서 론

공동주택 바닥 충격음에 대한 민원과 분쟁은 지속적으로 발생하고 있다. 바닥 충격음관 관련된 문제를 해결하기 위한 방안의 한가지로 국토교통부에서는 2005년부터 바닥충격음 차단구조 인정제도[1]를 시행하고 있으며, 공동주택 사업 승인시 인정 받은 구조를 의무적으로 사용하도록 하고 있다. 바닥 충격음 차단구조 시행 이후 공동주택의 바닥충격음 차단 성능은 증가한 것으로 보고되고 있다[2]. 우리나라의 공동주택 차단 성능 측정, 평가는 현재까지 뱅머신[3, 4]을 기반으로 하고 있다.

뱅머신은 약 4 500N의 충격력으로 상부세대의 바닥 구조를 가진한다. 그러나 공동주택에서 발생되는 실제 충격원(어린이 뛰고 달리기)의 충격력은 대부분 2 000N 이하인 것으로 보고되고 있다[5, 6]. 최근 뱅머신을 이용한 바닥 충격음 측정 방법의 대안으로 실제 충격음과 유사한 충격력을 갖는 고무공 충격원(Rubber ball, Figure 1 참조)을 사용하는 방법이 표준화되고 있다[7-10].

Figure 1.

Rubber ball standardized in ISO 10140-3, 5 & ISO 16283-2

고무공 충격원은 물리적 특성[11] 뿐만 아니라 거주자가 느끼는 청감적 특성[12, 13]도 실제 충격음과 유사한 것으로 보고되었다. 고무공 충격원은 2010년 ISO 국제표준[8-10]에 표준 중량 충격원으로 표준화 되었다. 이후 2012년에는 KS에도 고무공 충격원이 표준화되었다[4]. 고무공 충격원에 대한 단일 수치 평가 방법은 아직 표준화되어 있지 않고 있다. KS 표준에는 여러 가지 뱅머신을 위한 단일 수치 평가 방법이 규정되어 있다.

바닥 충격음의 단일 수치 평가 방법을 제안하기 위해서는 거주자의 충격음에 대한 주관적 반응을 기반으로, 거주자의 반응과 가장 상관성이 높은 지표를 선택하여야 한다. 과거 뱅머신에 대한 단일 수치 평가량에 대한 연구는 많이 수행되었으며[14-20], 이를 바탕으로 역A 특성 가중 바닥 충격음 레벨(L_i,Fmax,AW)이 뱅머신 충격음의 단일 수치 평가량으로 사용되고 있다.

고무공 충격음에 대한 거주자의 주관적 반응에 대한 연구[21, 22]도 수행되었으며, 단일 수치 평가량으로 63Hz ~ 500Hz 대역(1/1 옥타브 밴드)의 산술평균(이하 산술평균, L_iF,avg,Max)과 A-가중 최대 음압 레벨(L_A,F,Max)이 제안되고 있다. 대부분의 바닥 충격음 단일 수치 평가량 등과 관련된 주관적 반응 연구에서, 현장 및 실험실에서 녹음된 바닥 충격음 음원의 주파수 특성은 변화하지 않고 음압 레벨만을 변화하여 헤드폰, 스피커로 피험자에게 제시하였다. 일본의 목조 공동주택 등에서 녹음한 고무공 충격음을 서브 우퍼와 스피커로 제시한 청감실험 결과[23]에서도 산술평균(L_iF,avg,Max)과 A-가중 최대 음압 레벨(L_A,F,Max)이 주관적 거슬림(Annoyance) 반응과 상관관계가 높은 것으로 나타났다.

바닥 충격음 단일 수치 평가량을 선정하는 경우 미래에 발생할 수 있는 다양한 저감 재료 및 구조의 특성을 고려하는 것도 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 실제 공동주택에서 녹음된 고무공 충격음을 대상으로 주파수 특성을 변화시켜 거주자의 주관적 반응 ME (Magnitude Estimation), SD (Semantic Difference, 5점 척도)을 평가하였다. 주파수 변화된 고무공 충격음에 대한 6가지 단일 수치 평가량을 계산하여 주관적 반응과의 상관관계를 분석하였다.

주파수 변화된 고무공 충격음에 대한 주관적 소리크기 청감실험

실험개요 

우리나라 실정에 맞는 바닥 충격음 평가를 위해서는 우리나라 공동주택 바닥구조에서 실제 충격음과 유사한 특성을 갖는 고무공 충격음에 대한 주관적 반응과 상관관계가 높은 단일 수치 평가 방법을 선정하여야 한다. 이를 위해 청감실험 음원으로 고무공 충격음을 1/1 옥타브 대역에서 31.5Hz ~ 250Hz 대역과 전체 음압 레벨을 3dB 간격으로 3단계로 변화시켜 청감실험을 실시하였다. 바닥 충격음에 대한 주관적 소리 크기 반응 청감실험은 ME 방법과 SD 조사 방법을 적용하였다. 기준 음원에 대한 주파수 대역과 전체 음압 레벨이 변화된 고무공 충격음의 주관적 소리 크기 변화를 수치로 표현한 결과를 위해서는 ME 방법, 5점 척도를 사용한 결과 도출을 위해서는 SD 방법을 적용하였다. 피험자의 주관적 소리 크기 반응을 비교, 검정하기 위해 두가지 평가 방법을 적용하여 청감실험을 진행하였다.

대상음원의 녹음 및 측정

바닥 충격음의 주파수 대역별 주관적 소리 크기 반응(Loudness) 평가를 위한 KS F 2810-2에 규정되어 있는 고무공 충격원(Rubber ball)을 이용하여 충격음을 녹음하였다. 고무공 충격음 녹음을 실시한 공동주택은 1990년대 건설된 공동주택으로 바닥 충격음 저감을 위한 완충재는 적용되지 않았다. 공동주택의 바닥구조는 슬래브 135mm + 경량기포 70mm + 마감몰탈 40mm + 마루 10mm로 구성되었다. 고무공 충격음 녹음과 함께 해당 공동주택의 바닥 충격음 차단성능을 확인하기 위해 중량 충격음과 경량충격음 측정을 동시에 수행하였다.

공동주택의 평면 구성은 Figure 2와 같다. 바닥 충격음 측정 결과는 Figure 3와 같이 경량 충격음은 L_n,AW-53, 중량 충격음은 L_A,F,Max-54로 나타났다. 바닥 충격음 측정 및 녹음은 실제 가구 등이 설치된 실제 거주상태에서 수행되었다. 음원을 녹음한 공동주택의 바닥 충격음 차단성능은 바닥충격음 완충재가 적용되지 않고 상대적으로 슬래브 두께가 얇아 현재 건설되고 있는 공동주택(슬래브 두께 210mm와 20mm 또는 30mm 바닥 충격음 완충재 적용)의 바닥충격음 차단성능 보다는 낮은 것으로 나타났다.

Figure 2.

Floor plan of apartment unit where floor impact sound measured and recorded

Figure 3.

Floor impact sound test results of the apartment unit

바닥 충격음의 측정 및 녹음에 사용된 기기들은 다음과 같다.

∙Bang Machine (FI-02, Rion)

∙Tapping Machine (FI-01, Rion)

∙Head & Torso Simulator (B&K Type 4100)

∙Symphonie (01dB) - FA32

∙DAT Recorder (TCD-D10, SONY)

∙Microphone & Pre-amp (G.R.A.S. 40AF & 26 AK)

주파수 대역별로 변화 고무공 충격음을 대상으로 주관적 소리 크기(Loudness) 반응에 관한 청감실험을 실시하였다. 청감실험에 사용된 음원은 상층부 중앙점을 가진하고 하층부 중앙점에서 녹음한 음원으로 하였다. 녹음된 음원은 1/1 옥타브 밴드를 기준으로 Figure 4에서와 같이 31.5Hz ~ 250Hz 주파수 대역에서 3dB 간격으로 3단계로 레벨을 변화(-9dB, -6dB, - 3dB, +3dB, +6dB, +9dB)하였다. 바닥 충격음 전체 레벨 변화에 대한 주관적 소리 크기 반응 조사를 위해 전체 주파수 대역에 대해서도 3dB 간격으로 3단계로 레벨을 변화(-9dB, -6dB, - 3dB, +3dB, +6dB, +9dB)하여 청감실험에 활용하였다.

Figure 4.

Modification of 1/1 octave band rubber ball impact sound pressure level

주파수 대역별로 레벨 변화된 음원을 대상으로 각 음원의 주관적 소리 크기 반응을 ME (Magnitude Estimation) 평가를 실시하였다. 청감실험의 진행은 MEDS 프로그램(시각, 청각 등 다양한 자극원에 대한 주관적 평가 연구를 위해 2000년 미국 UCLA에서 개발한 주관평가 진행 프로그램)을 활용하여 실시하였다. ME 평가와 함께 피험자의 주관적 소리 크기 반응 평가는 SD 평가(5점 척도)도 실시하였다. 총 28명의 피험자를 대상으로 실시하였다. 청감실험 피험자는 Table 1에서와 같이 총 28명의 대학생 및 직장인이 참여하였으며, 20 ~ 30 대를 대상으로 남성은 16명, 여성 12명이 각각 참여하였다.

Table 1. Information on subject who were participated in the subjective loudness experiment on floor impact sound

청감실험은 배경 소음 레벨이 25dB(A) 정도로 낮은 청감실험 전용 부스(2.1m × 2.6m × 2.0m, 잔향시간 : 0.2s)에서 실시하였다. 청감실험 음원은 Korg 1212-I/O Sound Card와 헤드폰을 사용하여 피험자에게 제시하였다. 피험자의 주관적 소리 크기 반응은 컴퓨터를 활용하여 음원의 제시와 동시에 주관적 소리 크기 반응을 표시하여 기록할 수 있도록 하였다. 청감실험 진행시간은 약 50분 정도로 피험자 반응의 일관성을 위해 약 15분 실험 후 5분간의 휴식을 두고 진행하였다. 청감실험에 사용된 장비 및 프로그램은 다음과 같다.

∙Headphone (HD-600, Sennheiser)

∙Korg 1212 I/O

∙Inter M REF-2300 Power-Amplifier

∙MEDS

청감실험 결과

주파수 변화된 고무공 충격음의 주관적 크기 반응의 ME 및 SD 평가 결과와 6가지 단일 수치 평가량과 상관계를 분석하였다. 6가지 단일 수치 평가량은 다음과 같다.

∙1/1 옥타브 밴드 산술 평균(63Hz ~ 500Hz)

∙A-가중 최대 바닥 충격음 레벨(L_A,F,Max)

∙C-가중 최대 바닥 충격음 레벨(L_C,F,Max)

∙최대 바닥 충격음 레벨(L_F,Max)

∙역A 특성 바닥 충격음 레벨(L_i,_Fmax,AW)

∙L-지수(L-index, JIS A 1419-2)

피험자에게 제시한 각각의 주파수 변화된 고무공 충격음을 더미헤드(HATS)로 녹음, 분석하여 6가지 단일 수치 평가량을 계산하였다. 계산한 6가지 바닥 충격음의 레벨 변화는 Table 2와 같다. 각 주파수 대역별로 상하 각각 9dB 씩 변화시켰으나 단일 수치 평가량의 변화는 약 9dB ~ 10dB 수준인 것으로 나타났다.

Table 2. Range of resented rubber ball impact sound pressure levels, which were calculated into 6 kinds of single number quantity

ME (Magnitude Estimation)실험 결과 분석

주파수 변화된 고무공 충격음에 대한 주관적 소리 크기 반응(Loudness)에 대한 ME (Magnitude Estimation)반응 결과와 6가지 고무공 충격음 단일 수치 평가량 사이의 상관관계를 분석하여 Figure 5a) ~ Figure 5f)에 각각 나타내었다. ME 실험은 기준 고무공 충격음(주파수 변화되지 않음)에 대한 주파수 변화된 고무공 충격음의 상대적인 크기 변화를 0 ~ 100의 수치로 표현하도록 하였다. 기준 음원의 ME는 50으로 하였다.

고무공 충격음의 ME 반응 결과와 제시된 고무공 충격음의 6가지 단일 수치 평가량 계산 결과와 상관관계를 분석한 결과 Figure 5에서와 같이 상관계수(R²,유의수준 95 %)가 가장 높게 나타난 단일 수치 평가량은 산술평균(R²=0.827)으로 나타났다. 다음으로는 A가중 최대 음압 레벨(R²=0.813)이 주관적 소리 크기 반응의 ME 반응과 상관성이 높은 것으로 나타났다. 상관계수가 높은 순서로 단일 수치 평가량을 정리하면 Table 3과 같다.

Figure 5.

Correlation analysis results between ME of subjective loudness and six kinds of single number quantities of rubber ball impact sound

Table 3. Regression coefficients of 6 kinds of single number quantities with ME evaluation results

SD 실험 결과 분석

주파수 변화된 고무공 충격음에 대한 주관적 소리 크기 반응(Loudness)에 대한 SD반응 결과와 6가지 고무공 충격음 단일 수치 평가량 사이의 상관관계를 분석하여 Figure 6a) ~ Figure 6f)에 각각 나타내었다. SD 실험은 5점 척도로 구성하였으며, 척도 1은 부정적인 의미 척도 5는 긍정적인 의미가 되도록 구성하였다. 기준음원(주파수 변화하지 않은 고무공 충격음)은 척도 3으로 하였다.

Figure 6.

Correlation analysis results between SD of subjective loudness and six kinds of single number quantities of rubber ball impact sound

고무공 충격음의 SD 반응 결과와 제시된 고무공 충격음의 6가지 단일 수치 평가량 계산 결과와 상관관계를 분석한 결과 Figure 5에서와 같이 상관계수(R²)가 가장 높게 나타난 단일 수치 평가량은 산술평균(R²=0.795)으로 나타났다. 다음으로는 A가중 최대 음압 레벨(R²=0.745)이 주관적 소리 크기 반응의 SD 반응과 상관성이 높은 것으로 나타났다. 상관계수가 높은 순서로 단일 수치 평가량을 정리하면 Table 4와 같다.

Table 4. Regression coefficients of 6 kinds of single number quantities with SD evaluation results

결 론

본 연구에서는 고무공 충격음의 주관적 크기 반응(Loudness)과 상관관계 높은 단일 수치 평가량을 제안하기 위해 주파수 변화된 고무공 충격음에 대한 청감실험을 실시하였다. 피험자의 주관적 크기는 ME (Magnitude Estimation)과 5점 척도를 활용한 SD 반응 두가지를 조사하였다.

청감실험 결과 주파수 변화된 고무공 충격음에 대한 ME 반응과 고무공 충격음 레벨은 정비례 관계를 갖으며 SD 반응과는 반비례 관계를 갖는 것으로 나타났다. 기준 음원보다 각 주파수 대역별 레벨을 증가 시킨 경우의 크기 반응은 상대적으로 넓게 반응하는 것으로 나타났으나, 주파수 대역별 레벨을 감소시킨 경우는, 낮아진 레벨 차이를 잘 인지하지 못하는 것으로 나타났다. 이는 한 주파수 대역의 음압 레벨을 낮추는 경우 인접 주파수 대역의 음압 레벨로 인해 음압레벨 저감량이 잘 반영되지 않기 때문으로 사료된다.

주관적 크기 반응과의 상관성 분석을 위해 6가지 단일수치 평가량을 계산하여 비교하였다. 고무공 충격음의 레벨을 변화시켜 제시한 이전의 연구[22, 23]에서는 산술평균과 A-가중 최대 음압 레벨(L_A,F,Max)이 주관적 반응과 상관관계가 높은 것으로 나타났다.

고무공 충격음의 주파수 특성을 변화시켜 제시하고 주관적 크기 반응과 산술평균과 A-가중 최대 음압 레벨(L_A,F,Max)이 상관관계가 높은 단일 수치 평가량으로 나타났다. 뱅머신 충격음의 단일 수치 평가량으로 사용되고 있는 L-지수와 역A 특성 바닥충격음레벨은 고무공 충격음의 주관적 반응과의 상관관계는 다소 낮은 것으로 나타났다. 이전의 콘크리트 및 목구조 공동주택에 대한 고무공 충격음의 평가방법에 대한 청감실험 연구결과 및 주파수 특성을 변화시켜 제시한 실험결과 모두에서 공통적으로 산술평균과 A-가중 최대 음압 레벨(L_A,F,Max)이 주관적 크기 및 거슬림 반응과 상관관계가 높은 것으로 나타났다. 고무공 충격음의 단일 수치 평가량으로는 산술평균 또는 A-가중 최대 음압 레벨(L_A,F,Max)을 사용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.

향후 고무공 충격음 평가방법에 대한 표준화를 위해서는 다양한 공동주택 구조 형식, 완충구조가 적용된 충격음을 활용하여 실제 공동주택에 거주하거나 거주 경험이 있는 우리나라 및 서구의 거주자를 대상으로 하는 청감실험 등과 같은지속적인 실험 및 연구가 필요하다.