大韓環境工學會誌 論文 - Original Paper - 음향시뮬레이션을이용한댐수차발전기실의음향성능개선에관한연구 박지창 * 김재수 김남 ** 원광대학교건축학부 * 한국수자원공사 ** 충북대학교전기전자컴퓨터공학부 ( 년월일접수, 년월일채택 ) A Study on the Improvement of Acoustic Performance at Hydraulic Turbine Dynamo Room in Dam using Acoustic Simulation Ji-Chang Park* Jae-Soo Kim Nam Kim** Division of Architecture, Wonkwang University *Korea Water Resources Corporation **School of Electrical & Computer Engineering, Chungbuk University ABSTRACT : Hydroelectric powergeneration generates electricity by revolving turbin through water pipe, utilizing difference of altitude of the water. And the revolving turbin in this process causes enourmous noise. Therefore, workers in Hydraulic Turbine Dynamo Room find difficulty in communicating with each other and other workers who work in offices near the generator also find a big obstacle of noise while working. Especially, since all the walls of the generator which is located between Hydraulic Turbine Dynamo Room and the offices are made of sound-reflecting materials, and the generator itself has a great volume which is 22,800 m 3, the noise caused by operating the Hydraulic Turbine Dynamo Room becomes largely amplified. Therefore, in this research, first, to improve innerdoor sound capacity of the Hydraulic Turbine Dynamo Room, we measured and tested inner sound capacity, and grasped sound defect. And then, we compared it to the from computer simulation. As a result, we verified the credibility of the simulation. And also, in this research, we are going to represent a renovation model of Hydraulic Turbine Dynamo Room which can control the noise amplification in this room, minimize the noise transfered to offices near it, and also can achieve the optimum acoustics, based on the credibility of the. Key Words : Hydraulic Turbine Dynamo Room, Room Acoustics, Computer Simulation 요약 : 수력발전은물의고저차를이용하여수관을통하여, 터빈을회전시켜발전하는데이때, 회전하는터빈은굉장히큰소음을발생시킨다. 따라서수차발전기실의작업자들은서로의사소통에어려움을겪을뿐만아니라인접실인사무실내에서의작업자들또한이소음으로인해업무에방해를받고있다. 특히수차발전기와사무실중간에위치한수차발전기실은모든마감면이반사재로되어있을뿐만아니라 22,800 m 3 의큰체적을갖고있어수차발전기운전시발생하는소음을증폭시키는역할을하고있다. 따라서본연구에서는수차발전기실의음향성능개선을위해먼저실내음향성능을측정평가하여음향적결함을파악한뒤 Computer Simulation 을통해예측치와비교하여시뮬레이션의신뢰성을검증하였다. 이러한예측의신뢰성을토대로발전기소음의증폭을억제하고인접실로전달되는소음을줄이며최적의음향상태를유지할수있는수차발전기실의개선모델을제안하고자한다. 주제어 : 수차발전기실, 실내음향, 컴퓨터시뮬레이션 1. 서론 * 수력발전은물의낙차를통해수차 (Turbine) 를돌려발전하는시스템으로공해가없고운전비용이저렴한장점을가지고있다. 그러나발전기에연결된터빈의회전시굉장히큰소음이발생하며, 이로인해발전소내부에서일하는사람들이업무에집중할수없을정도로많은피해를입고있는실정이다. 뿐만아니라, 수차실과사무실중간에위치한수차발전기실은체적이매우크고, 반사재위주로마감되어있어발전기작동시발생하는소음을증폭시키는역할을하고있기때문에이에대한흡음대책이필요하다. 이러한관점에서본 Corresponding author E-mail: soundpro@wku.ac.kr Tel: 063-850-6712 Fax: 063-843-0782 연구는수차발전기실의실내음향특성을실측및평가하여음향적문제점을찾아낸후, 해석기법을통해예측치와실측치를비교하여시뮬레이션의신뢰성을검증하였다. 이러한예측의신뢰성을토대로발전기소음의증폭을억제하고인접실로전달되는소음을줄이며최적의음향상태를유지할수있는수차발전기실의개선모델을제안하고자한다. 2. 수차발전기실의개요및실내음향측정 2.1. 수차발전기실의개요 수차발전기실은발전기운행시발생하는소음의시발점이되는수차실과정온한환경이요구하는사무실의중간위치에자리하고있기때문에, 내부음향상태가매우중요하다. 다음 Fig. 1은수차발전기실내부의모습및형태이다.
2 박지창 김재수 김 남 (a) location of (b) measurement scene(sound source) (a) Ground figure (b) Cross section (c) Ceiling (d) Center Fig. 1. Hydraulic turbine dynamo room. (e) Right section (c) measurement figure (d) location of (e) measurement scene ( ) Fig. 2. Receiving and measurement scene. Table 1. Specification of the model hydrauli turbine dynamo room Division Specification Division length(m) 53.5 width(m) 2 ground area(m ) Specification 3 1,160 volume(m ) 21.7 약 22,800 Table 2. Acoustic absorptivity per frequency of finishing material Division wall and post 1f ground 1f basement ceiling Material 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 khz2 khz4 khz above cement 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.03 0.03 0.02 finish of paint 0.01 on tile 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03 urethane iron plate 0.2 0.12 0.08 0.07 0.1 0.09 structure of truss 0.2 0.12 0.08 0.07 0.1 0.09 수차발전기실은 4층 높이로서 체적이 22,800 m3로 매우 크고, 내부 마감재료는 모두 반사재질로 되어 있어, 수차발 전기소음을 증폭시키는 역할을 하고 있다. 다음 Table 1은 수 차발전기실의 제원 및 마감재료의 주파수별 흡음률을 나타 내고 있다. 2.2. 수차발전기실의 실내음향 측정방법 ① Omni-Directional Speaker ② Power Amplifier ③ Realtime Frequency Analyzer ④ Notebook Computer ⑤ Microphone & Preamplifier Fig. 3. Composition of measuring machinery. 는 1.5 m, 마이크로폰 높이는 1.2 m로 하였다. MLS(MaximumLength Sequence)음원을 이용한 임펄스 응답측정 방식을 기 본 측정 시스템으로 사용하여 배경소음에 대한 영향을 어 느 정도 배제할 수 있었다. 측정기기는 01dB사의 Symphonie 중에서 dbbati를 사용 하였으며, 측정기기의 구성은 Fig. 3과 같다. 3. 수차발전기실의 음향성능 수차발전기실의 내부형태는 좌우대칭이며, 실의 중심을 기 준으로 그리드(Grid)를 설정해 일정한 간격으로 8개소의 수 음점을 선정하였다. 음원의 위치는 실내 중간지점 위치로 고 정한 상태에서 측정을 실시하였으며, 측정시 수음점의 위치 3.1. 임펄스 응답(Impulse Response) 및 측정 장면은 Fig. 2와 같다. 측정은 ISO 3382에 준하여 실시하였으며, 음원은 ISO에서 제안하는 무지향성 스피커(DO12)를 사용하였고, 스피커 높이 있는 모든 정보를 갖고 있으며, 이 측정 결과로부터 RT, EDT, C80, D50, RASTI같은 건축음향의 물리적 평가지수를 산출할 수 있다. J. of KSEE / Vol. 29, No. 10, October, 2007 수차발전기실에서 측정된 임펄스응답은 소리가 변화하는 임 펄스의 합(sum)으로 공간이 갖는 음향적 특성을 나타낼 수
음향시뮬레이션을이용한댐수차발전기실의음향성능개선에관한연구 3 (a) (No.1) (b) (No.3) (c) (No.5) (d) (No.7) Fig. 4. Impulse reponse. 수차발전기실의 1번, 3번, 5번, 7번에서측정한임펄스응답은 Fig. 4와같다. 3.2. 음압레벨 (SPL, Sound Pressure Level) 음의세기를나타내는음압레벨은실의형태와내부공간의구성에따라매우중요한의미를갖는다. 각수음점의음압분포는소리의직접음과초기반사음에너지의양에따라결정된다. 다음 Fig. 5는연구대상인수차발전기실의음압레벨실측치를수음점별로음압레벨을비교분석한결과이다. Fig. 5에서보면건축음향의평가기준인 500 Hz 대역에서평균 66.95 db, 표준편차가 1.47 db로나타나전체위치에서 ±3 db 이내로균일한분포를보였다. 큰체적에도불구하고음압분포가균일한것은, 반사재질의마감재료로인해잔향시간이길어져확산음장을형성했기때문으로사료된다. 3.3. 잔향시간 (RT, Reverberation Time) 잔향시간은울림의양에대한가장중요한평가지수이다. 음에너지밀도가 60 db 감쇠하는데까지소요되는시간으로정의되며, 시간이짧으면명료도가좋아지지만, 음악등에서는풍부한울림이부족하게되고, 반대로너무길어지면명료도가나빠져서듣기가거북하게된다. Fig. 6은수차발전기실의잔향시간실측치를수음점별로비교분석한결과이다. Fig. 6. Actual reverberation time of each hydraulic turbine dynamo room. Fig. 6에서 500 Hz 대역에서잔향시간분포형태를살펴보면, 수음점별잔향시간의평균이 8.66초, 표준편차는 0.25 초로나타났다. 수차발전기실의마감재료가반사성이강한마감재이기때문에, 모든위치에서잔향시간이매우길게나타났으며, 이러한긴잔향시간으로인하여소리가확산음장을형성하여전체적인위치에서편차가크게나타나지않음을알수있다. 3.4. 음성명료도 (D 50, Definition) 회화의명료도에관한지수중강연을대상으로하는 D 50 은음의발생이중지한후 50 ms 이내의음과총에너지의비를 Defimition 또는 Deutlichkeit라고한다. Fig. 7은음성명료도실측치를수음점별로비교 분석한것이다. Fig. 7을보면 500 Hz 대역에서음성명료도 (D 50) 는평균 10.6%, 각수음점별편차는 2.78% 로나타나, 수차발전기실의유지보수담당기술자들이나방문객의수차실견학시상대방의말을거의알아듣기힘들고, 제대로된의사소통이불가능할것으로사료된다. 3.5. 음성전달지수 (RASTI, Rapid Speech Transmission Index) 실내에서음성전달의이해도 (Speech Intelligibility) 를나타내는주관적척도로서, Fig. 8은각음성전달지수실측치를수음점별로비교분석한것이다. Fig. 5. Actual sound pressure level of each hydraulic turbine dynamo room. Fig. 7. Actual definition of each hydraulic turbine dynamo room.
4 박지창 김재수 김 남 4.2. Computer Simulation에 의한 음선추적(Ray-tracing) 본 연구에서는 음향성능을 개선하기 위해 Odeon 4.21 프로 그램의 음선추적법(Ray-Tracing method)과 허상법(Image model method)에 의한 3차원 음향 시뮬레이션을 이용하였다. 이 방 법은 설계상의 도면을 이용하여 실내 디자인 변수와 마감재 료의 변화에 따라 음이 어떻게 반사되는지를 쉽게 알아낼 수 있다는 장점이 있다. Fig. 8. Actual rapid speech transmission Index of each hydraulic turbine dynamo room. 음향 시뮬레이션에서 측정조건은 현장측정당시와 같이 실 내 환경은 습도 65%, 온도 28 로 설정하였으며, 확산방법은 Lambert Method, Impulse Response 길이는 4,800 ms, Transition Order는 3으로 설정하였다. 시뮬레이션에 의한 수차발 전기실의 음선추적도는 다음과 같다. Table 3. RASTI Valuation basis RASTI(%) Valuation measurement 0 32 Bad(Hear nothing) 32 45 Poor(Hardly hear) 45 60 Fair(Hear something when strive) 60 75 Good(Hear well.) 75 100 Excellent(Hear very well, comfortably) Fig. 8을 보면 평균값이 33.25%이었으며, 이것을 Table 3의 RASTI 평가기준표에 넣어보면 Poor(잘 알아듣지 못한다)로 수차발전기실의 내부에서는 원음이 왜곡되어 일반적인 대화 나 의사소통이 거의 불가능한 수준임을 알 수 있다. 또한, 음 성전달지수는 대체적으로 음원에서 가까운 곳이 높으며, 음 원에서 멀어질수록 값이 낮아짐을 알 수 있다. 4.3. 음향성능 개선을 위한 방법 대상 수차발전기실의 경우 큰 체적으로 인해, 재료만을 바 꾸어 적정잔향시간에 맞추기에는 무리가 있기 때문에 천장에 흡음판을 설치하였으며, 벽과 기둥, 1층 바닥의 재료를 변경 함으로써 흡음 성능을 향상시켰다. 단, 천장에 설치되어 있는 크레인의 움직임에 방해되지 않도록 흡음판은 크레인의 위쪽 에 설치하였다. 설계에 적용된 흡음판은 Fig. 11과 같다. 4. 시뮬레이션을 이용한 음향성능 개선 방법 제안 4.1. Computer Simulation 개요 시뮬레이션에 의한 수차발전기실 예측치와 현장에서 실측 한 값을 비교하여 신뢰성을 파악하기 위해 해석 기법을 이용 하였으며, 시뮬레이션시 수음점의 위치 및 개소는 8지점으 로 현장조건과 동일하게 설정하였다. 수차발전기실의 시뮬 레이션 모습과 수음점의 위치는 다음과 같다. Fig. 10. Simulation by Ray-tracing method of hydraulic turbine dynamo room. (a) example of sound-absorbing plate establishment (b) Figure of the crane (a) 3D of hydraulic turbine dynamo room (b) location of Fig. 9. Location of of simulated hydraulic turbine dynamo room. J. of KSEE / Vol. 29, No. 10, October, 2007 (c) Shape of Sound-absorbing (d) Figure of the established plate Sound-absorbing plate Fig. 11. 설계에 적용된 흡음판.
음향시뮬레이션을이용한댐수차발전기실의음향성능개선에관한연구 5 Table 4. Finish material of hydraulic turbine dynamo room Division Material 125 Hz250 Hz500 Hz1 khz2khz4khz wall and post Fabric with whole 0.35 0.65 0.78 0.76 0.7 0.62 ground 1f. carpet 6T 0.03 0.09 0.25 0.31 0.33 0.44 1f basement Finish of paint on tile 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03 iron plate 0.2 0.12 0.08 0.07 0.1 0.09 ceiling rook wool 50T 0.20 0.85 0.95 0.90 0.85 0.90 Table 6. SPL(dB) of 500 Hz of each before actual 65.7 66.1 67.1 70.1 66.6 67.7 65.5 66.8 66.95 66.7 67.3 67.5 67.9 67.5 68.2 66.9 67.2 67.41 수차발전기실에서발생하는소음을줄이기위해서는다음 식에서실정수 (R) 를크게하여잔향음성분인 4 R 을줄여 야한다 ( 김재수, 소음진동학 p. 83, 2007, 세진사 ). SPL = PWL+10log 10 ( Q 4πr 2 + 4 R ) (1) R( 실정수 )= S α (1- α), α ( 평균흡음률 )= S α i i S i Q : 지향계수 = 1 (a) comparison of 500 Hz (b) of each frequency after band before and after 이론식을이용한계산의경우많은시간이소요될뿐만아니라정확도도떨어지며흡음재료를변경해야할경우처음부터다시계산해야하는번거로움을안고있다. 따라서본연구에서는예측의신뢰성이높은음향시뮬레이션을이용하여소음의저감정도를예측해보고자하였다. 이를위해 Table 2의개선전재료에서 Table 4의재료로변경했을경우실정수값을나타내었다. Table 5를보면마감재료를흡음률이높은재료로변경하여실정수의값이상승함으로써특히고음역의음압레벨을상당히줄일수있음을예상할수있다. 5. 개선후수차발전기실의음향성능 5.1. 음압레벨 (SPL, Sound Pressure Level) 음압레벨은음의세기를나타내는지수이며, 8개의수음점에서측정한 500 Hz 대역에서음압레벨을실측치와예측치로나누어비교한결과는다음과같다. Table 5를통하여예측치와실측치가차이가거의없어시뮬레이션의결과를신뢰할수있을것으로사료된다. 따라서시뮬레이션을통한개선전 후의각주파수별음압레벨은 Fig. 12와같다. Table 5. Change of room constant after Division 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1kHz 2kHz 4kHz before after 16.96 19.94 19.94 31.31 31.31 28.28 797.58 4893.43 9099.43 7950.83 6240.12 1432.28 (c) distribution chart of SPL before (500 Hz (d) distribution chart of SPL after (500 Hz Fig. 12. comparison between SPL of each before and after. Fig. 12(a) 에서 500 Hz 대역에서각수음점별음압레벨을보면개선후평균은 58.23 db, 표준편차는 2.63 db로서개선전에비해평균약 8 db 정도줄어든것으로나타났다. 이는흡음판의설치와마감재료의변화로초기반사음이감쇠함에따라잔향시간이짧아져, 음압레벨이낮아진것으로사료된다. 5.2. 잔향시간 (RT, Reverberation Time) 잔향시간은울림의양에대한가장중요한평가지수이며, 8개의수음점에서실측치와예측치의 500 Hz 대역의잔향시간을측정한결과는다음과같다. Table 7. RT(sec) of 500Hz of each before actual 8.5 8.73 8.63 8.49 9.03 8.48 9.03 8.41 8.66 8.57 8.61 8.68 8.76 8.63 8.65 8.65 8.47 8.63
6 박지창 김재수 김남 Table 7을통하여본수차발전기실은반사성마감재료로인하여모든위치에서잔향시간이매우길게나타났으며이러한긴잔향시간으로인하여소리가확산음장을형성하여전체적인위치에서편차가크게나타나지않음을알수있다. 또한이러한긴잔향시간은작업자들의의사소통을불가능하게하기때문에이소음을저감하기위해서는수차발전기실의벽이나천장에흡음재질의재료를설치하여, 반사음을최소화하는등의흡음대책이필요할것으로사료된다. 본연구대상수차발전기실의최적설계목표는 Beranek이제안한체육시설의잔향시간으로다음 Fig. 13과같이 500 Hz 대역에서최적잔향시간 (Vern O. Kundsen and Cyril M. Harris, Acoustical Designing in Architecture, JOHN WILEY & SONS.INC.,1995, M.David Egan, Concept in Architectural Acoustic, Bcgraw-hill book Company, 1972, p40) 이약 1.7 초임을알수있으며, 시뮬레이션을통한개선전 후의각주파수별잔향시간은 Fig. 13과같다. Fig. 14(a) 에서 500 Hz 대역에서각수음점별잔향시간 (sec) 을보면개선후의평균은 1.71초로 Beranek이제안한수차발전기실의적정잔향시간을만족함을알수있다. 따라서개선후잔향시간의감쇠로인해울림이나소리의확산이줄어들어개선전에비해내부음향상태가향상되리라사료된다. 5.3. 음성명료도 (D 50, Definition) 강연을대상으로하는회화의명료도에관한지수이며, 8 개의수음점에서실측치와예측치의 500 Hz 대역의음성명료도를측정한결과는 Table 8과같다. 음성명료도역시예측치와실측치가차이가거의없어시뮬레이션의결과를신뢰할수있을것으로사료된다. 시뮬레이션을통한개선전 후의각주파수별음성명료도는 Fig. 15와같다. 음성명료도는 55% 이상이면명료도는 90% 에가까워져이해도는 100% 를얻을수있다. 따라서개선후의평균은 80.25% 로나타나작업자들의상호의사소통은개선전보다아주원활하게이루어질것으로사료된다. 이는잔향시간이짧아짐으로써음의명료도가높아진것으로사료된다. 5.4. 음성전달지수 (RASTI, Rapid Speech Transmission Index) Fig. 13. Comparison of reverberation time of model hydraulic turbine dynamo room. Table 8. D 50(%) of 500 Hz band of each before actual 9.2 12.4 10.9 10.9 9.2 16.2 9 7 10.6 9 10 15 22 19 21 7 6 13.63 (a) comparison of 500 (b) of each frequency after Hz band before and after (a) comparison of 500 (b) of each frequency after Hz band before and after (c) distribution chart of RT before (500 Hz (d) distribution chart of RT after (500 Hz Fig. 14. Comparison between RT of each before and after. (c) distribution chart of D 50 before (500 Hz (d) distribution chart of D 50 after (500 Hz Fig. 15. comparison between D 50 of each before and after. J. of KSEE / Vol. 29, No. 10, October, 2007
음향시뮬레이션을이용한댐수차발전기실의음향성능개선에관한연구 7 Table 9. RASTI(%) of 500 Hz band of each before actual 31 28 33 42 38 38 28 28 33.25 29 28 37 42 38 40 27 25 33.25 (a) comparison of RASTI before and after (b) distribution chart of RASTI before (c) distribution chart of RASTI after Fig. 16. comparison between RASTI of each before and after 실내에서음성전달의이해도 (Speech Intelligibility) 를나타내는주관적척도이며, 8개의수음점에서실측치와예측치의음성전달지수를측정한결과는다음과같다. Fig. 16은시뮬레이션을통한개선전 후의음성전달지수이다. Fig. 16에서보면개선후의평균은 69.13%, 표준편차는 5.25 % 로나타나평균값이개선전에비해높아졌으며, Table 9의 Table 3의 RASTI 평가기준 ( 김재수, 건축음향설계, 세진사 p.209) 에값을넣어보면개선전 POOR ( 잘알아듣지못한다 ) 에서개선후 GOOD( 잘들린다 ) 로평가됨을알수있었다. 따라서개선후에는원음이왜곡되지않고잘들을수있어작업자들에게쾌적한환경을제공할수있을것으로판단된다. 6. 결론및향후연구과제 본연구는수력발전소내부의수차발전기실을대상으로음향적결함을찾아낸후, 컴퓨터시뮬레이션을통해예측의신뢰성을확보한후최적화된수차발전기실의개선모델을제안하고자한연구이다. 본연구의결과는다음과같다. 1) 개선전음압레벨의경우큰체적과마감재료로인해소음이확산되어전수음점에서균일한분포를보였다. 실내음향의평가지수인 500 Hz 대역을기준으로개선전실측치의평가지수를살펴보면음압레벨 (SPL) 은평균이 66.95 db, 잔향시간 (RT) 은평균이 8.66초, 음성명료도 (D 50) 는평균이 10.06%, 음성전달지수 (RASTI) 는평균이 33.25% 로매우열악한음향상태를보이고있다. 2) 수차발전기실에서물리적음향평가지수들에대한실제현장에서측정한실측치와컴퓨터시뮬레이션을통한예측치를비교한결과상당히신뢰성있는예측치를제공하여시뮬레이션에의한음향성능개선의가능성을확인하였다. 3) 천장에흡음판을설치하고벽과기둥의마감재료를변경한후의물리적음향평가지수를살펴보면음압레벨 (SPL) 은평균이 58.23 db, 잔향시간은평균이 1.71초, 음성명료도 (D 50) 는평균이 80.25%, 음성전달지수 (RASTI) 는평균이 69.13% 로나타나개선전보다개선후에만족할만한음향상태로변경되었음을알수있다. 4) 음향시뮬레이션을이용한수차발전기실의음향성능개선을통해수차발전기실에서인접사무실로전달되는음향에너지를감소시켜댐내의사무실근무환경을보다정온한환경으로바꿀수있을것으로사료된다. 따라서향후이러한자료를토대로설계단계에서부터음향시뮬레이션을이용하여음향적결함을최소화시킨수차발전기실을설계시공한다면최적의음향조건을갖는댐수차발전기실을건립할수있을것으로사료된다. 참고문헌 1. 김재수, 건축음향설계 ( 개정판 ), 세진사 (2004). 2. 윤재현, 주덕훈, 박지창, 김재수, 댐수차발전기실의소음 진동특성에관한연구, 대한건축학회추계학술발표대회 (2007). 3. 국정훈, 김대군, 김재수, 댐수차발전기실의건축음향특성에관한연구, 대한건축학회추계학술발표대회 (2007). 4. 정은정, 최둘, 김재수, 음향시뮬레이션을이용한댐수차발전기실의음향성능개선, 대한건축학회추게학술발표대회 (2007). 5. Heinrich Kuttruff, Room Acoustics, Elsevier Applied Science(1991). 6. Vern, O. Kundsen and Cyril, M. Harris, Acoustical Designing in Architecture, JOHN WILEY & SONS.INC. (1995). 7. William J. Cavanaugh and Joseph A. Wilks; Architectural Acoustics, John. Wiley & sons. 8. M. David Egan, Concepts in Architectural Acoustics, McGRAW-Hill Book Company(1972). 9. Duncan Templeton, David Saunders; Acoustic Design, The Architectural Press(1987).