한국음향학회지제 37 권제 5 호 pp. 343~348 (2018) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.37, No.5 (2018) https://doi.org/10.7776/ask.2018.37.5.343 pissn : 1225-4428 eissn : 2287-3775 대학강의실의공석시측정값을이용한만석시음향지표의예측 Estimating occupied university classroom acoustical parameters from unoccupied values 최영지 1 (Young-Ji Choi 1 ) 1 강원대학교공과대학건축 토목 환경공학부건축공학전공 (Received July 17, 2018; revised August 21, 2018; accepted September 17, 2018) 초록 : 본연구에서는대학강의실에서공석시음향지표를이용하여만석시강의실의음향지표를예측하는방법을제시하였다. 먼저공석시측정한강의실의 T 30 값으로공석시실의총흡음력을계산할수있다. 선행연구 (Choi, 2016) 에서제시한 12개강의실의공석시총흡음력에대한만석시총흡음력의선형회귀식을이용하여만석시실의총흡음력을예측할수있다. 공석시에대한만석시의총흡음력비를토대로재실자의부가흡음에의한강의실의음향지표변화폭을예측할수있다. 이예측방법을이용하여공석시실의음향지표값을알면비슷한규모의만석시강의실의음향상태의예측이가능하다. 핵심용어 : 재실자, 실의총흡음력, 강의실, 음향지표 ABSTRACT: This paper proposes a simple procedure for estimating the acoustical parameter values in an occupied classroom from measurements in the unoccupied classroom. The total sound absorption in an unoccupied classroom can be calculated from measured reverberation times in the room. The expected occupied absorption can be calculated using equation that was obtained in a previous study (Choi, 2016) by fitting a linear regression line to a plot of total occupied absorption versus the corresponding unoccupied total absorption values measured in 12 university classrooms. The ratios of occupied-to-unoccupied sound absorption are used to predict increments in the values of acoustical parameters when occupants are added to the rooms. Occupied values of acoustical parameters can be estimated from unoccupied values and the change in total room absorption due to adding occupants. Keywords: Occupants, Total room sound absorption, Classrooms, Acoustical parameters PACS numbers: 43.55.Br, 43.55.Ev I. 서론 대학강의실에서재실자에의한흡음영향은실의음향상태에따라상이하며이는실의총흡음력에대한재실자의흡음력의비율에따른것이다. [1,2] 재실자에의한부가흡음은강의실의잔향감이외에 Corresponding author: Young-Ji Choi (youngjichoi@ kangwon.ac.kr) Major in Architectural Engineering, Kangwon National University, 1 Kangwondaehak-gil, Chuncheon, Kangwon-do 24341, Republic of Korea (Tel: 82-33-250-6224, Fax: 82-33-259-5542) 언어명료도와음의크기값에영향을주며실의음향상태에따라이음향지표의변화값이다르다. [2] 이와같은방법으로재실자의부가흡음에의한실의음향지표의변화폭이예측가능하며재실자의부가흡음이강의실의높은언어명료도성취에기여하는지예측가능하다. 선행연구 [2] 에서 12개대학강의실의측정결과를바탕으로재실자의부가흡음력을예측할수있는방법을제시하였다 (Reference[2] 의 Eq. (3) 참조 ). 이예 343
344 최영지 측식은 500 Hz과 1000 Hz에서의공석시실의총흡음력에대한만석시실의총흡음력의관계를선형회귀식으로나타내었다. 이예측식을토대로선행연구와유사한체적과착석률의강의실에서공석시실의총흡음력을이용하여만석시실의총흡음력의산정이가능하다. 이와같이공석시실의총흡음력을알면재실자의부가흡음력의예측이가능하고만석시재실자흡음에의한실의음향지표의변화값의예측도가능하다. 따라서, 본연구에서는선행연구 [2] 에대한후속연구로 20개대학강의실에서공석시실의평균흡음력과음향지표를이용하여만석시강의실의음향지표의예측이가능한방법을제시하였다. II. 측정개요 2.1 강의실대상공간은 K대학의 20개강의실로 17개의강의실과 3개의컴퓨터실, 화상회의실, 회의실이다. 컴퓨터실, 화상회의실은전공강의실로, 회의실은대형강의로사용되어대상공간에포함하였다. 20개강의실중 12개강의실은선행연구결과 [2] 를이용하였으며나머지 8개강의실을추가하여측정하였다. 20개강의실중 15곳은측벽에창이있는장방형이고, 5 곳은부정형이다. 강의실만석측정시평균착석률은 58 % 로강의실별로 11 ~ 84명이착석하였다. 실제강의중인강의실에서측정을실시하여모든실에서 100 % 착석률상태의음향측정은현실적으로불가능하였다. 타대학강의실을대상으로한선행연구 [3] 에서평균착석률이 70 % 으로현장측정에서 100 % 착석률의재현은현실적이지않다. 3월 ~ 4월초에측정을실시하여재실자는두꺼운외투를입고 있었다. Table 1에 20개강의실의평균제원을비롯하여공석과만석시의 500 Hz와 1000 Hz의평균잔향시간, T 30, 을나타내고있다. 2.2 측정방법 Table 2. Mean 1000 Hz total sound absorption for occupied and unoccupied classrooms and the ratios of occupied-to-unoccupied total room sound absorption along with their volume and occupied 1000 Hz T 30 values. No. Volume Occupied 1000 Hz T 30 values, s Mean 1000 Hz total sound absorption, m 2 Occupied Unoccupied The ratio of occupied-tounoccupied total room sound absorption #1 199 0.90 35.5 23.1 1.53 #2 193 0.73 42.1 35.5 1.19 #3 284 0.76 59.9 40.5 1.48 #4 248 0.82 48.4 33.8 1.43 #5 354 0.79 72.0 31.2 2.30 #6 238 0.72 53.0 22.9 2.31 #7 1310 0.55 381.8 377.0 1.01 #8 1227 0.63 313.6 245.1 1.28 #9 690 0.27 415.0 388.7 1.07 #10 226 0.20 184.5 153.2 1.20 #11 2535 0.89 454.7 428.8 1.06 #12 888 0.55 258.3 242.9 1.06 #13 258 0.49 84.7 65.2 1.30 #14 216 0.51 68.3 34.4 1.98 #15 239 0.80 48.0 33.2 2.06 #16 253 0.54 75.4 31.6 2.39 #17 343 0.81 67.4 30.8 2.18 #18 235 0.78 48.3 25.0 1.94 #19 259 0.34 121.7 73.4 1.66 #20 188 0.37 81.6 54 1.51 Table 1. Mean dimensions of the 20 classrooms and the mean percentage of seats occupied during the measurements including mean (500 Hz-1000 Hz) T 30 values for both occupied and unoccupied cases. Volume, m 3 Percentage of seats occupied, % Number of occupants Unoccupied Occupied 500 Hz - 1000 Hz T 30 values, s 500 Hz - 1000 Hz T 30 values, s Mean 519 58 47 1.04 0.65 s.d. 584 26 23 0.47 0.20 Max 2535 100 84 1.81 0.89 Min 188 20 11 0.31 0.26 한국음향학회지제 37 권제 5 호 (2018)
대학강의실의공석시측정값을이용한만석시음향지표의예측 345 강의실의음향측정은 ISO 3382법 [4] 을토대로실시하였다. 음원은로그스윕 (logarithmic sweep) 을이용하였으며 12면체스피커 (Norsonic, Nor276) 로음원을방출하였다. 강단의중심에 1.5 m 높이의음원점 1개소와각강의실의좌석에 1.2 m 높이로균등히분포한수음점 4개 ~ 9개소에서 1/2인치마이크로폰 (G.R.A.S. Type 46 AF) 을통해충격응답을측정하였다. 각강의실별평균음향지표값도출을위해각수음점의충격응답에서산출한측정값을산술평균하였다. 2.3 공석시에대한만석시실의총흡음력비계산 20개강의실에서측정한공석시와만석시의평균잔향시간을이용하여강의실의총흡음력을산정하였다. Table 2에 1000 Hz의공석시와만석시실의총흡음력, 실의체적, 그리고 1000 Hz의만석시 T 30 값을제시하였다. 공석시와만석시강의실의총흡음력값을이용하여공석시에대한만석시실의총흡음력비 (the ratios of occupied-to-unoccupied total room sound absorption) 도 Table 2에함께제시하였다. Table 2에서강의실 #1~#12는선행연구측정결과 [2] 를이용하였으며, 강의실 #13~#20 은새로운측정결과를바탕으로하였다. III. 결과및토의 3.1 재실자흡음에의한음향지표변화값예측음향지표는강의실음향평가에중요한초기감쇠시간 (Early Decay Times, EDT), 언어명료도 (clarity, C 50 ), 음의크기 (sound strength, G), 그리고초기대후기음에너지비 (useful-to-detrimental ratio, U 50 ) 를위주로분석하였다. [2,5,6] 초기감쇠시간은음에너지량이 10 db 감쇠하는데소요되는시간을의미한다. 명료도는후기반사음에너지 (later-arriving sound energy) 에대한초기반사음에너지 (early-arriving sound energy) 비로나타내며, 음악명료도를평가하는지표 C 80 은후기반사음에너지에대한 80 ms 이내에도달하는초기반사음에너지비로정의된다. 언어명료도의경우 50 ms 이내에도달하는에너지를초기에너 지로정의하며 [Eq. (1) 참조 ], 언어명료도평가에더적합한지표로보고되었다. [5] 음의크기는 50 ms 이내에도달하는초기음압레벨 (G 50 ) 과 50 ms 이후에도달하는후기음압레벨 (G late ) 로구분할수있다 [Eq. (2) 참조 ]. 선행연구 [2] 에서재실자흡음에의한음의크기변화는실의후기반사음을주로흡음하여후기음압레벨에변화 (2 db ~ 4 db 감소 ) 에유의하게나타났다. U 50 는초기음 (useful sound) 에대한후기음 (detrimental sound) 의대수비로정의되며, C 50 값과신호대잡음비 (Signal to Noise Ratio, SNR) 값에의해산출할수있다 [Eq. (3) 참조 ]. [5] Useful sound는초기에도달하는신호음에너지를말하며, detrimental sound 는후기에도달하는언어와소음에너지의합을말한다. 선행연구 [5,6] 에서 U 50 는 STI(Speech Transmission Index) 와대등하게정확한언어명료도 (speech intelligibility) 의평가지표라고보고하였다. log (1) 여기서 p(t) 는실임펄스리스펀스 (impulse response) 의음압이다. log (2) 여기서 p 10 (t) 는무향실 10 m 지점에서의음압이다. log (3) 여기서 N 은소음에너지, S 는신호음에너지, 그리고 E/L 50 는초기음에너지에대한후기음에너지의선형비이다. 선행연구 [2] 에서 500 Hz과 1000 Hz에서의공석시 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.37, No.5 (2018)
346 최영지 Table 3. Summary of: the correlation coefficients (R 2 ), the statistical significance (p-value) of the correlation coefficients (*p<0.2, **p<0.05, ***p<0.01), the values of slopes (β), and intercepts (α) for incremental changes in rooms (N = 20). Incremental changes to acoustical parameter values ΔEDT ΔC 50 ΔG late ΔU 50 R 2 0.925 0.839 0.711 0.873 p *** *** *** *** β -0.772 4.594-4.267 0.729 α 0.828-4.557 3.177-0.779 Fig. 1. Measured incremental changes to EDT values at 1000 Hz due to adding occupants to each classroom versus the ratio of occupied-to-unoccupied Fig. 3. Measured incremental changes to G late values at 1000 Hz due to adding occupants to each class room versus the ratio of occupied-to-unoccupied Fig. 2. Measured incremental changes to C 50 values at 1000 Hz due to adding occupants to each classroom versus the ratio of occupied-to-unoccupied Fig. 4. Measured incremental changes to U 50 values at 1000 Hz due to adding occupants to each classroom versus the ratio of occupied-to-unoccupied 실의총흡음력을이용하여만석시실의총흡음력의예측이가능한식을제안하였다. 500 Hz과 1000 Hz에서의평균흡음력을이용한이유는강의실에서의재실자흡음에의한잔향시간 (T 30 ) 의변화가두주 파수대역에서가장커재실자의흡음에의한실의음향지표의차이값을예측하는데적합하기때문이다. 본장에서는 20개강의실에서공석시와만석시의재실자흡음에따른 4개음향지표, EDT, C 50, G late, 한국음향학회지제 37 권제 5 호 (2018)
대학강의실의공석시측정값을이용한만석시음향지표의예측 347 그리고 U 50, 차이값 (incremental changes to acoustical parameter values, Δ) 을산정하여공석시에대한만석시실의총흡음력비로각음향지표의차이값이예측가능한지분석하였다. 공석시와만석시의재실자흡음에따른 4개음향지표차이값을기준주파수인 1000 Hz의예측결과를예시로보여주고자한다. Figs.1 ~ 4에공석시에대한만석시실의총흡음력비에대한각음향지표의 1000 Hz에서의재실자흡음에의한차이값의관계를선형회귀선과함께보여주고있다. Table 3에공석시에대한만석시실의총흡음력비에대한각음향지표의변화값의관계를선형회귀분석하여그결과를제시하였다. Table 3의선형회귀분석결과에의하면공석시와만석시실의총흡음력비에대한각음향지표의변화값은유의한선형관계 (p<0.01) 에있음을알수있다. 이들 4개음향지표중에재실자흡음에의한 EDT 값의변화가가장높은상관계수 (R 2 = 0.925) 를나타내었고 U 50, C 50, G late 순으로나타났다. Table 3의선형회귀식을이용하여만석시재실자흡음에의한각음향지표변화값의예측이가능하다. 3.2 만석시강의실의음향지표예측본장에서는 3.1 장 Table 3의선형회귀식을이용하여만석시강의실의음향지표값을예측하는방법에대해기술하였다. 먼저, 공석시강의실의총흡음력은 Sabine식을이용하여측정한 T 30 값으로계산할수있다. 공석시강의실의총흡음력을이용하여체적과착석률이유사한강의실의만석시실의총흡음력을아래 Eq. (4) 를이용하여산정할수있다. Eq. (4) 는 20개강의실의 500 Hz과 1000 Hz에서의공석시실의총흡음력에대한만석시실의총흡음력의관계를선형회귀식 (R 2 = 0.987, σ= 0.028) 으로도출한것이다. Table 3의선형회귀식을이용하여만석시재실자흡음에의한각음향지표변화값의예측이가능하다. 이때공석시각음향지표의값으로부터만석시강의실의음향지표값을예측할수있다. IV. 결론 본연구에서는대학강의실에서공석시음향지표를이용하여만석시강의실의음향지표를예측하는방법을제시하였다. 공석시측정한강의실의 T 30 값으로공석시실의총흡음력을계산할수있다. 본연구에서제시한 20개강의실의공석시총흡음력에대한만석시총흡음력의선형회귀식 Eq. (4) 를이용하여만석시실의총흡음력을예측할수있다. 공석시에대한만석시의총흡음력비를이용하여본연구에서대상으로한와비슷한조건 ( 평균체적 : 519, 평균착석률 : 58 %, Table 1 참조 ) 의강의실의만석시음향지표 (EDT, C 50,G late,u 50 ) 변화폭을예측할수있다. 이예측방법을이용하여강의실에서공석시실의음향지표를측정하여재실자의착석없이동일한강의실에서재실자의착석률에따른음향지표의예측이가능하다. 그결과재실자착석에의한강의실의음향상태를미리예측가능하여높은언어명료도에성취에기여할수있다. 감사의글 실제강의현장에서의음향측정을허락해준강원대학교공과대학교수진과측정에도움을준건축공학과학생들에게이에감사를표한다. 이논문은 2015 년과 2018년도정부 ( 교육부 ) 의재원으로한국연구재단의지원 (No. 2015R1D1A1A01056575, 2018R1A2B- 6001279) 으로수행한기초연구임. (4) References 여기서 A occ 는만석시실의총흡음력 ( m2 ), A unocc 는공석시실의총흡음력 (m 2 ) 이다. 공석시와만석시의실의총흡음력비를알면 1. M. Hodgson, Experimental investigation of the acoustical characteristics of university classrooms, J. Acoust. Soc. Am. 106, 1810-1819 (1999). 2. Y. J. Choi, Effect of occupancy on acoustical conditions in university classrooms, Appl. Acoust. 114, 36-43 (2016). The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.37, No.5 (2018)
348 최영지 3. M. Hodgson and E. M. Nosal, Effect of noise and occupancy on optimal reverberation times for speech intelligibility in classrooms, J. Acoust. Soc. Am. 111, 931-939 (2002). 4. ISO 354-Acoustics, Measurement of sound absorption in a reverberation room (2003). 5. J. S. Bradley, R. Reich, and S. G. Norcross, On the combined effects of signal-to-noise ratio and room acoustics on speech intelligibility, J. Acoust. Soc. Am. 106, 1820-1828 (1999). 6. Y. J. Choi, Comparison of two types of combined measured, STI, and U50, for predicting speech intelligibility in classrooms, Archives of Acoustics 42, 527-532 (2017). 저자약력 최영지 (Young Ji Choi) 1996년 2월 : 계명대건축공학과학사 2000년 3월 : 큐슈대건축공학과석사 2004년 9월 : 시드니대건축공학과박사 2014년 3월 ~ 현재 : 강원대학교공과대학도시건축학부건축공학전공조교수 한국음향학회지제 37 권제 5 호 (2018)