Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2021. 600-612
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210050

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 측정개요

  •   측정대상 바닥 매트류

  •   측정대상 바닥 구조

  • 평가방법

  •   중량 바닥충격음 레벨(Li,Fmax,AW)

  •   충격음 저감 인지 범위 주파수 대역 레벨(125 Hz, 250 Hz)

  • 측정결과 분석

  •   공동주택 습식 바닥구조 (Type 1)에서의 바닥충격음 저감성능 결과

  •   공동주택 반건식 바닥구조 (Type 2)에서의 바닥충격음 저감성능 결과

  •   공동주택 이중 바닥구조 (Type 3)에서의 바닥충격음 저감성능 결과

  •   바닥매트류의 바닥충격음 저감성능과 인지여부

  • 결론 및 토의

서 론

공동주택에서의 음환경을 정온하게 유지하기 위해서 정부, 건설사, 연구기관 및 학교 등 음향 전문가 중심으로 다양한 기술개발(Kim et al., 2015; Yeon et al., 2016; Kim et al., 2020)을 진행하고 있다. 이러한 기술개발은 공동주택에 직접적으로 적용되고 있으며 건설사 등의 홍보수단으로 이용되고 있다. 음환경 개선 중 바닥충격음 저감을 위한 기술개발의 경우 바닥슬래브의 보강(Mun et al., 2016), 수음실 천장의 개발(Shin and Kim, 2019), 바닥 평면 형태 변화(Kim et al., 2017)에 따른 개발 등이 대표적이다. 하지만 이러한 기술개발은 공동주택 거주자 중심에서 부족 하다고 느낄 수 있으며 충격음의 저감을 직접적으로 인지하지 못한다. 따라서 공동주택 거주자 특히, 어린아이와 동거를 하고 있는 세대에서는 바닥 상부에 일정두께를 가진 바닥매트류 (Mun et al., 2014) 등을 설치하고 있다. 바닥매트류 설치는 거실과 놀이방에 주로 설치되며 두께가 작게는 10 mm부터 크게는 50 mm 까지 설치되고 있는 것으로 파악된다. 또한, 기존 논문주요 결과 중 공동주택 거주자에게 설문한 결과를 보자면, ‘층간소음 유발방지 노력을 어떻게 하고 있는가?’ 와 ‘사전에 어떤 노력을 하고 있는가?’에 대한 설문이었다(Park, 2015). 가장 비율이 높았던 방법은 ‘아이들 교육시키기’ 그 다음으로 비율이 높았던 대답은 ‘매트나 카펫 사용하기’로 나타났다. 또한, 세 번째는 ‘슬리퍼 착용하기’로 나타났다. 이와 같이 층간소음 저감을 위해서 공동주택 거주자는 경제적 소비를 진행하고 있다. 하지만 경제적 지출을 진행하면서 제대로 된 충격음 저감성능에 대한 정보를 얻지 못하는 문제점이 존재한다.

바닥표면마감재 및 바닥매트 등을 설치하고 충격음이 저감되었다고 평가할 수 있는 규정은 부재하며 특히, 공동주택에서 발생행위인 실제 충격력이 발생되었을 때 바닥매트 설치 시 저감성능에 대한 평가 방법은 부재하다. 또한, 충격음이 저감되었다고 인지 할 수 있는 범위와 그 크기를 소비자에게 제공한다면 바닥매트류 구매 선택의 폭은 넓을 것으로 판단된다. 충격음 저감 인지 범위의 경우는 기존 논문에서 실제 충격음 및 고무공 충격음 발생 시 63 Hz, 125 Hz, 250 Hz 그리고 500 Hz 대역을 중심으로 각 주파수 대역을 3 dB 씩 증가, 감소한 음원을 랜덤으로 청감 시험한 결과 125 Hz 대역과 250 Hz 대역에서 3 dB 저감되었을 때 ‘충격음이 저감되었구나’ 인지하였다(Jeong and Lee, 2017).

본 논문은 바닥충격음 충격원(임팩트 볼, 실충격력을 모사한 낙하높이 40 cm)(Yeon et al., 2018; Yeon et al., 2019)을 대상으로 공동주택의 다양한 바닥구조에서 바닥매트류 저감성능에 대한 측정·분석을 진행하고 저감량에 따른 인지범위량에 대하여 성능 값을 보여주는데 그 목적이 있다.

측정개요

측정대상 바닥 매트류

본 연구에서 활용된 바닥 매트류는 공동주택에서 거주자(어린이, 어른 등)들이 바닥충격음 저감을 위해 설치되는 매트류와 유사한 두께를 가지고 제작 된 매트류로 Table 1(단일구성) ~ Table 2(복합구성) 와 같이 구성하였다.

기존 연구(Yeon et al., 2019)에서 활용된 매트류 소재와 동일한 재료로 단일재료 PE (Poly Eyhylene) 5종(Case 1 ~ Case 5), PU (Poly Urethane) 5종, (Case 6 ~ Case 10)은 두께 10 mm부터 50 mm 까지 구성하였으며 바닥매트류 겉 커버는 없는 상태이다. 또한, PVC (Poly Vinyl Chloride), PE, Non-woven fabric(부직포)등 다양한 소재의 결합으로 구성된 매트류로 두께 16. 2 mm부터 46.2 mm 까지 총 8가지 종(Case 11 ~ Case 18)으로 제작하였다. 소재는 공동주택 거주자가 구매 가능한 소재로 선택하였다.

Table 1.

Experimental Conditions of Floor mats and Floor layers (Case 1 ~ Case 10)

Location Case Thickness Floor mats Floor layers
Apartment 1 10 mm PE 10 mm TYPE 1 : Ceiling 200 mm
(Gypsum board 9.5 mm, air layer gap) + Slab 210 mm +
EPS 30 mm + Light-weight mortar 40 mm + Mortar 40 mm

TYPE 2 : Ceiling 200 mm
(Gypsum board 9.5 mm, air layer gap) + Slab 210 mm +
Steel plate 30 mm + Mortar 40 mm
2 20 mm PE 20 mm
3 30 mm PE 30 mm
4 40 mm PE 40 mm
5 50 mm PE 50 mm
6 10 mm PU 10 mm
7 20 mm PU 20 mm
8 30 mm PU 30 mm
9 40 mm PU 40 mm
10 50 mm PU 50 mm
Table 2.

Experimental Conditions of Floor mats and Floor layers (Case 11 ~ Case 18)

Location Case Thickness Floor mats Floor layers
Apartment 11 16.2 mm (Top) Poly Vinyl Chloride 2.2 mm
+PE 10 mm
+Nonwoven fabric 4 mm (Bottom)
TYPE 3 : Ceiling 200 mm (Gypsum board
9.5 mm, air layer gap) + Slab 210 mm +
EPS 30 mm+ EVA 30 mm + Mortar 40 mm
12 26.2 mm Poly Vinyl Chloride 2.2 mm
+EVA (plate)20 mm+
Non-woven fabric 4 mm
13 18.2 mm Poly Vinyl Chloride 2.2 mm
+Polyurethane 12 mm
+Non-woven fabric 4 mm
14 16.2 mm Poly Vinyl Chloride 2.2 mm+
PU 10 mm
+Non-woven fabric 4 mm
15 49.2 mm Poly Vinyl Chloride 2.2 mm+
PE 10 mm
+EVA (uneven)33 mm+Non-woven fabric 4 mm
16 49.2 mm Poly Vinyl Chloride 2.2 mm+
PE 10 mm
+EVA (plate)33 mm+Non-woven fabric 4 mm
17 26.2 mm Poly Vinyl Chloride 2.2 mm
+PE (reflectiveInsulation ) 20 mm
+Non-woven fabric 4 mm
18 46. 2 mm Poly Vinyl Chloride 2.2 mm
+PE (reflectiveInsulation) 20 mm
+EVA (plate)20 mm+Non-woven fabric 4 mm

측정대상 바닥 구조

바닥 매트류에 대한 충격음 저감성능은 공동주택 거실 중심으로 Table 1, 2 (Floor layers)와 같이 실제 공동주택에 적용되는 바닥구조로써 바닥구조 상부에서 측정을 진행하였다. Type 1 바닥구조는 Slab 두께 210 mm, 상부에 완충재 30 mm, 기포콘트리트 40 mm 이상, 마감몰탈 40 mm 이상으로 구성되었으며 하부 수음실의 천장은 공기층 포함 200 mm 로 석고보드 9.5 mm로 마감되었다. 또한, 공동주택 전체 면적은 84 m2이다.

Type 2는 Slab 두께 210 mm 상부에 Steel plate 30 mm, 기포콘크리트 없이 바로 마감몰탈 40 mm가 설치된 반건식 바닥구조이다. 마지막으로 바닥구조 Type 3의 경우에는 Slab 210 mm 상부에 완충재(EPS (Expanded polystyrene) 30 mm), 상부에 완충재(EVA (Ethylene-vinyl acetate copolymer) 30 mm) 가 두 겹으로 설치되고 최상부에는 마감몰탈 40 mm 가 설치된 바닥구조이다. 하부 수음실의 조건은 동일하다.

평가방법

중량 바닥충격음 레벨(Li,Fmax,AW)

공동주택에서 다양한 매트류에 대한 바닥충격음 저감성능 평가 방법은 KS (KS 2810-2, 2012; KS F 2863-2, 2017)에서 정한 주파수 대역별 저감량으로 역A특성 가중바닥충격레벨(Li,Fmax.AW)로 평가를 진행하였으며 단일 값(Single number quantity)으로 정하였다. 주파수 대역은 1/3 octave band로 도출하였으며 모든 결과 값은 △L(LFloor structure LFloor covered with case)(dB)로 제시하였다.

충격음 저감 인지 범위 주파수 대역 레벨(125 Hz, 250 Hz)

평가 방법은 공동주택에서 아이들이 행위 중 뛰었을 때 충격음을 통하여 청감실험한 결과, 방법을 인용하였다(Jeong and Lee, 2017). 청감실험은 아이들이 뛰었을 때, 고무공 낙하시켰을 경우 음원을 주파수 대역 63 Hz부터 500 Hz 대역까지(Octave band) 랜덤으로 -3 dB, +3 dB 씩 조정하여 진행하였다. 그 결과 125 Hz 대역과 250 Hz 대역에서 음이 저감되었을 경우 충격음이 저감되었다는 것을 인지하였다.

본 연구에서도 기존 연구에서의 방법론을 준용하여 충격음이 저감되었다고 인지되는 주파수 대역 125 Hz, 250 Hz에서 3 dB 저감량 확보 유·무를 청감, 저감 인지 범위로 설정하여 분석하였다.

측정결과 분석

공동주택 습식 바닥구조 (Type 1)에서의 바닥충격음 저감성능 결과

공동주택 바닥구조 Type 1에서 단일재료로 구성된 Case 1 ~ Case 10 까지의 실충격력(고무공 낙하높이 40 cm), KS 기준 낙하높이로 100 cm에 대한 바닥충격음 차단성능 결과를 Figure 1과 같이 나타났다. KS 기준 낙하높의 주파수 대역별 저감성능을 보면 일정 주파수 대역에서는 충격음이 증폭, 일정주파수 대역에서 저감되는 결과가 나타났다. 특히, 500 Hz, 630 Hz 대역에서는 모든 바닥매트류에서 충격음이 증폭되는 것으로 나타났다. 두께가 가장 얇은 PE 10 mm, PU 10 mm 바닥매트류의 경우에는 125 Hz, 200 Hz 대역에서 약 2~3 dB 증폭되는 것으로 나타났다. 하지만 20 mm 이상 두께를 가진 바닥매트류 설치 시 100 Hz 대역에서 250 Hz 대역은 저감성능을 확보하는 것으로 나타났으며 특히, PE 바닥매트류 40 mm, 50 mm에서 충격음 저감성능이 가장 큰 것으로 나타났다. 단일 수치평가량으로 보면, PE 로만 구성된 바닥매트류 30 mm 이상에서 충격음 저감성능이 2 dB에서 4 dB 까지 확보되는 것으로 나타났다. 하지만, 바닥매트류 PU의 경우에는 두께가 50 mm 까지 증가되더라도 충격음 저감성능 변화는 미미한 것으로 나타났다.

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Figure 1.

Result of floor impact sound at apartment (Floor structure type 1)

실충격력을 모사하여 고무공 낙하높이 40 cm로 평가한 결과를 주파수 대역별로 살펴보면 50 Hz 대역에서 바닥매트류 PE 40 mm, 50 mm를 제외하고 충격음이 증폭되는 것으로 나타났다. 또한, 315 Hz 대역 이상 고주파수 대역으로 갈수록 충격음 저감성능은 다소 줄어드는 것으로 나타났으며 그 외 주파수 대역에서는 충격음 저감성능을 확보하는 것으로 나타났다.

표준중량충격력 특성 1인 뱅머신(낙하높이 85 cm)을 활용하여 바닥매트류에 대한 저감성능을 확인한 결과 Figure 2와 같이 나타났다. 저감량은 바닥매트류 설치 전과 동일한 수준 또는 최대 3 dB 이하로 나타났으며 100 Hz 대역에서의 충격음 저감량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, PE 소재로 구성된 바닥매트류가 PU 소재로 구성된 바닥매트류 보다 충격음 저감성능이 높게 나타났으며 PU 소재 두께 10 mm, 20 mm로 구성된 바닥매트류를 제외하고 모든 바닥매트류에서 전 주파수 대역 충격음 저감성능이 1 dB ~ 6 dB 이상 나타났다.

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Figure 2.

Result of floor impact sound at apartment (Floor structure type 1)

공동주택 반건식 바닥구조 (Type 2)에서의 바닥충격음 저감성능 결과

공동주택 바닥구조 Type 1에서 충격음 저감성능에 대하여 측정 및 평가한 바닥매트류와 동일한 바닥매트류에 대하여 공동주택 바닥구조 Type 2에서 충격음 저감성능 결과는 Figure 3과 같이 나타났다. KS 기준에 준하여 고무공 낙하높이 100 cm 가진 시 충격음 저감성능은 PE 두께 40 mm ~ 50 mm에서 약 1 dB의 저감성능을 확보하는 것으로 나타났으며 50 Hz대역부터 80 Hz 대역까지 충격음이 증폭되는 양이 컸다. 또한, 315 Hz 대역부터 고주파수 대역으로 갈수록 충격음이 증폭되는 결과를 보였다. PU 바닥매트류의 경우에는 저감량이 없거나 오히려 충격음이 증폭되는 결과가 나타났으며 주파수 대역별로 보면 PE 바닥매트류 증폭되는 주파수 대역 범위와 대동소이했다.

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Figure 3.

Result of floor impact sound at apartment (Floor structure type 2)

실충격력을 모사하여 고무공 낙하높이 40 cm로 평가한 결과 PE 바닥매트류는 최대 3 dB의 충격음 저감성능이 나타났으며 두께가 가장 얇은 10 mm에서 20 mm 에서도 약 1 dB의 저감성능을 확보하는 것으로 나타났다. 또한, 몇 개 주파수 대역에서 미미한 증폭량을 보였지만 대부분 주파수 대역에서 저감성능을 확보하는 것으로 나타났다. PU 바닥매트류의 경우에는 두께 30 mm와 50 mm에서 약 1 dB의 충격음 저감성능이 나타났으며 나머지 두께에서는 충격음 저감성능은 없었다. 주파수 대역별 저감량은 80 Hz 대역에서 다소 증폭되었지만 그 수치는 미미하였으며 315 Hz 대역 이상에서 약 1 dB 이상 증폭되는 것을 확인할 수 있었다.

바닥구조 Type 2에서 바닥매트류에 대한 표준중량충격력 특성 1 뱅머신 충격음 저감성능 결과를 Figure 4와 같이 나타났다. 모든 바닥매트류에서 저주파 대역 160 Hz 이하에서 저감성능을 확보하는 것으로 나타났으며 고주파수 대역으로 갈수록 다소 저감성능이 소폭 낮아졌다. 또한, 바닥매트류 소재 보다는 바닥매트류 두께에 따른 저감성능 차이가 나타나는 것으로 확인되었다. 일부 바닥매트류 400 Hz 대역이상에서 증폭되는 경우도 확인되었으나 단일수치평가량 최대 5 dB 의 충격음 저감성능을 확보하는 것으로 나타났다.

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Figure 4.

Result of floor impact sound at apartment (Floor structure type 2)

공동주택 이중 바닥구조 (Type 3)에서의 바닥충격음 저감성능 결과

공동주택 바닥구조 Type 3의 층간소음 저감재가 2종으로 상부에 기포콘크리트 없이 마감몰탈로 구성된 바닥구조 상부에서 다양한 바닥매트류 소재 조합에 따른 충격음 저감성능 결과는 Figure 5와 같이 나타났다. 고무공 낙하높이 100 cm 의 경우 충격음 저감성능이 최대 1 dB로 나타났으며 Case 11, Case 14 바닥매트류에서는 저감성능과 충격음 증폭이 없는 것으로 확인 되었다. 주파수 대역별로는 80 Hz 대역, 630 Hz 대역에서 충격음 저감성능 수치가 높았으며 315 Hz 대역에서 충격음이 증폭되는 결과가 나타났다.

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Figure 5.

Result of floor impact sound at apartment (Floor structure type 3)

실충격력을 모사하여 고무공 낙하높이 40 cm로 가진하였을 경우 바닥매트류 Case 15에서 단일수치평가량 최대 2 dB 충격음 저감성능을 확보하는 것으로 나타났다. 또한, 고무공 낙하높이 100 cm의 충격음과 동일하게 바닥매트류 Case 14에서 충격음 저감성능 없이 나타났다. 그 외에 바닥매트류에서는 충격음 저감성능이 약 1 dB로 나타났다. 주파수 대역별로 살펴보면, 80 Hz, 250 Hz, 500 Hz 대역에서 저감량이 컸으며 충격음이 증폭되는 주파수 대역은 400 Hz 대역에서만 약 1 dB 가량으로 나타났다.

뱅머신의 경우에는 Figure 6과 같이 바닥매트류 Case 15에서 단일수치평가량 최대 3 dB 충격음 저감성능을 확보하는 것으로 나타났다. 하지만 일부 바닥매트류에서는 오히려 충격음이 증폭되었으며 고무공의 결과(낙하높이 100 cm)와 다소 차이가 발생하는 것으로 나타났다.

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Figure 6.

Result of floor impact sound at apartment (Floor structure type 3)

바닥매트류의 바닥충격음 저감성능과 인지여부

공동주택 바닥구조 총 3가지 구조에서 바닥매트류 Case 1에서 Case 18까지 총 18 종에 대하여 설치 후 충격음이 얼마나 저감되었는지 대하여 주파수 대역별 125 Hz, 250 Hz 대역을 중심으로 평가하였다.

바닥매트류 Case 1에서 Case 10 까지 공동주택에 일반적으로 적용되는 습식구조에서의 고무공 낙하높이 40 cm에 대한 주파수 대역별 인지 저감성능에 대한 분석결과 Figure 7과 같이 나타났다. 125 Hz, 250 Hz 대역에서 3 dB의 저감성능이 나타난 바닥매트류의 경우 PE 소재 두께 30 mm 이상에서는 충격음이 저감되었다고 인지할 만큼 수치로 나타났으며 PU 소재 바닥매트류의 경우 두께 40 mm 이상 확보되어야 겨우 3 dB를 확보하는 수준으로 나타났다. 또한, 63 Hz 대역은 PE 30 mm 이상에서 다소 저감량이 나타났지만 충격음 저감 인지 범위인 3 dB는 미치지 못하였다.

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Figure 7.

Result of floor impact sound reduction at apartment floor structure type 1 (△L: LFloor structure 1 -LFloor covered with case (dB))

공동주택 바닥구조 Type 2 반건식 구조에서 주파수 대역별 충격음 인지여부 가능 결과는 Figure 8과 같이 나타났다. 공동주택 습식바닥구조(Type 1)와 달리 바닥매트류 PE 소재 두께 20 mm 이상, 125 Hz, 250 Hz 대역에서 저감성능 3dB를 확보하는 것으로 나타났다. PU 소재로 구성된 바닥매트류의 경우에는 두께 30 mm 이상에서 3 dB를 확보하는 것으로 나타났다. 63 Hz 대역에서 3 dB를 만족하는 바닥매트류는 PE 소재 두께 40 mm 뿐이 었으며 500 Hz 대역에서의 저감성능은 미미하였고 오히려 중폭되는 바닥매트류도 존재하였다.

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Figure 8.

Result of floor impact sound reduction at apartment floor structure type 2 (△L: LFloor structure 1 -LFloor covered with case (dB))

마지막으로 공동주택 층간소음 저감재가 두겹으로 설치된 바닥구조에서의 고무공 낙하높이 40 cm, 주파수 대역별 인지여부 성능을 분석한 결과 Figure 9와 같이 나타났다. 모든 바닥매트류에서 125 Hz, 250 Hz 대역 3 dB 저감성능을 확보하지 못하는 것으로 나타났다.

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Figure 9.

Result of floor impact sound reduction at apartment floor structure type 3 (△L: LFloor structure 1 -LFloor covered with case (dB))

결론 및 토의

본 연구를 통하여 표준중량충격력 특성 1인 뱅머신, 특성 2인 고무공, 거주자 실충격력을 고려한 충격력 고무공 낙하높이 40 cm을 적용하여 공동주택 바닥구조 3 가지 Type, 18종의 바닥매트류에 대한 충격음 저감효과를 실험 및 분석한 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1)완충재 한 겹이 삽입된 습식바닥구조에서 실충격력을 모사하여 고무공 낙하높이 40 cm 로 가진 후 바닥매트류의 저감성능 결과 80 Hz 대역에서 250 Hz 사이에서는 최대 10 dB 까지 저감성능이 나타났으며 단일 수치평가량으로 보면 PE 40 mm, 50 mm 바닥매트류에서 최대 5 dB 까지 저감성능을 확보하는 것으로 나타났다.

(2)반건식구조에서 바닥매트류의 충격음 저감성능 결과 고무공 낙하높이 40 cm 의 경우 80 Hz, 400 Hz 이상에서 다수의 바닥매트류에서 충격음 저감성능을 최대 7 dB 이상 확보하는 것으로 나타났다. 또한, 단일 수치 평가량의 경우에는 최대 3 dB 저감성능을 확보하는 것으로 나타났다. 고무공 낙하높이 100 cm의 경우에는 단일수치 평가량 최대 1 dB 이상의 충격음 저감성능을 확보하는 것으로 나타났다.

(3)완충재가 이중으로 설치된 이중바닥구조인 Type 3에서의 다양한 조합으로 이루어진 바닥매트류의 충격음 저감성능은 고무공 낙하높이 40 cm에서 최대 2 dB의 단일수치평가량 저감성능을 확보하는 것으로 나타났으며 고무공 낙하높이 100 cm의 경우에는 단일수치평가량에서 저감성능은 없는 것으로 나타났다.

(4)뱅머신의 경우 고무공 낙하높이 100 cm와 고무공 실충격력 모사 가진 시(낙하높이 40 cm) 저감성능이 확보 된 바닥매트류 종류에서 유사하게 충격음 저감성능이 확보 되었고 바닥구조 Type 3에서 고무공 가진시(낙하높이 100 cm) 저감성능이 없는 바닥매트류에서는 오히려 충격음이 증폭되는 것으로 나타났다.

(5)바닥매트류의 설치에 따른 저감성능 인지범위는 중요주파수 125 Hz 대역과 250 Hz 대역에서 3 dB 저감성능 확보를 분석한 결과 Type 1 바닥구조와 Type 2 구조에서는 PE 소재 바닥매트류에서 성능이 높은 것으로 나타났으며 이중바닥구조에서의 바닥매트류는 저감성능 인지범위 3 dB를 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 바닥매트류에 대해 다양한 바닥구조에서 측정한 결과 차이가 발생하는 것은 바닥구조의 충격음 특성이 다소 지배적이기 때문에 바닥구조 상부에 일정 두께를 가지는 바닥매트류를 설치하더라도 충격음 저감성능이 상이한 것으로 사료된다.

향후, 바닥매트류 충격음 저감성능에 측정 및 평가 방법에 대한 제시를 위해서 실충격력을 모사할 수 있는 정확한 충격력 제시 및 평가방법에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Acknowledgements

본 연구는 2021년도 중소벤처기업부의 기술개발사업 지원에 의한 연구임 [S3101927].

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