1. 서 론
열차의 고속화, 철도 터널의 장대화, 철도 역사의 지하화로 인한 철도 소음 문제가 점차 증가하는 추세이다. 특히, 열차의 터널 주행 시 발생하는 소음은 객실 내 소음을 더욱 증가시켜 승차감 저하, 대화 및 수면 방해 등 철도 이용객의 불편을 초래한다. 고속열차의 소음 특성에 대한 기존 연구에서도 터널 진입 시 발생하는 객차 실내소음이 개활지 주행 시 실내소음에 비해 상당히 증가하는 것으로 보고된 바 있으며, 그 차이는 약 5~9 dB 정도로 알려져 있다[1]. Fig. 1은 고속철도가 슬라브궤도 상에서 280 km/h로 주행 시 실내소음 측정 결과로, 터널 진입 전에 비해 터널 진입 후 실내소음이 약 5 dB 이상 증가하는 것으로 나타나는데, 특히, 200 Hz 이하의 저주파수 대역과 800~2000 Hz 대역에서 그 차이가 크고, 800~2000 Hz 대역은 사람이 민감하게 느끼는 주파수 범위로 이 대역의 소음을 저감하기 위한 방안이 필요하다.
터널 주행 시 객실 내 소음이 증가하는 주된 원인은 선로 방음설계 미흡으로, 터널 내부 벽면과 차체 표면에서 음의 다중 반사 현상이 일어나고, 제한된 공간에서의 음 에너지 밀도가 높아져 터널 내, 차체 외부의 음향 인텐시티가 증가하며, 특히 측면에서 개활지 대비 15 dB 이상의 음압레벨이 증가하면서 큰 음향파워 투과 전달력을 가지게 된다는 점에 있다[2]. 전달 경로상 음에너지가 흡수되거나 차단되는데 한계가 있어 열차 외부에서 발생한 소음이 상당 부분 열차 실내로 유입된다. 특히, 고속열차가 콘크리트 궤도 터널을 통과할 때는 흡음률이 높은 자갈 궤도일 때보다 외부 2.3 dBA, 실내 4.7 dBA 정도 더 높은 소음도를 보이며, 그 중 투과손실이 낮은 열차 창문 아래에서 실내소음레벨이 가장 크게 나타난다[3].
터널 주행 시 열차의 객실로 유입되는 소음을 저감하는 방법에는 여러 가지가 있다. 본 논문에서는 터널 내부 벽면과 차체 외부 면에서 발생하는 음의 반사가 터널 내부에서 소음이 증가하는 주된 원인임을 고려해, 터널 벽면에 흡음재를 부착하여 반사음의 에너지를 저감하는 방법에 대한 실험적, 해석적 연구를 수행하였다. 철도 터널에 적용하는 흡음재는 음향성능 외에도 다양한 성능을 고려해야 하며, 특히, 난연성, 방염성, 내구성을 갖고, 열차의 풍압 또는 진동 등에 견딜 수 있는 구조로서, 터널 벽면 및 바닥의 주기적인 유지보수를 위해 철거, 부착 등이 용이한 형태이고, 미세먼지 등 2차적 환경저해요소가 발생하지 않아야 한다[4].
본 논문에서는 우레탄계 고분자소재를 골재 바인더로 사용한 다공성 골재형 고강도 흡음재를 터널 내부에 적용할 흡음재로 선정하였으며, 고강도 흡음재는 우수한 흡음성능과 시공성 등 운영기관의 요구사양을 만족하여 철도의 운영환경에 적합하다. 또한, 철도 인프라의 시설물이 장기간 사용되는 점을 감안하여 동결융해 저항성, 내구성과 친환경성을 갖춰 교체주기가 길어지고 유지관리가 용이하다[5]. 우레탄 바인더를 사용한 이 고강도 흡음재는 사용된 골재의 입도와 공극률, 골재와 폴리우레탄 바인더의 중량비와 경화시간 등에 따른 흡음률 및 강도를 분석하여 열차 주행시 발생하는 소음을 효과적으로 저감할 수 있도록 개발되었다.
본 논문에서는 효율적인 열차 객실 소음 저감을 위한 흡음재 배치 방법을 제안하기 위해, 흡음재의 터널 내 적용 면적 및 적용 위치에 따른 소음 저감 효과를 터널 내부 음장 해석을 통해 도출하였다. 음향 해석 시뮬레이션은 여러 위치에서의 음압레벨 등 각종 음향인자를 예측하고, 실제 설계 전 다양한 파라미터 설정을 통해 2차원적인 검토나 축소모형시험 등에서는 얻을 수 없는 최적의 결과를 미리 도출해 볼 수 있다는 장점을 가진다. 시뮬레이션 프로그램으로는 Siemens 사의 LMS Virtual.Lab Ray acoustics를 활용했다. 주로 해석 주파수의 파장 길이보다 음장 내 공간이 충분히 큰 Acoustic Far Field에서 쓰이는 음향예측 프로그램이며 sound wave를 sound ray로 간주하여 계산하는 것에 더해 빔(beam) 추적법을 결합시켜 3차원에 완벽한 각도를 분할하여 해석하는 방법을 사용하는 프로그램이다. 본 연구에서 흡음재의 실제 터널 시공 전 시뮬레이션을 통한 흡음재의 배치에 따른 터널 내부의 소음 저감 정도를 예측하였으며, 터널이라는 특성을 고려한 입력 파라미터 및 음장 해석 결과를 제시함으로써 터널 주행 시 열차 실내소음 저감을 위한 기반연구를 수행한 데 그 의의가 있다.
2. 본 론
2.1. 실험 재료 및 방법
본 연구는 크게 시뮬레이션 후 예측 결과를 바탕으로 실제 시험 터널에 적용해 봄으로써 결과를 확인하는 방법으로 진행되었다. 터널 내부 음장 해석을 위해 LMS Virtual.Lab Ray acoustic (SIEMENS)을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 실제 흡음재가 시공될 터널과 같이 총 길이 200 m 단선 터널을 모델링하였다. 이어서 Fig. 2와 같이 철도 차량이 터널을 통과할 때 발생하는 소음이 터널 내에서 반사 및 굴절하는 정도를 파악할 수 있는 에코그램을 수행하였다. 에코그램(Echogram)은 LMS Virtual.Lab의 기능 중 하나로, 음원이 방사되어 회절 및 반사되는 경로를 기록하여 보여주는 것을 말한다.
에코그램 수행 후 가장 효과가 높을 것으로 기대되는 터널 바닥면과 측벽에 흡음재를 적용하는 모델링을 수행하고, 점음원의 White noise를 소음원으로 방출하여 터널 내 음장변화를 예측하고 예상 SPL 감소 값을 도출하였다.
이 후 오송에 위치한 철도종합시험선로 시험터널에서 궤도 양쪽의 터널 공동구 덮개와 터널 하부 측벽 일부에 흡음재를 배치한 후 잔향시간 측정을 통해 흡음재 시공 전후의 흡음률 변화를 분석하였다. 다만, 건설이 완료된 터널에서 궤도 바닥면의 재시공이나 터널 벽면에 추가로 흡음재를 30% 이상 부착하는 것은 흡음재 부착 구조의 안전성 확보나 시공 상 어려움이 존재하고 재료 및 시공 비용의 한계가 있어, 시공이 용이한 위치에 터널 면적 대비 약 4% 정도만 흡음재를 배치 후 성능 시험을 수행하였다.
2.2. 흡음재 적용에 따른 터널 내부 음장 해석
에코그램의 결과를 바탕으로 300 km/h 이하의 주행속도에서는 주요 소음원이 하부 전동소음임을 감안하여 차량 하부 휠-레일 접촉부에서 발생한 1 kHz 음의 전파 경로를 확인하였으며, 초기반사음의 경로가 바닥 및 하부 측벽에 집중된 것으로 분석되었다. 초기반사음 경로를 바탕으로 터널 바닥 및 하부 측벽에 흡음재를 적용했을 때 소음저감효과가 클 것으로 예측하였다. 건설이 완료된 터널에 부가적으로 흡음재를 적용하는 경우 소음저감효과 뿐 아니라 시공 용이성을 고려해야 하며, 따라서 본 논문에서는 시공이 비교적 용이한 터널 바닥, 하부 측벽, 공동구 덮개와 하부 측벽, 그리고 터널 상부 측벽에 흡음재를 배치하는 총 4가지 케이스에 대해 터널 내부 음장 해석을 수행하였다(Fig. 3). 또한, 터널 내부 단면 기준으로 약 20% 면적인 바닥면에 흡음재를 시공한 케이스를 제외한 나머지 3가지 케이스는 위치별로 터널 전체 면적 대비 약 30% 면적을 갖도록 흡음재를 적용시켜 배치 위치에 따른 효과를 비교할 수 있도록 하였다.
본 논문에서 터널 내부 흡음재로 적용한 고강도 흡음재의 흡음률은 KS F 2805의 잔향실 내 흡음률 측정방법으로 측정되었으며, 두께 50 mm로 음원을 향한 면에 쇄기형의 끝이 막힌 구멍이 있는 웨지 타입이 구멍이 없는 평판 타입에 비해 800 Hz 이상 주파수대역에서 흡음률이 특히 높고 흡음 성능이 전반적으로 우수하다. Table 1은 본 실험에 사용된 웨지 타입 흡음재의 흡음률을 나타낸다.
흡음재가 적용된 위치 외 나머지 터널 바닥면 및 벽면 부분은 문헌에 공개된 매끄러운 콘크리트면의 흡음률을 적용하고(Table 2) [6], 열차 차체 외부면의 흡음률은 해석을 단순화하기 위하여 차체 전체에 대해 알루미늄 패널 1 mm의 흡음률을 적용하였다(Table 3). 차량 내부 음장의 해석은 본 논문에서 다루지 않기 때문에, 유리창 및 차량 내부로의 투과손실은 고려하지 않았다.
Fig. 4는 해석상 음원의 위치와 수음점의 위치를 나타낸다. 음원의 강도는 각각 120 dB이고 지향성이 없는 점음원이다. 터널 하부 측벽에 가까운 수음점 A, 차체 측벽과 가까운 수음점 B, 차체 상부의 수음점 C는 효율적인 흡음재의 배치와 차체 내부로 유입되는 소음의 크기를 예측하기 위해 선정하였다. 먼저. 흡음재를 적용하지 않은 콘크리트 터널 내부의 음장변화는 Fig. 5와 같고, 주 소음원인 전동소음 직접음의 영향이 큰 수음점 A가 가장 높은 소음레벨을 갖고, 다음은 수음점 B, 수음점 C 순이다.
터널 단면을 기준으로 20~30% 면적으로 다양한 위치에 흡음재를 적용하는 케이스 1~4의 음장해석 결과는 다음 Fig. 6과 같고, 아래 Table 4~6은 4가지 케이스에 대한 주파수대역별 소음레벨과 시공전과 비교한 소음 저감량을 수음점별로 비교한 결과이다.
소음원과 가장 가까운 위치인 터널 바닥면에 흡음재를 적용한 Case 1의 경우, 모든 수음점에서 소음저감효과가 컸으며, 특히, 수음점 B 기준으로 2000 Hz 음압 레벨이 최대 16 dB 이상 저감되었다. 수음점 위치별로는 차량 측벽에 가까운 수음점 B와 차량 상부의 수음점 C에서 효과가 크고, 수음점 A에서의 저감효과가 가장 작은 것으로 나타났다. 그러나 가장 효과가 작은 수음점 A에서도 전 주파수 대역에서 저감효과가 있으며, 저감량은 평균 5 dB 이상이다.
다음으로 터널 하부 측벽에 흡음재를 배치한 Case 2와 하부 측벽 일부와 공동구 덮개에 배치한 Case 4는 수음점 A에서는 유사한 소음저감효과가 도출되었으며, 상부 측벽에 배치한 Case 3의 소음저감효과가 가장 낮은 것으로 예측되었다. 차량 측벽에 가까운 수음점 B에서는 Case 1 > Case 3 > Case 2 > Case 4 순으로 저감효과가 있는 것으로 예측되었는데, 소음원에 가장 가까운 위치에 흡음재를 배치한 Case 1이 가장 효과가 크고, 다음으로는 차량 측벽과 비슷한 높이의 터널 상부 측벽에 흡음재를 배치한 Case 3의 저감 효과가 컸다. 이는 앞서 수행한 음의 전파경로 분석에서는 중요한 위치가 아니었으나, 터널 측벽에 반사된 음이 열차 실내로 유입될 때 유리창을 포함한 열차 측벽의 투과손실이 낮은 점을 고려하면 객실 내 소음 저감을 효과적으로 하기에는 적절한 위치로 판단할 수 있는 결과이다.
차량 상부에 가까운 수음점 C에서는 Case 1 > Case 2 > Case 3 > Case 4 순으로 저감효과가 있는 것으로 예측되었는데, 수음점 C는 다른 수음점에 비해 비교적 작은 음에너지가 전파되는 위치로 차량 실내 소음 저감 효과에 미치는 영향도 작은 편이다.
2.3. 흡음재 적용 전후 잔향시간 변화측정
앞서 수행한 터널 내부 음장 해석 결과, 소음원에 근접한 터널 바닥면에 흡음재를 배치하는 경우 소음저감효과가 가장 클 것으로 예상할 수 있다. 그러나 실제 시공이 완료된 터널에 흡음재를 배치하는 데는 위치 선정에 제한이 있다. 따라서 수음점 A에서 소음저감효과가 비교적 우수하고 시공이 용이한 터널 하부 측벽과 공동구 덮개에 다공성 골재형 고강도 흡음재를 배치하여 실제 터널 내부에서 음장 변화를 확인할 수 있는 잔향시간을 측정하였다.
한 블록 당 400 × 490 × 50 (mm)의 크기를 갖는 흡음재를 터널의 콘크리트 궤도 양측에 98개씩 총 연장 78 m로 시공하여 터널 내부 콘크리트 궤도 총 길이 135 m 중 약 절반은 흡음재 시공구간이 되고 나머지 절반은 비시공 구간으로 구성하였다. 흡음재는 터널 내부 궤도 양 끝단에 케이블이 지나가는 공동구 덮개 부분과 공동구 근접 측벽에 ㄴ자 형태로 배치되었고 터널 단면을 기준으로 흡음재의 실제 적용 면적은 터널 내부 단면적의 약 4% 정도이다. 아래 Fig. 7은 터널 내부 잔향시간 측정을 위해 무지향 스피커(CESVA社)와 마이크로폰(PCB社)을 설치한 모습과 다공성 골재형 고강도 흡음재를 공동구 덮개 및 측벽 일부에 배치한 모습이다.
실내에서 음원이 동작을 멈추어 직접음을 들을 수 없게 된 후에도 벽면이나 물체의 반사로 인해 소리가 들리는 현상을 잔향이라고 하며, 잔향음의 에너지가 106 (-60 dB)으로 감쇠할 때까지 소요되는 시간을 잔향시간(T60)이라고 한다. 기준이 되는 감쇠 레벨의 크기에 따라 T30, T20, T15, T10으로 평가하기도 하며, 실내의 잔향이 빨리 없어질수록 즉, 잔향시간이 짧을수록 그 공간 안에서 음에너지는 빠르게 소멸되는 것이다. 잔향시간이 짧을수록 공간의 흡음력이 크다고 판단할 수 있으며, 본 연구에서는 잔향이 큰 공간인 콘크리트 터널 내에서의 측정이라는 점을 감안하여 T30/T20으로 결과를 도출하였다. 즉, 30 dB이 감쇠한 시간의 2배를 구하거나 20 dB 감쇠한 시간에 3배하여 잔향시간을 계산하였다.
1/3 옥타브 밴드대역에서 400~4 kHz 대역의 주파수를 중심으로 스피커로부터 좌우로 같은 거리에 위치한 마이크로폰에서 3회 측정 후 평균한 잔향시간은 아래 Table 7을 통해 알 수 있다.
잔향시간 측정 결과에서 흡음재 설치 시 좌우 두 마이크로폰 모두에서 잔향시간이 약 50% (1 kHz 기준 3초 이상) 저감되었다. 이는 앞서 수행한 음장 해석 결과에서 확인한 대로 흡음재 설치로 터널 내 반사음이 설치 전에 비해 초기 전파 경로에서 많은 음에너지가 소실됐다고 볼 수 있다. 또한 이는 터널 내부 공간의 흡음력이 상승했음을 확인할 수 있는 결과다.
2.4. 결과 및 토의
시뮬레이션 결과를 통해 주소음원인 전동소음을 소음원과 근접한 바닥에서 흡음하여 음 에너지를 감쇠시키는 것이 가장 효과적일 것이라고 예상할 수 있었다. 또한, 차량 하부 유입 소음을 저감하기 위해서는 앞서 수행한 음의 전파 경로 분석과 부응하는 터널 바닥면이나 하부 측벽에 흡음재를 적용하는 것이 효과적이고, 차량 측벽으로 유입되는 소음을 저감하기 위해서는 터널 측벽에 흡음재를 적용하는 것이 효과적이라고 예측할 수 있다. 다만, 주 소음원의 주파수 범위나 차체 구성품의 투과손실 등을 면밀히 검토해 소음저감효과 측면이나 경제적인 측면에서 효율적인 흡음재 배치안을 결정할 수 있을 것이다.
흡음재 배치안이나 수음점의 위치에 따라서 차이가 있으나, 보통의 경우 설치 후 소음 레벨 저감량이 3 dB 이상 인 것은 실제 사람이 소음 저감을 인지할 수 있을 정도라고 판단할 수 있다. 따라서 터널 바닥면에 흡음재를 적용하는 경우에는 터널 내부 다양한 위치에서 주파수대역별로 4.1~16.7 dB의 저감효과를 나타내어 매우 효과적으로 소음을 저감하는 것으로 나타났으며, 터널 벽면에 흡음재를 적용하는 나머지 세 가지 케이스에서도 수음점의 위치에 따라 3 dB 내외의 소음 저감효과가 있는 것으로 예측되어 터널 단면 기준 20~30% 면적에 흡음재를 적용하는 정도로도 상당한 소음저감효과가 있고, 터널 내 열차 주행 시 객실 소음을 저감하는 방안으로 그 역할을 충분히 할 수 있을 것으로 예측된다.
3. 결 론
본 연구에서는 철도의 터널 진입 및 통과 시에 증가하는 객차 실내 소음을 저감하기 위한 방안을 찾고자 하는 목적으로 수행되었다. 이에 터널 내부에 고강도 흡음재를 적용할 경우의 소음저감효과를 분석하기 위해 터널 내부 음장 해석과 잔향시간 측정 시험 결과를 제시하여 비교하고 분석하였다. 주 소음원에서 발생한 음의 전파경로를 분석하고 차량 실내 소음 저감에 유의미한 수음점을 선정하여, 기 개발된 다공성 골재형 고강도 흡음재를 터널 내부에 적용 시 배치 위치별 소음저감효과를 시뮬레이션을 통해 도출하였다. 터널 단면 기준 20~30% 면적에 흡음재를 적용 시 소음저감효과를 흡음재 배치 위치별, 수음점 위치별로 시뮬레이션 한 결과, 주 소음원인 전동소음 발생 위치와 가까운 터널 바닥면에 흡음재를 적용한 경우 소음저감효과가 가장 크다는 결과를 예상할 수 있었다. 또한 터널 하부 측벽이나 공동구 덮개 위치 등도 열차 내부로 유입되는 소음의 전달 경로를 고려했을 때 유의미한 수준의 저감 효과가 있는 것으로 예측되었다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 시험 터널에 흡음재를 터널 전체 단면 기준 약 4% 면적으로 터널 하부 측벽과 공동구 덮개 위치에 시공 후 잔향시간을 측정한 결과, 흡음재의 배치 면적이 매우 적음에도 불구하고 비시공 구간 대비 잔향시간이 약 50% 감소하는 등 흡음재의 터널 내 흡음성능을 확인하였다.
본 논문에서는 열차 차체의 투과손실을 고려한 실내 소음 해석을 수행하기 전, 터널 내 흡음재 배치에 따른 음장 변화를 분석하여 효율적인 흡음재 배치 방안을 제안하고자 하였다. 나아가 차체 어느 위치에 투과손실 성능 향상이 필요한 지 등의 전략 수립에도 활용될 수 있는 기초적인 데이터를 도출하고자 하였다. 향후 터널 등 선로 방음 설계 및 열차 차체의 흡차음 설계 시 철도 터널이라는 특성을 고려한 음향 해석 시뮬레이션을 통해 효과를 예측하고 성능을 보완할 수 있을 것으로 기대되며, 차체 내부로 유입되는 소음의 시뮬레이션을 통해 승객의 소음 저감 체감 효과 측면에서 효율적인 흡음재 최적 배치에 대한 연구 결과도 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
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