Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2022. 476-485
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20220040

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 생리 및 심리 반응

  •   생리 반응

  •   심리 반응

  • 실험방법

  •   음원 선정

  •   실험시설 및 피험자

  •   실험절차

  • 실험결과

  •   생리 반응

  •   심리 반응

  • 토의 및 결론

서 론

소음은 인간에게 다양한 영향을 끼치고 감정과 만성 스트레스, 직무 수행능력 저하 등과 같은 정신적인 문제부터 피로감, 비만, 당뇨병 및 심혈관질환 등의 신체적인 문제까지 부정적인 결과를 초래하게 된다(Eriksson et al., 2013). 교통소음이나 항공기 소음으로 인해 아이들의 혈압이 증가(Van Kempen et al., 2006; Babisch et al., 2009)하거나 성인의 Heart Rate (HR)이 증가하며(Zijlema et al., 2016), 심장병의 위험성이 증가(Münzel et al., 2014)한다는 등의 연구 결과가 있다. 하지만 관련 연구들은 환경소음이나 교통소음 및 작업장 소음에 치중되어 있는 실정이다. 그러나 많은 시간을 집에서 생활하며 층간소음과 같은 주거소음에도 항상 노출되어있기 때문에 주거소음에 대한 생리적 연구 또한 필요하다.

주거소음 관련 연구로 Park and Lee (2017)의 실험에서 표준 중량 고무공 충격음 및 실제 주거소음 자극 제시 후 HR이 감소하고 Electrodermal Activity (EDA)가 증가하며, 소음의 음압레벨과 EDA가 양의 상관관계를 보였다. Frescura and Lee (2022)의 실험에서는 주거소음에 의해 HR과 EDA가 감소했고, Self-Assessment Manikin (SAM) 평가(Bradley and Lang, 1994)에서는 arousal이 음압레벨과 양의 상관관계, valence는 음압레벨과 음의 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 그러나, 기존 주거소음 연구에서는 제한된 종류의 소음을 대상으로 진행되어 주거소음의 시간 변동 특성에 따른 심리 및 생리 반응 차이에 대한 조사는 미흡하였다.

주거 생활과 밀접하게 관련이 있는 소음은 효율적으로 관리할 필요성이 있고, 이를 위해 합리적인 소음평가 기준 수립 및 저감 대책 마련이 필요할 것이다. 특히, 소음으로 인한 건강상의 영향을 예측하고 정량화하기 위해서 소음에 의한 인간의 심리 및 생리에 대한 정보 반영이 필수적이라고 생각되어 주거소음에 의한 실험을 진행하였다.

본 연구에서는 주거소음에 의한 인간의 생리 및 심리 반응, 특히 주거소음의 시간 변동 특성(충격음, 정상음)에 대한 반응 특성을 조사하였다. 이를 통해, 이전에 주거소음 연구에서 다루지 않았던 Root Mean Square Successive Difference (RMSSD)를 포함하여 주거소음의 음압레벨에 따른 심리 및 생리 반응 추이의 특성을 조사하고, 시간 변동 특성이 다른 주거소음 종류에 따라 생리 및 심리 반응의 차이가 어떠한지를 조사하였다.

생리 및 심리 반응

생리 반응

Table 1은 실험에서 사용한 생리 반응 지표들을 나타낸다. HR은 단위 시간당 심장박동의 수를 나타내는 지표로, 보통 분당 박동수 beats per minute (bpm)으로 표현된다. RMSSD는 연속되는 심장박동 간의 시간 차이를 이용해 계산하여 얻는 지표로, 단기간의 심장박동수 변이(Heart rate variability, HRV) 요소를 잘 나타낸다. EDA는 피부에 흐르는 전기적 특성을 측정한 지표로, 땀의 분비와 주로 관련되어 감정과 스트레스 등 심리 반응의 지표로 종종 사용된다.

Table 1.

Parameters measured in physiological experiment

Parameter Unit Description
ECG HR BPM The number of times the heart beats within a certain time period
RMSSD ms Root mean square of successive RR interval
EDA μS The property of the human body that causes continuous variation in the electrical characteristics of the skin

정신적인 스트레스와 각종 심혈관질환의 연관성을 나타내는 심장박동수 변이가 중요 지표로 사용되고 있으며, 본 연구에서는 Electrocardiogram (ECG)의 측정을 통해 HR과 RMSSD를 계산하여 안정상태인 baseline에서 60초 동안의 평균값과 소음에 노출된 상태 60초 동안의 평균값을 비교하여 변화율을 계산하였고, 피험자들의 데이터는 중앙값을 대푯값으로 사용하였다.

EDA는 소음 노출 시점의 값과 소음 노출 직후 10초 동안의 평균값을 비교하여 변화율을 계산하였고, 피험자들의 데이터는 중앙값을 대푯값으로 사용하였다.

심리 반응

주거소음에 대한 심리 반응을 알아보기 위해 Self-Assessment Manikin (SAM)과 신경 쓰임에 대한 평가를 진행하였다. 피험자의 감정 반응을 알아보기 위한 SAM은 기분이 좋거나 만족스러운지 혹은 기분이 안 좋거나 불쾌한지에 대해 평가하는 valence와 편안하거나 안정된 상태인지 혹은 불안하거나 각성상태인지에 대해 평가하는 arousal, 그리고 주어진 상황에서 그 상황에 대한 통제 가능 정도를 평가하는 dominance의 3가지 항목으로 구성되어 있다. Figure 1과 같이 각 항목이 9점 척도로 표현된 그림을 통해 평가되었다.

또한, 피험자가 소음에 대해 어느 정도로 신경이 쓰이는지에 대한 평가를 7점 어휘 척도로 진행하였다.

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Figure 1.

Self-Assessment Manikin with 9-point scales; Valence, Arousal, and Dominance

실험방법

음원 선정

본 연구에서는 실제 주거공간에서 녹음한 음원을 주파수 특성 및 시간 변동 특성에 따라(Figure 2, Figure 3) k-means clustering (elbow method, k=3) 방법을 활용해서 분류 및 선정하였다. 즉, 주거공간에서 빈번히 듣게 되는 주거 건물 내 소음과 외부 유입 교통소음 및 공사장 소음 등의 72개 음원을 대상으로 클러스터링을 하여, 주파수 및 시간 변동 특성 클러스터 평균값을 바탕으로 총 7종류의 음원을 선정하였다. 선정된 음원은 충격음으로 분류한 어린이 뜀, 어린이 달림, 항타 소음 및 정상음으로 분류한 화장실 급배수, 대화, 도로교통소음, 실외기 소음이 있다.

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Figure 2.

Frequency characteristics of sound stimuli

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Figure 3.

Temporal variation characteristics of sound stimuli

주택건설기준 등에 관한 규정(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2022) 제14조의2에서는 바닥충격음 기준을 49 dB (LAFmax) 이하가 되도록 명시하고 있다. 실제로 측정한 바로는 바닥충격음의 최고소음도 (LAFmax)가 50 dB 일 때, 등가소음도 (LAeq)가 약 45 dB로 나타났다. 이를 기준으로 음압레벨에 의한 데이터를 취득하기 위해 Table 2와 같이 충격음의 음압레벨을 50 dB, 60 dB, 70 dB (LAFmax), 정상음의 음압레벨을 45 dB, 55 dB, 65 dB (LAeq)로 3단계씩 만들어 제시할 수 있도록 했다. 실험에서 사용한 각 음원의 가장 높은 음압레벨은 일반적인 주거공간에서 발생하는 정도의 크기는 아니지만, 도로변 고시원과 노후화된 주택 등의 열악한 주거공간의 극단적인 상황을 가정하여 일반적인 상황보다 더욱 극적인 생리 반응을 알아보고자 설정하였다.

Table 2.

Sound stimuli and representation SPL

Impact sound Child jumping, Child running, Pile driver
LAFmax [dBA] 50 60 70
Stationary sound Toilet plumbing, Conversation, Road traffic, Outdoor unit
LAeq [dBA] 45 55 65

실험시설 및 피험자

실험은 청감실험실에서 총 8명을 대상으로 Figure 4와 같이 진행되었다. 피험자는 심장질환 이력이 없는 정상 청각의 건강한 성인을 대상으로 하였으며, 실험 하루 전부터 알코올 및 카페인의 섭취를 제한하고 충분한 수면을 취하도록 하였다.

생리 반응을 알아보기 위한 ECG와 EDA의 데이터는 biopac systems (MP36R)을 이용해 취득하였다. ECG 데이터는 사지유도법을 이용하여 전극을 양 손목과 발목에 부착해서 취득함과 동시에 한쪽 손의 검지와 중지에 전극을 부착해서 EDA 데이터를 취득하였다. 또한 실험 중 움직임에 의한 데이터의 오염을 최소화하기 위해 자세교정기로 피험자의 자세를 고정시켰다. 심리 반응 평가는 피험자 눈높이의 태블릿PC에 제시되며 무선마우스와 연결되어 있어, 손목만 움직여 평가할 수 있도록 하였다.

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Figure 4.

Experimental settings and electrodes to participant for physiological experiment

실험절차

실험은 Figure 5와 같이 장시간의 실험으로 인한 피로를 줄이기 위해 크게 2개의 세션으로 진행되었다. 피험자는 각 세션이 시작하기 전에 5~10분 정도의 충분한 휴식을 취할 수 있도록 하였고, 실험 중 움직임이 없도록 지시하였다. 세션은 총 21개의 음원을 무작위로 정렬시켜 세션 1에서 11개의 음원, 세션 2에서 10개의 음원이 제시되도록 하였다. 생리 반응은 모두 실험시간 동안에 실시간으로 측정되었으며, 각 음원의 제시에 앞서 60초 동안 자극의 제시가 없는 baseline 구간을 두었고, 음원을 60초 동안 제시한 후에 심리 평가시간 30초가 주어졌다.

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Figure 5.

Presentation of sound stimuli

실험결과

생리 반응

Figure 6에는 음압레벨에 따른 음원별 mean HR의 변화율과 평균이 나타나 있다. 음원들의 평균 mean HR 변화율은 음압레벨이 높아짐에 따라 변화율 또한 증가하고 있음을 볼 수 있다. 음원의 종류별로 분류하면 충격음의 경우, 50 dB에서의 변화율보다 60 dB에서의 변화율이 낮아졌다가, 다시 70 dB에서 급격히 증가하는 경향을 보인다. 하지만 정상음 음원들은 일정한 경향을 보이지 않는 것을 볼 수 있다.

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Figure 6.

Change of mean HR averaged over all noise types (top) and for each sound source (bottom)

각 음원의 평균 mean RMSSD 변화율은 mean HR과는 반대로 음압레벨이 높아짐에 따라서 감소하는 경향을 보이며, 높은 음압레벨(정상음 65 dB, 충격음 70 dB)에서는 음의 변화율을 보인다. 도로교통소음과 항타 소음, 실외기 소음의 경우 음압레벨이 높아질 때, 변화율이 낮아지는 비슷한 경향을 보인다(Figure 7). 도로교통소음과 항타 소음의 경우 주파수 특성에서 유사한 특성을 보이고, 도로교통소음과 실외기 소음의 경우 시간 변동 특성에서 유사한 특성을 보이고 있다.

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Figure 7.

Change of mean RMSSD averaged over all noise types (top) and for each sound source (bottom)

Figure 8과 같이 mean EDA의 음원 평균 변화율을 보면 음압레벨이 증가함에 따라 같이 증가하고 있는 것을 볼 수 있다. 어린이 달림, 대화, 화장실 급배수 소음의 mean EDA 변화율 또한 음압레벨과 같이 증가하는 결과를 보였다.

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Figure 8.

Change of mean EDA averaged over all noise types (top) and for each sound source (bottom)

심리 반응

Figure 9는 SAM 평가결과로서 개별 소음원에 대해 음압레벨에 따른 심리반응을 나타낸다. Figure 9에서와 같이 valence와 dominance는 음압레벨이 높아짐에 따라 대체로 감소하는 경향을, arousal과 신경 쓰임은 음압레벨이 높아짐에 따라 대체로 증가하는 경향을 보인다. 또한, valence와 dominance에서는 정상음이 충격음보다 대체적으로 높았고, arousal과 신경 쓰임에서는 충격음이 정상음보다 대체적으로 높은 것을 볼 수 있다.

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Figure 9.

Psychological response with respect to SPL for each sound source

토의 및 결론

본 연구에서는 주거소음에 의한 생리 반응(HR, RMSSD, EDA) 및 심리 반응(SAM, 신경 쓰임)을 측정하고 분석하였다. mean HR의 전체음원의 평균 변화율은 음압레벨이 증가할수록 변화율이 증가하는 경향을 보였고, mean EDA의 전체음원 평균 변화율 또한 음압레벨 증가에 따라 증가하는 특성을 보였다. 이는 Park et al. (2017)Frescura et al. (2022)의 실험에서 mean EDA 변화율이 음압레벨과 양의 상관관계를 나타난 것과 유사한 결과였지만, mean HR 변화율의 경우 기존 주거소음 연구와 다르게 본 연구에서는 소음 자극에 의해 증가하는 반대의 결과를 나타냈다. 하지만 Zijlema et al. (2016)의 연구에서 교통소음에 의해 HR이 증가한 결과와는 유사한 경향으로 나타났다. 기존 주거소음 연구에서 조사하지 않았던 RMSSD 경우 전체음원의 평균 변화율이 음압레벨이 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다. 또한, 본 연구에서 시간 변동 특성에 따른 주거소음의 종류를 구분하여 생리 반응을 조사한 결과, mean HR 변화율의 경우 3개의 충격음(어린이 달리기, 어린이 뛰기, 항타기)이 모두 유사한 경향을 보였다. HR과 RMSSD의 변화는 교감신경과 부교감신경의 길항작용에 의해 다양하게 변화하기 때문에 추가적인 실험을 통한 분석이 필요할 것으로 생각된다.

주거소음의 심리반응 평가인 SAM에서는 주거소음의 음압레벨이 증가할수록 valence와 dominance는 감소하는 경향을, arousal과 신경 쓰임은 증가하는 상관관계를 나타냈으며, 이는 Frescura and Lee (2022)의 arousal과 valence에서 유사한 결과를 볼 수 있다. Arousal, dominance와 신경 쓰임에서는 점수가 전체적으로 분포하는 반면, 제시되는 자극이 모두 불쾌하다고 느낄 수 있는 소음 자극이기 때문에 행복이나 기분이 좋은 정도를 나타내는 valence의 평가는 최대 5.5점으로 낮게 나타났다. 또한, 주거소음의 종류에 따라 valence와 dominance에서는 정상음이, arousal과 신경 쓰임에서는 충격음이 점수가 높게 나타나는 경향을 나타냈다. 이는 감정평가에서 충격음이 정상음보다 부정적으로 평가되었다고 볼 수 있다.

향후, 주거소음의 보다 세밀한 주파수와 시간 변동 특성에 따라 생리 및 심리 반응이 어떻게 다르게 나타나는지와 이를 물리적으로 설명할 수 있는 주거소음의 심리음향 파라미터에 대한 조사가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 생리적 반응의 경우 피험자 개인별 편차를 고려하여 피험자 생리 반응 특성에 의한 피험자 그룹화를 통해 주거소음에 대한 생리적 반응의 일반화를 위한 추가 연구가 필요하다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원(과제번호 21CTAP-C163631-01)의 지원으로 수행되었음.

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