주택 층간소음: 중량충격음 소음해석.

 

용어정리

  *중량충격음 : 무겁고 부드러운 소리, 발생시 잔향이 남아 사람으로 하여금 심한 불쾌감을 갖게 하며,

                     심하면 정신적고통을 일으킨다.

  *경량충격음 : 가볍고 딱딱한 소리, 발생시 사람을 놀라게 하지만 잔향이 없어 불쾌함이 작다.

  *Acoustic mode : 장파장 영역에서 연속매체중 음파와 같은 구실을 하는 결정 격자 진동의 진동모드.

  *음파 : 진동이 균열하던 매질에 부분적으로 압력변화를 일으켜서 종파의 형태로 고막을 진동시키는것.

  *동적특성 : 비평형 상태에 있는 계의 변화에 대한 응답거동.

  *점탄성재료 : 물체에 힘을 가했을때 탄성변형과 점성을 지닌 흐름이 동시에 나타나는 현상.

  *휨강성 : 보나판이 휘는정도를 나타내는 양.

  *경계요소법 : 대상영역의 경계면의 물리적변화만을 미지수로 하여 해석하는 방법. (해석의 용량 줄어듦)

           >>경계면의 이동에 따른 내부절점 재편성이 필요 없다.

  *Octave band : 인간의 가청붐위인 50~10000Hz의 주파수를 옥타브마다 단락진 것.

 

층간소음

국내의 많은 건설업체들이 층간소음을 위한 피해를 저감시키기 위해 많은 연구를 하고 있다.

기업들의 노력으로 층간소음에 관한 기술이 상당량 발전 하였다.

하지만 중량 충격음에 대한 소음저감은 아직도 많은 해답을 제시하지 못하고 있다.

 

중량충격음은 슬래브 진동에 의해 전달되는 소음이다. 슬래브 진동에 대한 동적 특성(두께, 질량, 면적, 지지조건, 벽체유무)과 매우 밀접한 관련이 있다.

따라서 중량충격음의 경우 인정바닥구조로 1등급의 인증서를받았다 하더라도 현장에서 시공되는 슬래브 동적특성과 다르기 때문에 현장마다 다른 성능을 보인다.

많은 건설업체들이 이러한 현상을 줄이기 위해 시공되는 공동주택과 유사한 규모의 실험동을 만들어 많은 기술개발을 하고 있지만 실험동의 측정치와 현장에서의 측정치가 다르게 나온다.

이것은 중격충격음은 저주파 성분이 매우 강하기 때문에 실내에서 음파분포는 벽체등에 의해 반사되는 음파에 의해 정상파가 형성되어 측정 위치마다 그 값의 분포가 크게 달라지기 때문이다.

 

현재 중량충격음을 저감하기 위해 완충재의 형상과 물성치를 조절하여 소음을 저감시키려는 시도가 많다.

완충재는 점탄성재료라는 특성때문에 슬래브가 진동하는 운동계의 댐핑역할을 할 수 있다.

하지만 슬래브의 질량과 완충재의 상대적인 질량을 고려하면 댐핑에 의해 진폭이 줄어드는 현상은 미비하다.

반면, 완충재는 충격력의 하중스팩트럼을 변화시켜 저주파영역의 하중을 증폭시키는 영향이 크다.

이 때문에 완충재를 설치한 바닥구조에서 중량충격음이 오히려 더욱 커지는 현상이 일어난다.

또한 앞서 말했듯이 완충재를 사용한다 해도 슬래브의 크기나 두께에 따라 슬래브 진동특성이 변하기 때문에 상황에 따라 소음 저감 효과가 다를 것이다.

이를 통해 완충재의 사용으로 슬래브의 크기나 두께에 따라 슬래브 진동특성이 변하기 때문에 상황에 따라 소음 저감효과가 다를 것이라는 것을 알 수 있다. (새로운 바닥 구조 시스템 개발 혹은 바닥 충격음 저감 기술 필요)

 

현재 바닥 충격음 저감 재료를 개발하는데 실험을 통해서만 그 효과를 검증하고 있다. 중량충격음 예측이 해석적인 어려움도 있고 다양한 변수를 갖고 있는 복잡한 문제라는 것을 의미한다.

하지만 이러한 문제를 해결하여 중량충격음 해석을 할 수 있다면 시간과 경제적으로 많은 이익을 가져 올 수 있으며 바닥 충격음 저감을 위한 바닥구조 시스템 개발에서도 문제점을 사전에 발견할 수 있기 때문에 바닥 구조 시스템 개발 속도를 한층 높일 수 있을 것이다.

소음해석 기술은 조선이나 기계분야에서 많은 발전이 되어 있다.

조선이나 기계분야의 소음해석 기술을 건축분야에 적용하여 중량충격음 소음해석을 접근 해볼 수 있다.

 

 

해석 모델링

 

구조해석 모델링

중량충격음 실험은 구조물의 진동특성과 배출되는 소음의 영향을 명확하게 파악하기 위해 맨바닥 콘크리트슬래브에 대해 실험한다.

바닥과 벽체는 쉘요소로 모델링한다. 슬래브와 벽체를 통해 진동이 전파되는 것을 고려하기 위해 벽체와 슬래브가 접합되는 부분에 대한 경계조건은 힌지로 한다.

슬래브의 휨 강성을 실제와 유사하게 하기 위해 실험되는 실과 인접한 부분까지 모델링 한다.

해석하는 방과 인접한 방 그리고 별체를 모델링 하는 노력은 해석하는 실의 슬래브 휨강성을 변화시키기 때문에 고유진동수의 변화를 가져온다.

벽체등에 의한 휨강성 변화를 알아 모델링에 적용할 수 있다면 해석시간을 단축시키고 모델링의 정밀도를 높일 수 있지만 이를 고려하지 못하면 구조물 전체를 모델링 해야 한다. (시간이 많이 걸려 협약점을 찾아야함)

 

소음해석 모델링

소음해석 방법은 일반적으로 유한요소와 경계요소 해석을 많이 사용한다.

(이 해석 방법은 해석시간과 해석 범위에 대해 많은 제한이 있다.)

실내 소음해석은 FEM 해석방법을 많이 사용하는데 이는 음파가 전달되는 매질전부를 모델링하기 때문에 각 주파수 대역에서의 음파분포나 Acoustic mode를 구하기에 용이하기 때문이다.

중량충격음의 해석범위는 1/1 Octave band에서 500Hz까지 구해야하므로 1~708Hz까지 해석범위로 해야 한다. 하지만 이러한 해서검위까지 해석하기 위해서는 요소크기가 매우 작아져 node수가 많아지기 때문에 고성능 컴퓨터와 많은 시간이 필요하다.

중량충격음의 경우 음압 분포 대역이 1/1 Ovtave band로 125Hz 까지임을 고려한다면 소음해석을 위한 최소주파수 대역은 1~178Hz이다.

벽지나 천정 마감 등에 대한 흡음을 고려하기 위해서는 흡음되는 면에 표면흡음조건을 주어 임피던스 수치를 넣는다.

음속의 허수부는 공기의 댐핑역할을 할 수 있으므로 흡음에 대한 고려는 음속의 허수부값을 이용한다.

 

 

적용 및 과제

FEM해석방법을 이용하여 음향모드를 고려한 중량충격음 소음해석에 접근할 수 있다.

이를 통해 음향모드가 실내 음장에 어떠한 영향을 주는지 알 수 있다.

현재 소음해석분야는 높은 수준까지 발전되었으며 중량충격음 해석은 현재 개발된 소음해석방법을 이용하여 충분히 해석가능한 주파수 범위안에 있다.

따라서 중량충격원에 대한 진동해석만 정확하게 할 수 있다면 중량충격음 소음해석은 가증할 것이다.

앞으로 구조체 슬래브 상부의 마감층이 슬래브의 진동과 구조체 슬래브에 전달되는 하중에 어떠한 영향을 주는지 알아야 할 것이다.

이러한 영향을 진동해석 과정에 도입하면 보다 신뢰높은 중량충격음 소음해석결과를 얻을 수 있을 것이다.

 

중량충격음 소음해석은 바닥판의 진동해석과 소음해석이라는 두 가지 분야의 내용을 다룬다.

중량충격음 소음해석의 완성도에 따라 바닥 충격음 저감을 위한 구조시스템 개발, 바닥충격음 저감성능 평가, 주택 리모델링시 효과적인 바닥충격음 저감 바닥고조시스템 설계 등 활용분야가 많을 것이다.

 

소음해석된 결과를 통해 실내의 음압분포를 보면 현재 중량충격음 측정 방법은 측정되는 위치에 따라 음압분포를 달리하여 표준적인 결과를 얻기 힘들다.

음압분포가 실의 모서리 부분에서 일반적으로 최되가 된다는 성질을 결과에 반영하면 좋을 듯싶다.

따라서 8개의 모서리 부분을 이용하면 보다 표준적인 결과를 얻을 수 있을 것이다.

 

 

출처 : 문대호, 황재숭, 박홍근, 홍건호, 임주혁 , "Acoustic mode를 고려한 공동주택 중량충격음 소음해석"

         한국소음진동공학회 2009년 춘계학술대회 논문집, pp.294~402.