후 교정을 진행하는 것이 기본적인 절차이다.

· Signal Analyzer : SA-01 (RION)

· Microphone & Preamplifier : G.R.A.S/ 40AQ & 26CA

· Acoustic calibration equipment : LARSON/CAL 200

Figure 1.

System of test equipment for floor impact sound

주파수 분석기의 교정 결과 값

주파수 분석기만의 교정 결과 값은 Table 1과 같이 채널별로 1/1 옥타브 대역의 각 주파수 대역 기준 전압(Standard Setting)을 인가하여 계측되어 나온 값(Measured Value)으로 도출된다. 기준 전압의 경우 500.0 mV, 1.000 V를 활용하며 CH 1의 20 Hz의 경우 기준전압을 500.0 mV로 인가하였을 때 측정 값은 498.6 mV 이다. 1.000 V를 인가하였을 때는 측정 값이 0.997 V 값이 나온 것을 확인 할 수 있다. 또한, 채널별, 주파수 대역별로 그 도출되는 값이 클 수도 작을 수도 있지만, 현재 그 교정 결과값을 측정 데이터의 보정에 활용하지 못하고 있다. 주파수 대역별 측정 불확도(Uncertainty)(Go et al., 2006; JCGM 100, 2008; ISO, 2011; Moon and Chung, 2016; Korea Laboratory Accreditation Scheme, 2021)값은 채널별로 차이가 없으며, 일부 저주파수 대역을 제외하면 인가 기준 전압에 따른 값이 도출된다.

마이크로폰의 교정 결과 값

Table 2는 마이크로폰의 교정 결과 값을 나타내고 있다. 교정 결과는 1/3 옥타브 대역의 각 주파수 대역별로 각각의 음압(dB re, 1 V/Pa) 감도 레벨(Sound Sensitivity Level)로 표기되며, 감도 레벨이 측정 결과의 보정에 직접적으로 활용되지는 않고, 측정 불확도 요인만 반영하고 있다. 저주파수 대역에서의 측정 불확도 값이 중고주파수 대역의 측정 불확도 값보다 다소 크지만, 측정 불확도는 자체는 교정값으로 반영하지 않기 때문에 측정 결과에 미치는 영향은 없다. 일반적으로 주파수 대역별로 음압 감도 레벨이 이상치를 보이거나, 측정이 불가할 경우 마이크로폰의 파손된 것으로 간주할 수 있다.

소리 교정기의 교정 결과 값

Table 3은 소리 교정기 교정결과(Sus et al., 2003)를 나타낸다. 소리 교정기는 1,000 Hz 대역의 94 dB(실제로는 1 Pa에 대한 음압 레벨로서 약 93.98 dB에 해당하나, 교정기관에서 명목 음압으로서 94 dB을 적용하고 있음)을 일정하게 발생시키는 장치로서, 교정기관의 소급성이 확보된 장비로 확인하였을 때 0.1 dB의 차이를 보이고 있다. 따라서, Figure 1에서 언급한 바닥충격음 측정 장비의 각 마이크로폰 별로 소리 교정기를 설치한 뒤, 조합된 측정 장비로 최종 표시되는 음압레벨을 Table 3의 교정음압으로 보정하여 측정한다. 이때, 교정기의 교정 입력 값은 93.9 dB로 각 기관에서 사용 중인 교정기의 교정 값은 상이하다.

장비별 교정 값 적용을 위한 바닥충격음 측정 데이터

Table 4는 실제 공동주택 현장에서 KS 2810-2, KS F 2863-2에 따라 측정한 바닥구조의 중량충격음 차단성능 레벨을 나타낸다. Table 4의 데이터는 Figure 1과 같이 장비를 설치하고 Table 3의 소리 교정기의 교정 값을 입력 후 측정한 결과이다. 공동주택 바닥구조의 바닥충격음 차단성능 값의 경우 하나의 단일수치평가량(Single Number Quantity)(Yeon et al., 2017; Cho et al., 2020; Song et al., 2020)으로 제시되어 지며 단일수치평가량을 구하기 위해서 각 주파수 대역별 결과 값이 필요하게 된다. 63 Hz 대역부터 500 Hz 대역까지(Octave band) 결과 값을 KS F 2863-2에서 언급하고 있는 기준곡선에 대입하여 기준곡선을 상회하는 주파수 결과 값이 8 dB 이하일 경우 500 Hz의 값이 단일 수치평가량이 된다. Table 4를 살펴보면 측정 지점을 Source로 표현, 수음 지점을 각각 Mic 1.~Mic 5. 로 표현하였다. 본 Data를 중심으로 주파수 분석기, 마이크로폰 교정성적서에서 언급하고 있는 교정 값을 보정할 경우 주파수대역별 Data 및 최종 단일수치평가량 결과값인 54 dB에 얼마나 영향을 끼치는지 분석하였다.

교정요인 보정절차 및 적용 결과

주파수 분석기 및 마이크로폰 교정 결과 적용을 위한 신규 보정 절차

교정요인의 영향을 분석하기 위해, 현재 고려되지 않고 있는 주파수 분석기 및 마이크로폰의 교정 결과를 바닥충격음 측정 데이터에 적용할 수 있는 신규 보정 절차의 개발이 필요하다. 이를 위해 먼저 교정 결과 중 주파수 분석기 채널별 입력 기준 전압(VFA,I) 및 출력 기준 전압(VFA,O)을 다음 식 (1) 및 식 (2)와 같이 레벨 변환을 위한 참조 전압값(V0, 0.000001 V)을 이용하여 음압레벨로 환산하였다.

여기에서, LFA,I는 주파수 분석기의 채널별 입력 전압의 음압레벨 환산값이며, LFA,O는 주파수 분석기의 채널별 출력 전압의 음압레벨 환산값을 의미한다. 또한, c는 각 채널 번호를 의미하고, f는 각 주파수 대역(Hz)을 의미한다.

따라서, 다음 식 (3)과 같이 두 값의 차이를 통해 주파수 분석기의 교정 결과에 따른 각 채널(c)별 및 주파수 대역(f)별 보정값(LFA,c,f)을 산출할 수 있다.

한편, 마이크로폰의 교정결과 중 음압 감도레벨은 1,000 Hz 대역의 1 Pa의 음압을 주었을 때의 개회로 전압이다. 따라서, 1,000 Hz 이외의 대역은 식 (4)와 같이 1,000 Hz 대역에서 음압 감도레벨과의 상대적인 차이를 통해 각 채널(c)별 및 주파수 대역(f)별 마이크로폰 감도의 보정값을 산출할 수 있다.

여기에서, Mp,c,f는 c번 채널에서 f 주파수 대역에 대한 마이크로폰의 감도계수(dB/Pa)를 의미한다.

상기와 같은 주파수 분석기와 마이크로폰의 교정결과를 이용한 보정절차 및 방법을 요약하면 Table 5와 같다.

보정 값 적용 후 바닥충격음 측정데이터 분석 결과

Table 4의 바닥충격음 측정 결과 데이터에 Table 5의 절차에 따라 주파수 분석기, 마이크로폰 보정값을 적용하였다. Tables 6, 7, 8, 9, 10은 각 채널별로 보정치를 적용하는 과정 및 결과를 나타낸다. Table 6에서와 같이 1번 채널의 경우, 보정한 결과값의 합계(ⓞ)는 절대값을 기준으로 주파수 대역별로 최소 0.002 dB에서 최대 7.951 dB로 나타났으며, 1 dB 이상의 보정값 특성이 나타난 주파수 대역은 16,000 Hz와 20,000 Hz의 고주파수 대역이었다. Table 7의 2번 채널 결과를 보면, 63 Hz 대역부터 500 Hz 대역까지 최소 -0.017 dB부터 최대 -0.048 dB 까지의 범위를 보였으며 고주파수 대역 16,000 Hz 대역과 20,000 Hz 대역에서 -3.888 dB, -6.564 dB의 큰 보정값을 취하는 것으로 나타났다. Table 8의 3번 채널의 결과 값은 바닥충격음 유효 주파수 대역에서 최소 0.001 dB 최대 0.013 dB로 나타났으며 고주파수 대역 16,000 Hz, 20,000 Hz 대역에서 -3.589 dB, -5.836 dB의 큰 수치가 나타났다. 또한, 4번 채널, 5번 채널의 경우 63 Hz 대역에서 500 Hz 대역에서 타 채널의 보정 값과 유사한 수치가 나타났다.

교정요인별 영향 토의

주파수 분석기 교정 결과의 영향

음향 주파수 분석기 교정 값 적용 전과 후의 차이는 Table 11과 같이 나타났다. 각 채널, 마이크로폰, 주파수 대역별 교정 값을 적용 하더라도 수치 변화는 미미하였으며 주파수 대역의 수치로 결정되는 단일수치평가량도 변화는 없는 것으로 나타났다. 따라서 주파수 분석기로 바닥충격음 중량충격음 측정을 진행할 경우 결과 값에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다. 하지만, 주파수 범위가 클 경우 주파수 분석기의 교정 값에 따라 다소 영향을 끼칠 수 있을 것으로 사료된다.

소리 교정기 교정 결과의 영향

음향 시험 전 마이크로폰 대상으로 소리 교정기의 교정을 진행 할 경우 측정 된 Data에는 영향을 끼지 않는 것으로 판단되며 소리 교정기 교정에서 중요한 점은 소리 교정기 교정 시 발급되는 교정성적서의 교정 음압레벨을 준수하여 교정을 진행했는지가 중요할 것으로 판단된다.

결 론

본 연구를 통하여 바닥충격음 측정 및 평가 시 활용되고 있는 주파수 분석기, 마이크로폰, 소리 교정기 등의 장비 교정 절차 부분에 있어 측정 Data 에 영향을 끼치는지에 대하여 분석한 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1)주파수 분석기의 교정을 진행할 경우 각 채널, 주파수 대역별로 인가된 전압(V) 대비 도출 된 전압의 수준으로 교정 값을 제시하고 있다. 주파수 분석기의 교정 값 전압(V)을 dB로 변화시키기 위해서 참조 전압값(0.000001 V)을 이용하였으며, 교정 전/후의 차이를 통해 주파수 분석기의 각 채널별 및 주파수 대역별 보정값을 산출할 수 있었다. 한편, 마이크로폰은 각 주파수 대역별 음압 감도레벨을 소리 교정기 적용에 따라 1,000 Hz의 음압 감도레벨에 대한 상대적인 차이값을 환산하여 보정값을 산출할 수 있었다.

(2)상기와 같이 제안한 주파수 분석기의 보정 절차에 따라 바닥충격음 측정 결과에 교정값을 적용하였을 때, 그 차이는 측정결과의 1/100 수준으로 결과의 차이를 만들 정도로 크지 않았고, 단일수치로 표현하는 바닥충격음 최종 결과값에도 영향을 끼치지 않는 것으로 나타났다.

(3)상기와 같이 제안한 마이크로폰의 보정 절차에 따라 주파수 분석기 교정값과 합산하여 바닥충격음 측정 결과에 적용하였고, 그 결과 역시 최종 결과값에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

(4)소리 교정기의 경우 일반적으로 1,000 Hz 대역에서의 교정을 진행하고 있으며 일반적으로 소리 교정기의 교정 값을 제대로 입력한다면 데이터를 수집하는데 큰 영향은 없을 것으로 사료된다. 하지만, 향후 보다 효율적인 교정절차를 위해 1,000 Hz 대역과 더불어 타 주파수 대역의 교정을 할 수 있는 다채널 소리 교정기의 적용을 고민할 필요가 있다.

향후, 바닥충격음 등 다양한 측정 데이터 수집을 위해 측정 및 평가를 진행할 경우 소리 교정기의 교정을 1,000 Hz 대역과 더불어 타 주파수 대역에서도 교정을 진행 할 수 있는 소리 교정기에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한, 수음 계측장비와 더불어 가진원인 표준충격원에 대하여 측정 편차 요인에 대한 연구진행을 수행함으로써 바닥충격음 측정 및 평가에 있어 고도화할 필요가 있을 것으로 판단된다.