서 론

엘리베이터 소음은 공동주택에서의 쾌적한 삶을 방해하는 요인 중 하나이다(Kang and Oh, 2017). 많은 거주자들이 엘리베이터 소음으로 불편함을 겪고 있으며(Lee et al., 2015), 일부 거주자들의 경우에는 온라인 카페 및 SNS (Social Network Services)상에서 불만을 공유하는 수준을 넘어서서 이사까지 생각할 정도로 심각한 수준에 이르고 있다. 이러한 엘리베이터 소음 진단을 위해 소음레벨 측정 규격 [KS ISO 16032 - 건축설비 소음 측정 방법](KS F ISO 16032, 2015) 제정되어 있다. 이 규격은 국제규격과의 정합성 확보를 위해 ISO 규격을 그대로 인용해온 것으로서 국내 공동주택에 적용하기 위한 실효성과 용이성 검토가 제대로 이루어졌는지 검토해볼 필요가 있다. 왜냐하면, 엘리베이터 소음 레벨 자체가 매우 낮아 양호한 S/N확보가 어려우며 실제 주민이 거주하고 있는 상황에서는 주변 생활소음 등으로 인해 그 측정이 쉽지 않기 때문이다. 다시 말해 이 측정 규격으로는 엘리베이터 소음으로 인해 불편함을 겪는 거주자가 납득할 수 있는 객관적인 데이터를 확보하기 어렵다.

본 연구는 우리나라의 보편적인 배경소음 레벨을 감안할 때 일정 수준 이상의 신호대잡음비를 확보하기 어려워 KS 측정 규격에 의한 엘리베이터 소음의 측정 및 평가가 쉽지 않다는 문제(Bae et al., 2003)로부터 출발한다. 대부분 공기전달소음인 공동주택 배경소음의 영향을 받지 않아 측정이 상대적으로 용이한 진동레벨과 엘리베이터 소음레벨의 동시 측정 및 상관성 분석을 통해 엘리베이터 소음을 진동 측정 결과로 평가 할 수 있는 방안을 검토해보고자 하였다.

이를 위해 실제 엘리베이터 소음으로 불편함을 겪고 있는 공동주택의 엘리베이터 소음 및 진동을 측정하였으며, 진동측정 데이터와 소음측정 데이터를 비교 분석하였다. 이를 바탕으로 공동주택 엘리베이터 소음레벨을 평가하고자 하였다.

현행 측정 방법 및 문제점

현재, 엘리베이터 소음을 측정하는 방법은 [KS IOS 16032 - 건축설비 소음 측정 방법]으로서 ISO 규격을 그대로 인용 및 번역하여 채택한 규격이다. 내용 중 [부속서2(규정) 최대 음압 레벨 및 등가 소음 레벨 측정을 위한 가동 조건 및 가동 주기]에 승강기 측정 방법이 제시되어 있다. 먼저, 승강기의 가동 조건으로 1명~2명을 탑승시켜야 하며, 그 가동 주기 는 가장 낮은 위치에서 승강기를 상승시켜 각 층에서 멈춘 후 문을 열고 닫는다. 최고층에 도달하면 가장 낮은 위치까지 직접 하강시킨 다음 문을 열고 닫는다. 이 과정을 통하여 엘리베이터 소음을 측정하도록 되어 있고, 이 조건 이외의 다른 특성은 특별히 기술되어 있지 않다.

이러한 측정방법을 국내 공동주택에서 적용할 때 문제점은 없는지 사전 실험을 진행하였다. 실제 거주민이 거주하는 20층 높이의 공동주택에서 규정된 측정 방법에 따라 측정하였다. 그 결과 크게 세 가지 문제점이 발견 되었다.

첫 번째로 엘리베이터 가동 조건 및 주기의 문제 이다. 7층 정도의 수준에 이르렀을 때 엘리베이터 에서 모터 과열로 인한 화재 위험 경고 멘트가 나와 실험을 중단할 수밖에 없는 상황이 되었다. 해당 공동주택 엘리베이터의 기계적인 문제로 판단되나, 측정 중 발생할 수 있는 외부 요인임으로 실험 전 충분한 검토가 필요할 것이다.

두 번째로 측정 시간의 문제이다. 7층 비상 정지 시 까지 측정하는데 약 6분의 시간이 소요 되었다. 20층까지 측정 한다면 적어도 15분 이상 아무도 엘리베이터를 이용할 수 없다.

세 번째로는 가장 큰 문제점이라 할 수 있는 외부 환경 및 생활소음의 영향을 많이 받는 다는 점이다. 엘리베이터 소음은 실제 측정을 해보아도 35 dB 수준의 낮은 음압레벨을 나타낸다(Shin and Kim, 2018). 약 6분을 측정하는 동안에도 외부 소음의 영향으로 인해 실험이 불가능해지는 경우가 많이 발생했다. 가동주기 및 측정 시간의 문제는 가동 주기 및 운행 높이의 조절 등으로 해결이 가능하다고 하더라도, 주변 생활소음 및 외부 소음의 영향을 많이 받는 음압레벨의 측정은 극복하기 어려운 문제이다.

엘리베이터 소음 및 진동 측정

측정 개요

현재 측정방법의 문제점을 파악하고 해당 엘리베이터에 대한 소음과 진동의 동시측정을 실시한 후, 그 결과의 상관성 분석을 통해 진동 측정으로 엘리베이터 소음을 측정하고 평가 하는 방법에 대해 그 적합성을 확인하고자 하였다.

진동측정 시 진동전달이 명확한 부위 조사 및 가속도계의 위치 선정을 위해 아래와 같은 순서로 실험을 실시하였다. 연구의 흐름은 아래 Figure 1과 같다.

Figure 1.

Research Flow Chart

첫 번째로 소음 측정과 같이 벽과 바닥에서 진동 측정을 진행 하였다. 소음 측정은 엘리베이터 소음레벨 파악을 위한 측정이며, 진동 측정은 벽과 바닥이 일체화 되어 있는 공동주택의 구조적 특성상 벽과 바닥에서 동시에 측정을 진행 하여 진동의 전달특성이 더 명확한 부위가 벽인지 바닥인지를 명확히 하고자하였다.

두 번째로 명확한 부위가 나타났다면 그 부위에서 진동의 전달 경로가 어떤 지점에서 가장 영향력이 높은지 가상의 격자를 설정하여 지점별로 진동 측정을 진행 하였다. 진동전달의 주요경로가 어떤 지점이 가장 유력한 지를 조사하였다(Kang et al., 2018).

마지막으로 유력한 지점에서의 진동측정과 실내에서의 소음측정을 동시에 진행하였다. 그 결과를 상관성 분석을 통해 엘리베이터 소음과 진동의 상관관계를 확인하고 상관계수가 가장 높은 주파수대역을 산출하였다.

위 3단계의 실험과 분석을 통해 엘리베이터 소음의 실제 현황과 그에 타당한 측정방법을 제안 하고자 하였다.

실험 현장

실험은 목포시에 위치한 I아파트 이다. 2007년도에 지어진 공동주택으로, 엘리베이터 1대를 2세대가 공유하는 가장 일반적인 형태의 공동주택이며, 그 중 1세대는 엘리베이터 승강로와 방 1개가 벽 하나만을 두고 위치해 있는 상황이다. 여기서 벽은 철근콘크리트의 구조의 내력벽이며, 바닥은 표준바닥구조로 되어 있다. 거주공간에서의 마감은 벽체의 경우 석고보드와 벽지로 되어 있으며, 바닥의 경우 강화마루가 시공되어 있는 상태 이다. 실제 거주민이 생활하고 있는 곳이며, 엘리베이터 소음 때문에 생활하는 방으로 사용하지 못하고 창고로 사용하는 불편을 겪고 있는 상황이다. 엘리베이터는 기계실이 있는(MR)구조로 엘리베이터의 평형추는 세대와 반대 방향인 계단실 방향에서 움직인다. 실험 공동주택의 층수는 20층이며, 엘리베이터 소음 측정세대는 7층에 위치하고 있다. Figure 2는 평면도와 엘리베이터 승강로 인접실의 위치를 표시한 것이다.

Figure 2.

Floor Plan of I APT. in Mok-Po

소음 측정 및 진동 전달 부위 조사 결과

소음 측정은 마이크로폰을 통해, 진동 측정은 가속도계를 통해 진행할 수 있기 때문에 동시 측정을 진행 하였다.

먼저 소음 측정은 기존 규격내용에 따라 실내 중앙을 포함한 3지점을 선정하여 측정 하였다. 진동측정은 벽면에 2지점, 바닥에 2지점 총 4지점을 측정하였다. 엘리베이터는 1층~7층 이동을 기준으로 측정을 진행 하였으며, 측정시간은 1층에서 엘리베이터 문이 닫히는 순간부터 7층에서 엘리베이터 가 멈춘 후 엘리베이터 문이 열리고 닫히는 순간까지 45초이다. 탑승인원은 이동에 필요한 1명으로 고정하였다. 음압레벨 측정 결과 Table 1과 같이 L_eq 평가 A특성의 경우 평균 20 dB로 배경소음과 같은 레벨로 측정 되었다. 10초를 측정한 배경소음 또한 여러 번 측정을 통해 가장 낮은 20 dB을 선정하여 측정 하였으나 이와 같은 결과가 나타났다. L_max의 측정 결과에서 운행 시 소음 발생에 의해 평균 5 dB (A)의 차이값을 나타냈다. 이렇듯 엘리베이터 소음은 음압레벨 측정 시 배경소음이 완전히 차단된 상태가 아니라면 정확한 측정을 하기가 매우 어려운 낮은 소음이며, 주변 음 환경에 영향을 많이 받기 때문에 현황 파악에 어려움이 있음을 확인 할 수 있었다. 하지만 거주민의 반응 상, 측정 레벨이 매우 낮아도 거주민에게 매우 신경 쓰이는 소음으로 작용하고 있다.

Table 1. Measurement of Elevator Moving Noise

Unit : SPL (dB)

Table 2를 보면 진동 측정의 경우 배경진동이 매우 일정하게 나타났다. 운행 진동의 측정 결과 또한 배경 진동과 비교가 가능한 차이를 나타냈음을 확인 할 수 있었다. 그 중 주목해야 할 점은 L_max값에서 1, 2 Ch과 3, 4 Ch의 차이 이다. 벽면과 바닥에서 나타나는 진동 특성의 차이 이며, 벽면에서는 배경진동 대비 10~12 dB 정도의 차이를 보였고 바닥에서는 4~5 dB의 차이를 보였다. 위 결과를 주목해 볼 때, 엘리베이터 인접실 벽면에서의 진동측정이 엘리베이터 소음을 파악하는데 보다 효과적인 위치임을 알 수 있다.

Table 2. Measurement of Elevator Moving Vibration

Unit : VAL (dB)

다음은 진동 측정 결과 이다. 진동 측정은 벽면에 2 Ch, 바닥에 2 Ch 측정을 진행하였다. 구조적으로 벽면과 바닥이 붙어 있기 때문에 엘리베이터 진동 전달 경로를 파악해보기 위함이다. 각 측정 지점의 위치는 Figure 3에 나타냈으며, 벽면은 1, 2 Ch, 바닥은 3, 4 Ch로 표기하였다.

Figure 3.

Measurement Point of Vibration 4 Ch & Microphone 3 Ch

벽체에서의 진동 전달 경로 측정 결과

앞선 실험에서, 벽면 2지점, 바닥 2지점 진동측정 결과 벽면 2지점에서 엘리베이터 진동 전달 특징이 확연히 나타났음을 확인하였다. 벽면에서도 특히, 진동의 전달이 가장 심한 부위를 확인하기 위해 부위별 진동 측정을 진행하였다.

Figure 4와 같이 가로 7개, 세로 5개 총 35개의 포인트로 측정을 진행하였으며, 측정 순서 및 각 순서별 측정 픽업의 Ch별 위치, 측정 결과를 Table 3에 나타냈다.

Figure 4.

Vibration Measurement of Wall 35 Point (Ch.)

Table 3. Vibration Measurement Result of Wall 35 Point

진행되는 동안 1번 포인트는 계속 고정시켜놓은 상태에서 나머지 3포인트만을 이동시키며 측정하였다. 이는 상황마다 변하는 엘리베이터 소음에 대해 정확한 상대비교를 위함이다. 즉, G1에서 G12까지 12번의 측정을 실시하였다. 엘리베이터의 운행은 소음의 경우와 동일하게 1층~7층으로 하였고, 1명의 인원만 탑승한 상태로 측정하였다.

G1의 1번 ch을 기준으로 상대 비교한 결과 값은 Table 4에 나타냈다. 그 결과를 35포인트의 위치별로 나타낸 것이 Figure 5이다. L_eq의 경우 수치적 차이가 없을 뿐 아니라 전반적으로 고루 분포되는 경향을 나타냈다. L_max의 경우 중앙부위 주변으로 73~74 dB의 높은 수치를 나타내는 경향을 확인 할 수 있었다. 벽면에서의 그리드 진동 측정 결과, L_max평가 값으로 모서리를 제외하고 중앙점이 엘리베이터 진동을 잘 반영하고 있음을 확인할 수 있었다.

Table 4. Relative Comparison Vibration Measurement Result of Wall 35 Point

Figure 5.

Vibration Measurement Value Distribution of Wall 35 Point (L_max)

소음과 진동의 동시측정 결과

소음의 측정은 실내 3 Ch, 진동 측정은 벽면 4 Ch 이다. 측정 방법은 3.3.절과 같은 방법으로 45초를 측정 하였다. 측정 결과는 Table 5, Figure 6과 같다. 표의 값은 L_max값을 나타낸 것이다.

Table 5. Measurement Result of noise and vibration

Unit : VAL (dB), SPL (dB)

Figure 6.

Vibration Measurement Value Distribution of Wall 35 Point

아래 Figure 7은 45초 측정 간 타임히스토리를 나타낸 그래프이다.

Figure 7.

Comparative Analysis of Noise and Vibration

운행 구간 중 가장 높은 레벨을 나타내는 지점에서의 값이 소음측정결과와 진동측정결과의 경향이 일치함을 확인 할 수 있다.

분석 및 토의

엘리베이터 소음과 진동의 상관성 분석

Figure 7에서 피크레벨의 값이 엘리베이터 소음 의 평가에 있어 가장 큰 영향을 미친다고 할 때, 피크 레벨에서의 주파수 성분 분석을 소음과 진동 모두 파악하고 그 값의 상관성 분석을 통해 다시 한 번 검증하고, 상관계수가 가장 높은 주파수대역의 범위까지 확인해보고자 하였다. 상관도 분석은 변수간의 밀접한 정도 즉 상관관계를 분석하는 통계적 분석방법을 말한다. 상관계수가 0.7~0.9의 경우는 높은 상관관계가 있는 것으로, 그리고 0.9 이상의 상관계수는 두 변수 사이에 매우 밀접한 상관관계가 있는 것(Kim and Noh, 2012)으로 판단할 수 있다.

Figure 8은 주파수대역별 값을 그래프로 나타낸 것이다. 그림에서 보면, 전반적으로 상당히 높은 수준의 유사성을 나타내고 있으며, 1000 Hz 이상의 주파수대역에서는 피크레벨 없이 완만한 형태로서 측정 간 크게 구분이 되지 않은 영역이며 그 레벨도 낮아 큰 영향력을 갖지 않는 주파수대역이라 할 수 있다. 가장 영향력이 높은 주파수대역은 250 Hz 대역이며, 진동과 소음에서의 주파수대역이 일치한다. 이러한 경향의 정량적 판단을 위해 구간별로 나누어 소음과 진동의 상관계수 산출을 진행 하였다.

Figure 8.

Frequency analysis of noise and vibration and Set Frequency Band Range

그 결과는 Table 6과 같다. 1/3Oct 측정 결과이며, 전체 범위는 20 Hz ~ 5000 Hz로 나타냈다. 그 외에 그래프의 경향을 파악하여 2개의 추가 범위를 구성하였다. 25 Hz ~ 800 Hz, 100 Hz ~ 630 Hz로 총 3개의 주파수대역 범위에 따라 상관계수를 산출하였다.

Table 6. Analysis of correlation coefficient by frequency band of noise and vibration

Unit : VAL (dB), SPL (dB)

산출 결과, 20 Hz ~ 5000 Hz 전체 대역에 대해서는 소음과 진동의 상관계수가 0.47로 나타났다. 25 Hz ~ 800 Hz의 경우 0.72로 상당히 높게 나타났다. 100 Hz ~ 630 Hz의 경우는 0.85로 매우 높게 나타났음을 확인 할 수 있었다. 1000 Hz 이상의 대역에서는 그 값이 엘리베이터 진동에 영향을 미치지 못하는 수준이라고 할 수 있고, 그 범위를 제외하였을 때 0.72의 높은 상관계수가 나타났고, 그 범위에서도 높은 수치를 나타내는 구간인 100 Hz ~ 630 Hz는 0.85의 높은 상관계수를 나타냈다.

이러한 결과로 볼 때, 진동 측정은 피크레벨 값을 주파수대역 100 Hz ~ 630 Hz 대역으로 측정하고 평가하는 것이 엘리베이터 소음의 효과적인 측정 방법의 하나로 작용할 수 있을 것으로 판단된다.

엘리베이터 소음과 진동의 회귀분석

이미 상관성 분석에 의하여 1000 Hz 이상의 대역을 제외한 구간에서 0.72, 100 Hz~630 Hz 대역에서 0.85의 밀접한 관계가 있음을 검증 하였다. 회귀분석에 의하여 세 가지의 주파수대역이 엘리베이터 진동측정으로 소음을 평가 할 수 있는지와 그 유의도가 어느 정도인지 검증 할 수 있다. Table 7에 각 주파수대역별 조합의 피어슨 R² 값을 표시하였다. 상관성 분석과 같은 경향으로 20 Hz~5000 Hz 대역에서의 R² 값은 0.22 이하로 현저히 낮게 나타났으나 유의미하지 않은 주파수 대역을 제외한 100 Hz~630 Hz 대역에서의 R² 값은 0.72로 상당히 높은 값을 나타냈다.

Table 7. Pearson's R square

Figures 9~11은 각 주파수대역별 회귀식 및 관련 회귀 곡선을 나타내고 있다.

Figure 9.

Regression curve of 20 Hz~5000 Hz measurement

Figure 10.

Regression curve of 25 Hz~800 Hz measurement

Figure 11.

Regression curve of 100 Hz~630 Hz measurement

결 론

KS ISO 16032 규격에 승강기 소음을 측정하는 방법이 제시되어 있지만 매우 낮은 레벨의 엘리베이터 소음은 S/N 확보가 어려우며 실제 주민이 거주하고 있는 상황에서는 주변 생활 소음 등으로 인해 측정이 쉽지 않다.

이러한 점에 주목하여 이 논문에서는 상대적으로 주변 생활소음 및 배경소음의 영향이 적은 진동 측정을 통해 엘리베이터 소음레벨 평가하는 측정방법에 대한 방안을 검토해 보고자 하였다.

실제 엘리베이터 소음으로 불편함을 겪는 세대를 섭외 하여 현장에서 엘리베이터 소음과 진동 측정 실험을 진행 하였다. 측정 데이터를 분석 한 결과, 100 Hz~630 Hz 대역에서의 소음과 진동의 상관계수가 0.85로 가장 높게 나타났으며, 이 수치는 상당히 유의미한 값이라 판단 할 수 있다. 이러한 경향은 피어슨 R² 분석에서도 0.72의 값을 통해 그대로 드러난다.

즉, 엘리베이터 소음은 진동측정을 통해 100 Hz~630 Hz 대역을 평가한다면 엘리베이터 소음으로 인해 불편함을 겪는 거주자가 납득할 수 있을만한 객관적인 데이터를 확보 할 수 있을 것으로 판단된다.

이 연구는 엘리베이터 승강로와 거주공간이 면해 있는 경우의 1세대 측정 결과만을 분석한 것으로, 다른 평면 형태의 많은 현장 측정 결과를 추가적으로 반영하여 보다 정량적인 분석이 진행되어야 할 것이며, 현행 공동주택 엘리베이터 소음 측정방법에 대해서도 면밀한 검증이 진행되어야 할 것이다.