서론

공동주택 내에서 어린아이들의 달리기, 뜀뛰기, 어른들의 보행 시(김경우 외, 2005) 걷기 자세에서 나오는 뒤꿈치 보행(김경우 외, 2004) 등에 의해서 발생하는 충격소음으로 이웃간의 분쟁이 많이 발생하고 있다. 공동주택에서 발생하는 실제충격음을 저감하기 위하여 온돌바닥구조의 개발(문대호 외, 2016), 하부세대의 천장개발(연준오 외, 2013), 다양한 평면(김주형 외, 2017) 등에 대한 시뮬레이션(문대호 외, 2015) 검토 등이 이루어지고 있다. 이러한 연구개발 결과들은 국내 바닥구조의 차음성능의 등급화를 위하여 평가가 이루어지며 특히 중량충격음(Bang machine, Rubber ball)의 저감을 목표로 많이 수행되고 있다.

경량충격음의 경우 마감재의 종류에 따라 충격음 저감성능이 현격하게 차이가 발생하며 따라서 바닥표면 마감재에 의한 충격음 저감량을 실험실에서 많이 평가하고 있다. 이에 따라 KS F 2865 (KS F 2865:2015)에서는 바닥 표면 마감재에 의한 경량 및 중량 충격음 저감량 실험실 측정방법에 대하여 설명하고 있으며 2개의 수직인접 실험실 환경에서 측정해야 한다. 그러나 음향실험을 실시할 수 있는 잔향실 실험시설을 이용하기가 어렵고 특히 중량충격음의 경우 실험을 위한 준비에 비하여 평가결과가 명확하게 도출되지 않는다. 이러한 이유로 바닥표면 마감재에 의한 중량충격음 저감량 실험실 실험에 의한 평가가 활발히 이루어지지 않고 있는 것이 현실이다.(송국곤 외, 2013) 또한, 재실자 중심에서 실생활에서 발생하는 충격 소음 등을 능동적으로 저감하기 위하여 바닥 표면 마감재 등의 성능 검증 등이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 KS에서 정의 하고 있는 중량충격원 특성 2인 고무공의 충격원 활용 범위 및 당위성 검증을 위해 고무공 충격에 의한 충격력, 충격음과 실충격원 행위에 따른 충격력, 충격음을 비교 분석하였다. 또한, 분석 후 도출된 결과를 바탕으로 고무공 충격원을 사용한 다양한 표면마감재의 충격력, 충격음 저감성능 평가를 수행하였다.

측정개요

중량(Rubber ball, 실충격원) 충격원 특징

바닥 차음성능의 평가 시 활용되는 중량충격음의 경우에는 뱅머신인 충격원 특성 1을 활용하고 있다. 뱅머신의 경우에는 기존 연구(이민정과 최현기, 2017)에서 나타난 결과와 같이 실제충격원 보다 과도한 충격력을 가지고 있으며 완충재와 마감재 변화에 따른 저감성능의 차이를 판별하기가 어려운 특징이 있다. 또한, 특징은 다양한 바닥충격음 완충재나 마감재의 개발을 촉진시키지 못하는 결과를 초래하고 있다.

중량충격음 특성 2인 고무공의 경우에는 실충격원과 유사한 특성을 가진다는 다양한 연구결과(이평직 외, 2006; Jeon et al., 2006)들이 있으며 청감반응과의 상관관계에 대한 연구(정정호와 전진용, 2005; Preis et al., 2000; Lee et al., 2009)들도 많이 수행되고 있다.

공동주택에서 발생하는 대표적인 실생활 충격행위 등은 Table 1과 같이 나열하였으며 동일한 조건에서 KS 규격에 나타나 있는 중량충격원 특성 2인 고무공에 대하여 동시에 충격력 등 측정을 진행하였다. 측정장비는 Figure 1과 같이 충격력 장치(PF-10_RION)를 활용하였다. 충격력 측정 장치는 3개의 센서와 지름 220 mm, 두께 15 mm의 철판 플레이트(하부)를 결합하여 제작된 장치이다. 충격력 장치를 통행 계측되는 충격력은 3개의 센서에서 출력 케이블을 직렬로 연결하여 전압의 합을 구하고 이 값에 평균 감도를 곱하여 계측하였다.

Table 1. Real Impact Source and Rubber ball

모든 행위는 충격력 측정장비 상부판과 동일한 선상에서 측정이 되어야 하기 때문에 Figure 2와 같이 길이 3 m, 폭 0.6 m를 제작하여 충격력 측정 장비를 내부에 설치하여 진행하였다. 실험에 참여한 어린이는 WHO에서 제시하고 있는 초등학교 저학년의 평균키, 몸무게와 유사하였으며 측정하기 전 충격력 측정 장치와 보폭을 계산하기 위하여 예행 연습을 진행하였다. 측정은 행위당 3회에서 5회로 실시하여 평균 값을 대푯값으로 하였으며 실충격력과 유사한 충격력을 고찰하기 위하여 고무공의 경우에는 낙하 높이를 40 cm부터 100 cm까지 10 cm 씩 조정하여 측정을 진행하였다. 또한, 평가항목은 충격력(N), 폭로레벨(dB) 등으로 정하였다.

Figure 1.

Plan and side section of impact force plateof real impact source

Figure 2.

Measurement of real impact source

충격원 저감용 마감재

공동주택 등 온돌바닥구조 상부에 설치되는 표면마감재(PVC 계열, 마루계열 등) 에 대하여 거주자 등의 행위에서 발생하는 충격력이 유사한 고무공 낙하 높이 40 cm에 대하여 충격력 저감량에 대하여 측정을 진행하였다. 또한, 표면마감재 종류, 특징에 따른 어른(남성) 보행 시 충격음 저감성능에 대하여 측정을 진행하였다.

측정에 활용된 표면마감재는 Table 2와 같으며 PVC 계열 6종, 강화마루, 온돌마루 등이다. 강화마루의 경우에는 실제 설치 시 바닥면과 마루사이에 PE 폼이 설치되기 때문에 측정 시 동일한 조건으로 측정을 진행하였다.

Table 2. Type of Floor coverings

측정장비에 의한 바닥 표면마감재 저감량 평가

충격력 측정장비에 의한 바닥표면 마감재 저감량 평가는 Figure 3과 같이 PE-10 상부에 측정 대상 표면마감재 등을 설치하여 충격력 및 폭로레벨에 대하여 계측을 진행하였으며 고무공 낙하 가진 높이는 KS 기준에 근거한 낙하 높이 100 cm와 실충격력과 유사한 낙하높이 40 cm를 측정 비교 하였다. 표면마감재 설치는 PF-10 계측기 면과 동일한 사이즈로 재단하여 한 방향으로 처지는 것을 방지하였다. 고무공의 충격력 저감 측정 방법과동일 하게 성인(남성) 보행 시 발생하는 충격력 저감량 평가를 각각의 표면마감재 별로 측정을 진행하였다.

Figure 3.

Measurement of impact force (Rubber ball) with and without floor coverings

또한, PVC 및 마루 계열의 표면마감재에 대한 중량충격음(고무공) 저감성능을 평가하기 위하여 Figure 4와 같이 차음성능을 측정하는 시험실에서 진행하였다. 시험실은 슬래브 두께 150 mm, 벽체 두께 250 mm의 고강도 콘크리트 구조이며 바닥충격음 시험시에는 벽체 차음성능 실험을 위한 개구부를 고차음 벽체로 폐쇄한 상태에서 실시하였다. 표면마감재는 수음실 슬래브 표면에 설치하였으며 고무공의 낙하높이는 실제 충격음과 유사한 충격력을 가지는 40 cm와 KS 기준인 100 cm로 구분하여 진행하였다.

Figure 4.

Test room and location of impact and receiving point

결과 및 토의

실충격원 충격력 측정 결과

공동주택에서 발생하는 행위 등에 대하여 충격력을 측정한 결과 Figure 5와 같이 어린아이가 높이 50 cm에서 뛰어내렸을 경우 약 1100 N으로 측정되었다. 최대 충격력이 발생하는 시간은 약 0.02 sec 이내로 분석되었으며 이후 약 0.2 sec 이내에서 두 번째 충격력이 발생하였다. 첫 번째 충격력은 뒤꿈치에 의한 충격력, 두 번째는 발가락 아래 발바닥 부분이 닿는 부분으로 판단된다. 또한, 성인 남자가 빠른 걸음으로 걸었을 경우에도 약 1100 N의 충격력이 계측되었다.

Figure 5.

Result of impact force by real impact source action

고무공 낙하 높이별 충격력 결과

Yeon et al. (2017)은 고무공 낙하 높이에 따른 충격력 측정 결과는 낙하 높이 100 cm에서 약 1700 N 계측되었으며 실생활에서 발생하는 충격력 약 1100 N으로 고무공 충격력이 유사한 낙하 높이는 약 40 cm로 나타났다.

표면마감재 설치 시 고무공 낙하 높이별 충격력 저감성능 결과

실충격력과 유사한 충격력을 가지는 고무공 낙하 높이 40 cm와 KS 기준에서의 낙하높이 100 cm 가진 시 충격력 측정장치 상부에 표면마감재를 설치하고 충격력 감소량에 대한 측정결과 Figure 6에서 Figure 7, Table 3과 같이 나타났다.

Figure 6.

Result of impact force (Drop height of rubber ball 100 cm)

Figure 7.

Result of impact force (Drop height of rubber ball 40 cm)

Table 3. Result of impact force with and without floor coverings

표면마감재가 없이 고무공 낙하높이 100 cm 충격력의 경우 약 1700 N으로 확인되었으며 표면마감재가 설치 후 최대 약 70 N 정도 충격력이 저감되는 것으로 나타났다. 표면마감재의 두께가 증가할수록 충격력을 저감하는 것으로 나타났다. 고무공 낙하 높이 40 cm의 경우 충격력 측정결과 표면마감재를 설치하지 않았을 경우 충격력은 약 1100 N 정도로 측정되었다. 표면마감재 설치 후에는 약 10 N에서 50 N까지 저감되는 효과가 나타났으며 PVC 표면마감재 두께 2.0 T의 경우에는 오히려 충격력이 다소 증가하는 것으로 나타났다. 고무공 낙하 높이에 따라서 충격력 지속 시간은 낙하 높이 100 cm시 보다 40 cm의 경우 약 0.002 s 증가하는 것으로 나타났다.

고무공 낙하 높이 100 cm 시 주파수 대역별 폭로레벨 측정결과 Figure 8과 같이 16 Hz 대역부터 125 Hz 대역까지 미미한 저감성능이 나타났으며 특히 강화마루 설치 시 충격음이 다소 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 250 Hz 대역 이상에서는 표면마감재 설치 시 레벨이 다소 낮아지는 것으로 나타났다.

Figure 8.

Result of Drop height (Drop height of rubber ball 100 cm)

고무공 낙하 높이 40 cm의 경우에는 Figure 9와 같이 고무공 낙하 높이 100 cm와 유사한 결과가 나타났으나 250 Hz 대역에서는 PVC 표면마감재 설치 시 충격음이 저감되는 것으로 나타났다. 강화마루에서는 125 Hz 대역에서 충격음이 약 2 dB가량 증가되었지만 250 Hz 대역에서는 약 4 dB 이상의 저감성능 특징을 보였다. 또한, 고무공의 낙하 높이에 따라서 16 Hz, 31.5 Hz, 63 Hz, 125 Hz 대역에서는 약 3 dB 이상, 250 Hz 대역 이상에서는 약 5 dB 이상의 폭로레벨이 고무공 낙하 높이 100 cm 의 경우가 높게 계측되었다. 이러한 결과 차이는 고무공 낙하 높이에 따라서 가해지는 주파수 대역 충격력이 상이했기 때문이라고 판단된다.

Figure 9.

Result of Drop height (Drop height of rubber ball 40 cm)

성인 보행 시 충격력 저감성능 결과

성인 남자가 보행 시(뒤꿈치) 충격력 Figure 10과 같이 약 1180 N 으로 계측되었으며 충격력 발생은 약 0.02 sec 이내에서 발생하는 것으로 나타났다. 표면마감재 설치 시 저감량은 온돌마루와 강화마루 설치 시에 약 300 N 이상 발생하는 것으로 나타났으며 PVC 표면마감재의 경우에는 두께 6.0 T에서 약 200 N 저감되는 것으로 나타났다. 또한, 표면마감재 두께 2.0 T, 2.2 T 등에서도 충격력이 저감되는 것으로 나타났으나 결과는 미미한 것으로 나타났으며 보행 시 최대 충격력의 경우에는 보행 시 뒤꿈치가 닿을 때 발생하는 것으로 나타났다.

Figure 10.

Result of impact reduction performance during adult walking (Depending on the type of floor covering)

바닥충격음 저감성능 결과

슬래브 두께 150 mm (Bare slab)대상으로 경량충격음과 중량충격음 고무공 낙하높이 40 cm와 100 cm를 기준으로 각각의 표면마감재 설치 시 충격음 저감성능을 Bare slab 기준 삽입 손실량으로(∆𝑳 : 𝑳 _{bare slab} - 𝑳 _{Floor covered with thickness}) 평가를 진행하였다.

경량충격음의 경우 표면마감재 설치에 따라서 Figure 11과 같이 고주파수 대역으로 갈수록 저감성능이 증가되는 것으로 나타났다. 또한, 강화마루 설치 시 저감성능은 다소 높은 것으로 계측되었으며 PVC 계열의 표면마감재 두께 2.0 T, 2.2 T, 3.0 T의 저감성능 변별력은 다소 낮은 것으로 나타났다. 온돌마루의 경우에 저감성능이 가장 작은 것으로 나타났다.

강화마루와 온돌마루의 경량충격음 저감성능 차이는 슬래브와 마루 사이에 삽입되는 PE 폼의 성능으로 사료되며 PVC 표면마감재의 두께별 성능 차이의 경우 표면마감재를 이루는 레이어의 발포 비율에 따라서 차이가 나타나는 것으로 사료된다.

Figure 11.

Test result of impact sound (Tapping machine)

중량충격음 고무공 낙하 높이 100 cm의 경우 표면마감재 설치 시 충격음 저감성능 결과 Figure 12와 같이 80 Hz 대역 이하에서는 PVC 표면마감재 6.0 T와 3.3 T를 제외하고 약 1 dB 이상 저감성능이 나타났다. 또한, 160 Hz, 200 Hz 대역에서 최대 2 dB 이상 충격음 저감성능을 확보하였으나 그 밖의 주파수 대역별 저감성은 미미 하였으며 표면마감재 두께, 종류 등에 따른 변별력은 없는 것으로 나타났다.

Figure 12.

Test result of impact sound (Rubber ball_100 cm)

실충격원과 유사한 충격력을 가지는 고무공 낙하 높이 40 cm의 경우에는 Figure 13과 같이 PVC 표면마감재 두께 6.0 T 설치 시 전주파수 대역에서 최대 2 dB 이상 저감성능이 나타났다. 또한, 마루계열의 표면마감재에서는 충격음 저감성능이 미미한 것으로 분석되었으며 고무공 낙하 높이 40 cm의 경우 고무공 낙하 높이 100 cm 보다 충격음 저감성능이 다소 작은 것은 낮은 높이에서 떨어진 고무공이 바닥에 닿으면서 충격 지속시간이 길어 충격음 전달에 영향을 준 것으로 사료된다.

Figure 13.

Test result of impact sound (Rubber ball_40 cm)

결 론

본 연구를 통하여 공동주택 거주자의 행위별 충격력과 이와 유사한 충격력을 가지는 고무공의 낙하 범위에 대한 연구, 공동주택에 적용되고 있는 표면마감재에 대한 경량 및 중량충격음 저감성능 효과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 다양한 실충격원의 충격력의 경우 아이들이 50 cm에서 뛰어내렸을 경우, 성인 남자 보행시(뒤꿈치) 약 1100 N 의 가장 높은 충격력이 나타났으며 어린이 달리기, 성인 보행 등의 경우 약 500 N에서 800 N의 충격력 분포를 보였다. 또한, 충격력 지속 시간은 약 0.2 sec 이상으로 계측 되었다. 또한, 고무공 낙하 높이별 충격력 결과 실생활에서 발생하는 충격력은 낙하 높이 40 cm와 유사하였다.

(2) 표면마감재 설치 시 고무공 낙하 높이별 충격력 변화는 고무공 낙하 높이 100 cm의 경우 약 100 N, 낙하 높이 40 cm의 경우 약 10 N에서 50 N의 저감성능 분포를 보였다.

(3) 어른보행 시 표면마감재 설치에 따라서 최대 300 N 가량 충격력 저감성능 효과가 나타났으며 벽체의 차음성능 시험동을 활용한 바닥 충격음 저감성능의 경우 경량 충격음은 고주수 대역으로 갈수록 저감성능이 증가되는 것으로 나타났다. 또한, 중량충격음 고무공의 경우 높이 100 cm에서의 충격음 저감성능의 경우 특정 주파수 대역에서 약 1~2 dB의 저감성이 나타났다. 실충격원과 유사한 충격력을 가지는 고무공 높이 40 cm의 경우에는 PVC 표면마감재 6.0 T에서 최대 2 dB의 저감성능을 보였다.

실충격원과 고무공의 낙하높이 40 cm의 경우 유사한 충격력을 가지고 있으며 표면마감재 충격음 저감성능 등을 평가하는데 활용 가능할 것으로 판단되며 향후, 다양한 실생활 소음원 등을 활용하여 다양한 표면마감재 저감성능 평가가 필요할 것으로 판단된다.