한국소음진동공학회논문집제 21 권제 7 호, pp. 650~656, 2011. DOI : 10.5050/KSNVE.2011.21.7.650 함정의실내소음허용기준설정을위한청감평가및분석 Psycho-acoustic Evaluation and Analysis of the Indoor Noise in Cabins of a Naval Vessel to Specify its Allowable Limit 홍현수 * 심상렬 ** 한형석 Hyun-Soo Hong, Sang-Ryul Shim and Hyung-Suk Han (2011 년 4 월 22 일접수 ; 2011 년 6 월 27 일심사완료 ) Key Words : Noise in a Naval Vessel( 함정소음 ), Indoor Noise( 실내소음 ), Psycho-acoustic Evaluation( 청감평가 ), Linear Regression( 선형회귀 ) ABSTRACT The noise inside a naval vessel is very important in considering the need for hearing protection, improving the working environment and maintaining good communications for crews living on board a naval vessel. The indoor noise of a ship usually is specified by the A-weighted sound pressure level, but other evaluating parameters are required to reflect human senses more effectively. This paper uses additional noise indices related to room acoustics, such as NR(noise rating), NC(noise criterion), RC(room criterion), PSIL(preferred speech interference level) and loudness level to evaluate the noise inside cabins on a naval vessel. Using these psychological noise indices, allowable limit of noise level in cabins is suggested through psycho-acoustic evaluation for the noise in cabins. * 1. 서론 최근선박의소음진동은신뢰성중심에서편의성중심으로그개념이자동차나전자와같은타산업과유사하게바뀌고있다. 선박의실내소음또한이러한편의성의개념으로재정립되고있다. 과거시끄러울수밖에없는선박의소음환경에대해승조원들이참아야하는공간으로인식되었지만최근건조되는선박의경우선박에서근무하는승조원들의편의성을고려한쾌적한환경조성을목표로하고있으며실내소음저감을위해많은노력을기울이고있다. 함정의경우일반상선들과달리많은승조원들이오랜시간동안근무하는곳으로실 교신저자 ; 정회원, 국방기술품질원 E-mail : hshan@dtaq.re.kr Tel : (051)750-2533, Fax : (051)758-3992 * 국방기술품질원 ** 광운대학교방위산업학과 내소음에대한중요도는일반상선보다훨씬높다. 부유식원유생산 저장 하역선박 (floating production, storage and offloading ; FPSO) 과같이장시간승조원이거주하는선박의경우선실소음기준이 45 dba로 (1) 국제해사기구 (IMO) 에서제시하고있는일반상선의소음기준 (60dBA) (2) 대비 15dB 낮은수치로매우엄격히관리되고있다. 따라서승조원들의거주시간이상대적으로긴함정의경우도 FPSO와같이실내소음에대해보다엄격한기준이요구되고있다. 일반적으로실내소음에대한기준은여러관련기관들을통해제시되고있지만인간의심리적반응을근간으로한주관적인반응을반영하지못하고있으므로이를위해많은연구들이진행되고있다. Ju (3) 는건축설비소음의규제기준을제시하기위해각장비들에대한청감평가를실시하고물리적평가치와심리적반응치에대한상관성분석을통해설비소음에대한기준을제시하였다. Chun (4) 650/ 한국소음진동공학회논문집 / 제 21 권제 7 호, 2011 년
함정의실내소음허용기준설정을위한청감평가및분석 은고속철도와일반철도소음의성가심에대해청감평가를수행하고철도소음에대해열차종류별로다른소음기준이필요함을언급하였다. 이연구에서는함정의선실에대한소음기준수립을위해함정의격실소음에대한청감평가를수행하고소음의 시끄러움정도 와 거슬림정도 를평가하였다. 청감평가에사용된음원은함정내여러격실에서녹음한소음데이터를가지고이들음의크기와주파수를변조하여다양한음원을만들어낸후평가단을구성하여수행하였다. 이러한청감평가를통해음의 시끄러움정도 와 거슬림정도 에대한기준을 A-보정음압뿐만아니라 NR, NC, RC, PSIL 및 loudness level와같은음질평가파라미터를사용하여설정하고자한다. 2. 함정의실내소음평가 일반적으로함정의선실에적용되고있는소음기준은 Table 1과같다. Table 1에서함정의선실소음은 A-보정음압기준으로 60~70 dba 정도로관리되고있음을알수있다. 이러한기준의적합성검토를위해선행연구 (5) 에서함승조원들을대상으로함정소음만족도조사를수행하여소음에대한만족도를조사하였으며, 실제격실의소음을측정하여이들간의관계로부터선실의소음에대해측정오차 (2 db) 를무시할경우허용최대값을 59 dba(nr 54) 로제안할수있었다. 하지만이러한설문조사의경우다양한사람들을대상으로진행되었기때문에설문결과에일관성이떨어진다는문제점이제기되었다. 따라서이러한문제점을극복하여측정된소음데이터와승조원들의만족도의관계에대한오차를줄이기위해서청감평가를수행하였다. 3. 청감평가 3.1 측정방법및절차청감평가를위해실제운용하고있는함정의선실소음을계측하여녹음시킨후 B&K Sound Quality Tool Type 7698을이용하여진폭및주파수에대해원음을변조하여약 45 dba에서 75 dba사이로총 50개의음원을생성하였다. 청감평가를위한음원은 Table 1 Noise limit for cabins Spec. name Country Noise limit of cabins(dba) OPNAVINST, 9640.1A (1995) USA 70 OPNAVINST, 5100.19E (2007) USA 65 BV045(FOMTD, 1974) Germany 60 (NR55) NATO, STANAG 4293 (1990) - 60 (NR55) Canadian navy (NAVSHIP, 1970) Canada 65 IMO(1982) - 60 실제운용중인함정의순항속도에서여러격실에대해마이크로폰 (B&K Type 4189) 을가지고녹음하였다. 마이크위치는측정격실의중앙부에서바닥으로부터 1.5 m 떨어진지점으로벽체의반사영향을최소화하기위해벽과의거리는 1m 이상두었다. 실제운항함정의경우항해중주요소음원으로추진계통의기계류전달소음, HVAC(heating, ventilation and air-conditioning), 전자장비소음등이있으며항해중에는이러한소음이복합적으로발생한다. 실내소음에대한주요소음원의기여도는격실에따라다르기때문에측정된음원은여러격실에대해다양하게수집되었다. 측정주파수는음에대한사람의인지능력을고려하여 25.6 khz까지측정하였으며측정시간은 16초로세팅하였다. 청감평가는 Fig. 1과같이소강당에서실시되었으며총 10명의평가단이 50개의음원에대해함정선실을기준으로평가하였다. 소강당의배경소음은약 30 dba이며평가단은국방기술품질원에근무하는연구원으로 30~50세사이의남성 8명과 30대여성 2명으로구성하였다. 청감평가를진행하기전 Fig. 1과같이평가자의자리를중심으로총 6개의마이크로폰 (B&K Type 4189) 에서동일음원에대해음압을측정 (B&K Data Acquisition System Model 3560B) 하였으며각지점에서의소음편차가 ±0.5dB 이내가되도록스피커위치및볼륨을조정하였다. 스피커는 Alto사의 Elvis 12A를이용하였다. 또한 B&K Sound Quality Tool Type 7698의파라메트릭필터 (parametric filter) 를사용하여재생된음원이실제함정에서측정된소음과 한국소음진동공학회논문집 / 제 21 권제 7 호, 2011 년 /651
홍현수 심상렬 한형석 (a) Schematic diagram of the psycho-acoustic evaluation (b) Picture of the room for the psycho-acoustic evaluation Fig. 1 Set-up of the psycho-acoustic evaluation 동일한크기및주파수특성을가지도록조정하였다. 청감평가시음원은총 16초동안 1번들려주었으며이후 16초동안각음원에대해평가단이평가하도록하였다. 평가시재생된음원은다시마이크로폰을통해측정하였다. 청감평가절차는한음원의재생이끝나면평가단의평가가끝난다음연속해서다음음원평가를수행하도록구성하였으며재생순서는랜덤하게구성하였다. 청감평가는재생된음에대한 시끄러운정도 (loudness) 와 거슬림정도 (annoyance) 에대해평가되었으며평가항목은 Table 2와같다. Table 2의질문에대해총 10명의평가자들이 50 개의음원에대해평가하였고각음원에대해평가된평균값을음의 시끄러움지수 (loudness) 및 거슬림지수 (annoyance) 로사용하였다. 3.2 청감평가결과선행연구의경우실내소음평가를불특정다수의승조원들을대상으로진행하였기때문에개인의성향차이, 청력차이및소음에대한익숙함등으로 Table 2 Questionnaires of the survey and expression of the index level(l i) Index level(l i) i Question 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 1 2 How much loud the given sound is? How much annoyed the given sound is? Very loud Very annoyed Loud Normal Quiet Not Annoyed Normal annoyed Very quiet Convenient 인해조사된소음의만족도와음압간의선형성이충분치않았으며 0.7에서 0.8 사이의 R-제곱값을얻을수있었다. 따라서보다객관적이며선형적인결과를얻기위해평가단을구성하여청감평가를수행하였다. 소음의평가값은 A-보정음압외에실내소음평가에많이사용되는 NR, NC, RC, PSIL 및 Zwicker의 loudness (6) 를사용하였으며 loudness는 B&K사의 Pulse 측정결과치를사용하였다. NR, NC 및 loudness level은등청감곡선을근간으로만들어진실내소음평가지수로실내소음평가에많이사용되고있다. RC의경우 HVAC의소음에대한만족도가저주파대역의소음과밀접한관계가있다는것을반영한지수로주로 HVAC 의소음을평가하는데있어널리사용되어지는지수이다. 또한함정의경우구두로인해명령이명확하게전달되어야하는곳으로이러한특성을위해 PSIL의평가가필요하다. Fig. 2와 3은 50개음원에대한평가단의청감평가결과 시끄러움정도 와 거슬림정도 에대한각측정값들 (NR, NC, RC, PSIL 및 loudness level) 간의관계를보여준다. 여기서그림내의실선은회귀분석결과회귀선이며은선은계산된회귀선에대한 +/-5 % 오차곡선이다. 여기서회귀분석은상용소프트웨어인 Minitab 을이용하였다. Figs. 2, 3으로부터선실소음에대한만족도지수에대한소음평가값들의 R-제곱 (R-square) 은 Table 3과같이최대 0.929로이들관계에선형성이높음을확인할수있었다. Figs. 2, 3의비교로부터 Fig. 3이 Fig. 2에비해선형성이떨어지는것을알수있는데이는소음에대한거슬림의경우가소음에대한시끄러움에비해 652/ 한국소음진동공학회논문집 / 제 21 권제 7 호, 2011 년
함정의실내소음허용기준설정을위한청감평가및분석 보다주관적이기때문으로판단된다. 각평가값에대해만족도가 3.0(normal) 이되는값을실내소음의허용기준으로가정하면각평가값들의허용기준은 Table 4와같다. 선행연구 (5) 의설문조사에의해산정된기준 (59 dba, NR54) 과청감평가결과도출된기준을 A-보정음압기준으로비교해보면그기준치가 시끄러움정도 기준으로비교한결과인 58.1 dba와유사하지만 거슬림정도 를기준으로비교해보면그기준치가 55.8 dba로설문조사에의해산정된기준보다 2~3 db 낮음을알수있었다. 따라서 Table 4로부터 거슬림정도 기준으로격실소음기준을정할경우 시끄러움정도 기준에 비해더엄격해짐을예측할수있었다. Table 3 R-square level for each regression analysis in Figs. 2, 3 Items Satisfaction level R-square level SPL[dBA] 0.893 0.834 NR 0.873 0.829 NC 0.849 0.825 RC 0.831 0.758 PSIL 0.883 0.800 level[phon] 0.929 0.866 (a) dba vs. loudness (d) RC vs. loudness (b) NR vs. loudness (e) PSIL vs. loudness (c) NC vs. loudness (f) level vs. loudness Fig. 2 Linear regression of the various indices and surveyed loudness(dash line : ±5 % for the linear regression curve) 한국소음진동공학회논문집 / 제 21 권제 7 호, 2011 년 /653
홍현수 심상렬 한형석 Table 4 Noise limit for cabins from the psychoacoustic evaluation Items Satisfaction level 3.0 3.0 SPL[dBA] 58.1 55.8 NR 54.3 51.9 NC 54.6 51.8 RC 55.5 53.4 PSIL 51.0 48.7 level[phon] 76.2 74.1 4. 분석 3절에서언급된여러가지지수를이용하여실내소음을하나의인덱스로관리하기위해다중선형회귀분석수행하였다. 이를통해전절에서다룬 6 개의실내소음평가파라미터에대한실내소음의 시끄러움정도 및 거슬림정도 의회귀식을식 (1) 및 (2) 와같이구할수있었으며이들을하나의인덱스로표현할수있었다. (a) dba vs. annoyance (d) RC vs. annoyance (b) NR vs. annoyance (e) PSIL vs. annoyance (c) NC vs. annoyance (f) level vs. annoyance Fig. 3 Linear regression of the various indices and surveyed annoyance(dash line : ±5 % for the linear regression curve) 654/ 한국소음진동공학회논문집 / 제 21 권제 7 호, 2011 년
함정의실내소음허용기준설정을위한청감평가및분석 이로부터 시끄러움정도, 거슬림정도 및여러가지소음평가값을가지고산출된단일인덱스가실내소음을평가하는데있어유용할수있음을알수있었다. 여기서오차범위를더줄이기위해서는보다많은실험데이터확보가필요하며이를통해일반적인회귀식을도출해내야할것으로생각된다. (a) 5. 결론 실내소음에대한함정승조원들의만족도를고려한함정의격실소음기준마련을위해청감평가를수행한결과다음과같은결론을얻을수있었다. (b) Fig. 4 Comparison between satisfaction levels from psycho-acoustic evaluation and from the linear regression as given in Eq. (1)(dash line : ±5 % for the L linear/l psycho curve) (1) (2) 다중회귀분석결과 R- 제곱값은 시끄러움정도 및 거슬림정도 에대해각각 0.954 및 0.907 임을알수있었으며 거슬림정도 의경우앞서언급한바와같이 시끄러움정도 에비해보다주관적이기때문에선형성이떨어지는것으로판단된다. Fig. 4는 50개음원에대한청감평가결과 시끄러움정도 및 거슬림정도 의소음만족도와다중회귀분석결과인식 (1)~(2) 를통해계산된소음만족도와의관계를보여준다. Fig. 4로부터다중선형회귀식에의한만족도와실제만족도의오차가대체적으로 ±5 % 이내에들어오고있음을알수있다. (1) 청감평가결과실내소음에대한 시끄러움정도 관련소음허용기준은 A-보정소음치 58.1 dba, NR 54.3, NC 54.6, RC 55.5, PSIL 51 db 및 loudness level 76.2 phon 정도로도출되었으며 loudness level이 시끄러움정도 와선형성이가장높음을알수있었다. (2) 청감평가결과실내소음에대한 거슬림정도 관련소음허용기준은 A-보정소음치 55.8 dba, NR 51.9, NC 51.8, RC 53.4, PSIL 48.7 db 및 loudness level 74.1 phon 정도로도출되었으며 loudness level이 거슬림정도 와선형성이가장높음을알수있었다. (3) 승조원들을대상으로설문조사를통해제안된선행연구의함정실내소음기준과청감평가결과도출된소음기준치를비교해보았을때그기준치가 시끄러움정도 기준으로비교해보면매우유사하지만 거슬림정도 를기준으로비교해보면 A-보정음압기준으로 2~3 db 높음을알수있었다. 이는소음에대한거슬림의경우가소음에대한시끄러움에비해보다주관적이기때문으로판단된다. 따라서 거슬림정도 를기준으로소음기준을설정할경우기존의함정소음기준 (Table 1, 선실기준 60 dba) 에비해더욱낮게설정되어소음기준이보다보수적이될수있음을알수있었다. (4) 6개소음평가파라미터 (dba, NR, NC, RC, PSIL, loudness level) 에대한소음만족도의다중회귀분석결과 시끄러움정도 와 거슬림정도 에 한국소음진동공학회논문집 / 제 21 권제 7 호, 2011 년 /655
홍현수 심상렬 한형석 대해실내소음회귀식을도출할수있었으며 R-제곱값이각각 0.954 및 0.907로높은선형성을가짐을알수있었다. 이연구에서청감평가는한정된인원과음원을가지고수행되었기때문에보다일반적인소음기준을도출하기위해서는보다많은청감평가가이루어져야할것으로판단된다. 또한배경소음에대한영향도, 평가자의종류에따른영향도등청감평가에영향을미치는다양한인자들을고려한추가적인분석이필요할것으로판단된다. 이연구는함정소음에대한사람의주관적인평가가반영된실내소음기준도출방법을제시함으로써향후함정실내소음기준설정에있어참고가될것으로기대된다. 후기이연구는국방기술품질원자체연구로실시된것으로군사보안상문제가없음을확인함. 참고문헌 (1) Joo, W. H. and Lee, T. K., 2009, Noise Estimation and Control for FPSO, Journal of KSNVE, Vol. 19, No. 4, pp. 9~16. (2) IMO, 1982, Noise Levels on Board Ships. (3)Ju, D. H., Yun, J. H. and Kim, J. S., 2010, Establishing for Regulation Standards of Architectureal Facility Noise Using Psycho-acoustic Experiment, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 20, No. 11, pp. 1001~1008. (4) Chun, H. J., Kim, D. S., Ko, J. H. and Chang, S. I., 2008, Jury Evaluation Test for Response of KTX(Korean Train Express) and Ordinary Train Noise, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 18, No. 3, pp. 335~344. (5) Han, H. S., Park, M. Y. and Cho, H. G., 2010, Study of the Indoor Noise Limit for Naval Vessels Considering the Satisfaction of the Crew, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 47, No. 4, pp. 589~597. (6) International Organization for Standardization, 1975, ISO 532-1975(E) : Acoustic-method for Calculating Level. 656/ 한국소음진동공학회논문집 / 제 21 권제 7 호, 2011 년