서 론
공동주택에서 발생할 수 있는 분쟁 중 상하층간의 발생하고 있는 바닥충격음 관련하여 소음문제가 매년 증가하고 있으며 그로 인해 발생하는 분쟁의 정도가 매우 심해지고 있다. 층간소음의 가장 많은 부분을 차지하고 있는 바닥충격음 문제의 해결을 위해 주택건설 기준 등에 관한 규정을 지정하여 바닥충격음에 대한 기준을 규정하고 있다. 이러한 규정을 제정 당시에는 “공동주택의 바닥은 각 층간의 바닥충격음을 충분히 차단할 수 있어야 한다” 라는 정량적 기준이 아닌 정성적 기준으로 만들어져 있었다. 이러한 정성적인 기준은 2003년 대통령령에 의해 경량바닥충격음 58 ㏈ 와 중량바닥충격음 50 ㏈ 이라는 정량적인 수치로 기준이 정해지게 되었다. 이러한 기준이 정해지면서 바닥충격음 측정시 국토교통부고시 고시 제2004-71호 공동주택 바닥충격음 차단구조 인정 및 관리기준에 의해 측정방법에 대해서도 명확하게 규정을 하고 있다. 그러나 중량바닥충격음 차단성능에서 슬래브 두께 210 mm인 표준바닥구조로 설계된 현장에서조차 측정결과 중량바닥충격음 기준을 만족한 경우는 65%로 나타나 문제가 발생하고 있음이 연구결과 나타나고 있다(신훈 외, 2008). 이러한 문제는 추후 건설업체 뿐만 아니라 공동주택에 거주하는 주민에게도 문제가 될 여지가 있음을 암시하고 있다. 국토교통부고시 제2012-611호 공동주택 바닥충격음 차단구조 인정 및 관리기준에 의하면 충격원의 위치 및 수음점의 위치가 명확하게 규정되어 있다. 그러나 표준중량충격원인 뱅머신을 사용할 경우 63 Hz, 125 Hz 대역에서 발생하는 수음실 모드에 의해 수음점간 음압레벨 편차가 발생하며 국토교통부 고시에서 지정된 수음점이 수음실 전체를 대표 할 수 있는 지점인가에 대한 문제점도 제기 되었다(주문기 외, 2009). 수음실에서 발생하는 모드는 실의 크기에 의해 영향을 받기 때문에 일률적으로 고정된 수음점의 위치는 거실의 크기에 따라 실제보다 좋은 성능의 측정값을 얻을 수도 있고 오히려 반대의 경우도 발생 할 수 있어 단일수치 평가값에도 영향을 미칠 수 있을 것이다. 그리고 ISO에 기술된 수음점 위치에 대한 내용도 일부 변경되었다. 따라서 현재 국토교통부 고시에 적용된 수음점 위치가 적정한지에 대한 문제점이 제기 될 수 밖에 없다. 본 연구에서는 지금까지 KS F 2810-2 (2002)의 기준이 되어 왔던 ISO 140-7 (1998)에 기술된 수음점 위치 내용과 달라진 ISO 16283-2 (2015)의 내용을 알아보고자 하였다. 그리고 중량바닥충격음 측정시 수음점 위치가 적정한가를 알아보기 위해 수음실 모드에 따른 변화를 측정을 통해 알아보았다. 이를 통해 기존의 문제점을 도출하고 수음점 위치에 관한 최소한의 가이드라인을 제시하고자 하였다.
선행연구 및 이론 조사
실내모드에 의한 편차
주문기 외(2009)는 표준중량충격원인 뱅머신과 고무공 충격원을 사용했을 때 수음실 전체의 음압레벨과 수음실 모드에 따른 변화를 실제 측정을 통해 알아보고 발생되는 문제점을 제기하고자 하였다.
측정결과 음압레벨은 다르지만 충격원에 관계없이 실내에서 같은 양상의 음압분포를 보이고 있어 저주파 대역에서 실내모드(Room Mode)가 발생하고 있음을 보여주고 있었다. 이러한 현상은 저주파 대역의 편차를 일으키는 주된 요인이며 따라서 향후 연구에서는 수음실 크기에 따른 문제나 수음점의 높이에 따른 측정방법에 대한 더 많은 연구가 필요한 것으로 나타났다. 그리고 주문기 외(2008)는 현재의 측정표준에 따른 중량 바닥충격음 측정의 재현성과 신뢰성을 저해하는 가장 큰 요인은 저주파 모드 중첩 현상이며, 그 측정의 편차는 63 Hz 대역에서 때론 10 dB에 이르는 경우도 있어 중량바닥충격음 측정의 편차원인인 저주파 대역 모드중첩의 영향을 줄일 수 있는 보다 신뢰성 있는 측정방법을 찾고자 하였다. Ishimaru (2001)는 그의 논문에서 중량충격음의 저주파 대역에서 발생하는 편차를 알아보기 위해 수음실에서 수직면 격자점 측정을 실시하였으며 각 격자점에 대해 peak값을 도출하였다. 측정결과 수음실에서 저주파 대역의 모드가 발생해 수음점들 간 높이에 따른 음압레벨의 편차가 발생하며, 중량충격음의 L값의 차이가 발생하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 Figure 1과 같이 수음점의 높이를 달리하여 측정 평균함으로서 발생하는 편차를 줄이고자 하였다.
각 국가별 표준에 따른 수음점 위치
좌식생활 구조인 한국과 일본을 제외한 대부분의 나라에서는 ISO에서 규정한 측정방법을 사용하고 있다. 비록 미국은 ASTM E 1007, 독일은 DIN 4109의 측정방법을 사용하고 있으나 이 두 기준은 ISO 140-7과 유사하다.
현행 KS F 2810-2에 의하면 마이크로폰의 위치는 수음실내의 천장 주위벽, 바닥면으로부터 50 cm 이상 떨어진 공간 내에 서로 70 cm 이상 떨어진 4점 이상의 측정점을 균등히 분포 시키도록 되어 있다.
JIS A 1418-1:2000은 산업 표준화 법에 따라 일본 공업 표준 조사회의 심의를 거쳐 건설부장관이 제정 한 일본 공업 규격이다. JIS A 1418 : 1995를 개선하여 대체하는 규격이다. 일본 공업 규격 및 국제 규격과의 대비 국제 표준과 일치시키기 위해 이미 폐지되어 ISO 16283-2:2018로 대체된 ISO 140-7을 기초로 사용한 것이다. 마이크로폰 설치 방법은 수음실 실내, 천장, 주벽 바닥 등에서 50 cm 이상 떨어진 공간에서 서로 70 cm 이상 떨어진 4 점 이상의 측정점을 공간적으로 균일하게 분포 시키도록 되어 있다.
ISO 16283-2에는 개정된 마이크로폰 설치 방법이 적용되어 있으며 설치방법은 수직면상과 수평면상에 두 개의 마이크로폰이 같은 평면상에 위치해서는 안된다고 규정되어 있다. 그리고 수음점의 개수는 수음실의 바닥면적이 50 ㎡이하일 경우 4지점 50 ㎡ 초과일 경우 8지점을 측정하도록 부속서에 규정되어 있다. 현 국토교통부 고시에 규정된 수음점 위치 와 ISO 140-7 그리고 개정된 ISO 16283-2에 명시된 수음점에 관한 규정은 Table 1과 같다.
Table 1. Regulation of microphone positions
바닥충격음 측정
측정은 중량바닥충격음 측정을 위해 현재 재개발지역으로 지정된 인천 S아파트의 안방과 실제 아파트와 동일한 구조로 설계된 충북 음성에 위치한 S사 실험동을 대상으로 하여 측정을 하였으며 Figure 2에 평면을 나타내었다. 실의 크기에 따라 달라지는 수음실의 모드 변화에 의한 결과를 알아보기 위해 각각 다른 크기의 실을 선택하였다. 국토교통부 고시에 의해 지정된 고정된 수음점 위치가 수음실의 크기에 따라 나타나는 결과를 분석하고 평가하고자 하였다. 인천 S아파트와 S사 실험동 모두 충격원의 위치는 중앙점과 외곽1곳을 선택하여 수음실의 전체 음압레벨을 알아 보았다. 각 벽면으로부터 0.5 m 이격하고 0.25 m 간격의 격자점 측정을 수평면 및 수직면에 대해서 실시하였으며 측정시간을 단축하기 위해 4채널로 동시에 측정하였다. 충격원은 현재 KS 규격 표준중량충격원으로 사용하는 뱅머신(bang machine)을 사용 하였다. 인천 S아파트 측정시 슬래브는 120 mm 두께였으며 수음점의 수는 수평면상 80개씩 수직면 6지점 총 480개 이며 S사 실험동은 슬래브는 180 mm 두께였으며 수음점의 수는 수평면상 165개씩 수직면 6지점 총 990개 이다. 측정에 사용된 기기의 내역과 측정지점은 아래 Table 2와 Figure 3에 나타내었다.
측정시간은 측정현장의 여건상 대부분 심야에(20시-04시) 측정을 실시하여 배경소음의 영향을 최소화 하도록 하였다. 또한 중량충격원의 타이어 공기압에 따른 편차가 발생할 수 있으므로 항상 측정 전에 조정하였다. 측정에 사용된 측정 장비는 Table 2에서 나타낸 바와 같고, 측정 장소 및 측정 지점은 Figure 2에 그리고 측정대상 바닥구조는 Table 3에 나타내었다.
Table 2. Measurement device
| Device name | Model & maker |
| Bang-machine | Bang-machine, S&V Korea |
| Microphone | 40AR, GRAS |
| Microphone pre-amplifier | 40AP, GRAS |
| Frequency analyzer | OROS25, S&V |
Table 3. Details of floor structure (unit:㎜)
결과 분석 및 토의
측정 결과 및 분석
공실에서의 전체 수음실 공간에 걸친 평균음압레벨을 정확히 알기 위해 25 cm 간격의 격자를 구성하여 그 격자점 모두에서 측정을 수행하였다. 그리고 각 수음점 높이별 평균음압레벨을 Table 4에 나타내었다.
Table 4. Measurement results of the A-weighted maximum sound pressure levels in terms of average according to the heights of receiving point in 1/3 octave bands (unit:㏈)
수음점 높이
수음실의 바닥충격음 레벨은 수음실에 발생하는 저주파 대역의 모드에 의해 때로 10 dB 이상의 큰 범위로 변동한다. 이러한 편차는 수평면에서 뿐만 아니라 수직면상에서도 나타나고 있음을 알 수 있었다. 일반적인 아파트의 천정고가 2.3 m인 경우 1차원모드인 f(0,0,1)모드는 75 ㎐대역에서 발생한다. 1/3대역으로 보면 Figure 4에 나타난 바와 같이 z 축 상의 80 ㎐대역 1/2 지점에서 가장 음압레벨이 낮게 나타나게 된다. 선행연구에서 검토하였던 T. Ishimaru (2001)의 논문에서 수음실에서 저주파 대역의 모드에 의해 수음점들 간 높이에 따른 음압레벨의 편차가 발생하여 Figure 1과 같이 수음점의 높이를 달리하여 측정 평균함으로서 발생하는 편차를 줄이고자 한 바 있다. 이러한 관점에서 본다면 현 국토교통부 고시의 측정기준인 1.2 m 고정된 수음점 높이는 음압레벨이 실제보다 낮게 측정이 될 수 있는 것으로 판단된다.
수음점 위치
현행 KS F 2810-2에 의하면 마이크로폰의 위치는 수음실내의 천장 주위벽, 바닥면으로부터 50 cm 이상 떨어진 공간 내에 서로 70 cm 이상 떨어진 4점 이상의 측정점을 균등히 분포 시키도록 되어 있다. 그리고 국토교통부 고시에는 수음실에 설치하는 마이크로폰의 높이는 바닥으로부터 1.2 m로 하며, 거리는 벽면 등으로부터의 0.75 m(수음실의 바닥면적이 14 ㎡ 미만인 경우에는 0.5 m) 떨어진 지점으로 한다. 라고 규정되어 있다. 고시에 의한 5개 고정점 평균 값과(Mean value from the 5-fixed positions) 전체 격자점 측정을 통한 전체 측정점의 평균 값(Mean value from all positions)을 비교하였다.
Table 5. Mean values from all positions (A) and 5-fixed positions (B) (unit:㏈)
Table 5에서와 같이 국토교통부 고시에 의해 측정된 결과 값과 격자점 측정을 통해 구한 공간 평균값을 비교한 결과 중량바닥충격음에 가장 큰 영향을 미치는 63 ㎐ 대역에서의 차이가 두드러지게 나타나고 있다. 두 측정장소 모두 1.25 m 높이에서 0.75 m 이격된 5점을 측정한 값이 공간평균값에 비해 63 ㎐대역에서 1 ㏈~ 1.9 ㏈ 높게 나타나고 있다. 수직면상에서 1.25 m의 수음점 높이는 가장 음압레벨이 낮은 지점이다. 그러나 이러한 결과는 Figure 5에서 처럼 국토교통부 고시에서 지정한 수음점 위치가 실내에서 발생하는 모드에 의해 음압레벨이 가장 큰 곳에 위치해 있기 때문에 공간 평균값에 비해 크게 나타나고 있는것으로 판단된다.
수음실 크기
수음실에서 발생하는 모드에 의해 저주파 대역인 63 ㎐ 대역과 125 ㎐ 대역에서 음압레벨의 편차가 발생하고 있음을 알 수 있다. 수음실에서 발생하는 모드는 수음실 크기에 따라 다르게 발생하기 때문에 두 측정장소에서 측정된 결과값을 각각의 공간평균값과 비교하여 백분율로 비교하였다. 음압레벨로 비교하는것 보다 백분율로 비교함으로서 공간의 크기에 따라 수음점의 거리에 따른 감소율을 쉽게 나타내고자 하였다. Figure 6에서와 같이 국토교통부 고시에 지정된 지점을 크기가 다른 두 측정장소의 결과값을 비교한 결과 S-Lab의 수음실 크기는 4.6×3.5로 1차원인 f(1,0,0) 모드가 37 ㎐ 대역에서 발생하며 S-Apt는 3.1×3.4 로 55 ㎐대역에서 발생한다. 이러한 모드발생의 결과는 S- Lab과 비교할 때 S-Apt의 63 ㎐대역의 음압레벨 분포에서 벽으로부터 중앙부분으로 갈수록 음압레벨이 급격하게 낮아지는 경향이 나타나고 있음을 알 수 있다. S-Apt의 0.75 m 이격된 지점인 음영부분의 백분율과 가장 근접한 S- Lab의 지점은 1 m 이상 모두 더 안쪽으로 이격된 지점에 위치하고 있다. 따라서 고정된 수음점 위치는 수음실의 크기에 따라 그 결과값이 실제 공간의 평균값과 비교하여 차이가 날 수 있을 것으로 판단된다.
토 의
수음실에서 발생하는 모드에 의해 중량바닥충격음의 단일수치 평가값의 주된 결정 요인인 63 ㎐대역의 음압레벨에 편차가 발생하며 이러한 편차는 수평면상과 수직면상에서 모두 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 좋거나 혹은 좋지 않은 의도하지 않은 결과를 나타낼 수 있을 것이다. 현재의 측정방법의 문제점인 수음점의 위치에 대한 최소한의 규정 변경이 없이는 신뢰성 있는 결과를 구하기 어려울 것으로 판단된다. 지금까지 측정 및 분석 결과를 토대로 하여 표1에서 제시 된 현 국토교통부 고시에 규정된 수음점 위치 와 ISO 140-7 그리고 개정된 ISO 16283-2에 명시된 수음점에 관한 규정을 비교 분석하였다.
세가지 기준을 비교한 결과 개정전인 ISO 140-7에서는 수음점의 위치를 균등히 분포하는 4지점으로 하고 있어 수음실내 수평면상에서 4지점을 나누었다. 그러나 최근 개정된 ISO 16283-2에서는 과 비교하면 같은 평면상과 규칙적인 라인에 수음점 위치를 두지 않음으로서 저주파 대역의 모드 발생에 의한 편차를 수용하고 있는 것으로 조사 되었다. 그리고 부속서 D에는 수음점의 수를 50 ㎡이하 4지점 초과시 8지점으로 규정하고 있다. 그리고 E와 F에 수평과 수직의 수음점 위치에 대한 예를 두고 있다. 지금까지의 실험결과를 감안한다면 현 국토교통부 고시에 의한 수음점 위치는 때에 따라 신뢰성 있는 결과를 얻기 힘들것으로 판단되었다.
국토교통부 고시에는 적용되지 않고 있는 저주파 대역의 모드에 의한 편차를 감안하여 수음점에 관한 규정을 변경해야 이를 최소화 할 수 있을것으로 판단된다.
ISO 16283-2의 부속서 F에서 수직면상의 수음점 높이에 대한 예시를 두고 있다. 그러나 우리나라의 공동주택의 일반적인 높이와는 다른 예를 들고 있다. 우리나라 공동주택의 경우 대부분의 층고는 2.3~2.5 m 로 되어 있다. 이 경우 수직면상의 f(0,0,1)모드는 60~80 ㎐ 사이에서 발생한다. 따라서 63 ㎐대역에서 1차원의 강한 모드가 형성되어 중앙부분의 음압레벨이 가장 낮은 지점이 된다. 수평면상에서도 같은 현상이 나타나고 있다. 이러한 수음점의 위치는 피해야 할 것으로 판단된다. 그리고 수음실의 모드에 의한 음압레벨 분포는 대개 벽 근처와 코너 부위에서 최대값을 갖기 때문에 이지점도 피해야 할 것으로 판단된다. 수음실내 수음점의 위치가 대칭되는 점도 저주파 대역의 경우 모드가 같이 겹쳐서 대칭이 되는 부분이 되기 때문에 수직면상과 수평면상에서 수음점이 서로 이를 피해야 할 것으로 판단된다.
결 론
지금까지 본 연구에서는 국토교통부 고시 기준이 과 ISO 140-7에 기술된 수음점 위치 그리고 ISO 16283-2의 내용을 비교하였다. 그리고 중량바닥충격음 측정시 수음점 위치가 적정한가를 알아보기 위해 수음실 모드에 따른 변화를 측정을 통해 알아보고 기존의 문제점을 도출하여 수음점 위치에 관한 최소한의 가이드라인을 제시하고자 하였다. 서로 다른 크기의 거실을 격자측정을 통해 분석한 결과 수음실의 고정된 높이는 1/3대역으로 보면 z 축 상의 80 ㎐대역 1/2 지점에서 가장 음압레벨이 낮게 나타나게 됨으로서 추후 문제가 발생할 소지가 있는 것으로 판단되었다. 고정된 수음점 위치 또한 수음 실내에서 발생하는 모드에 의해 음압레벨이 가장 큰 곳에 위치해 있어 공간 평균값에 비해 크게 나타나고 있는것으로 판단되었다. 그리고 수음실 크기에 의해서도 고정된 수음점 위치는 그 결과값이 실제 공간의 평균값과 비교하여 차이가 발생할 우려가 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 토대로 개정된 ISO 16283-2와 비교하여 최소한의 수음점 위치에 대한 가이드라인을 제시하였다. 수음실내 수음점 4지점은 ① 수음실내 모든 벽면간 중앙점과 벽 근처 그리고 코너부분은 피해야 하며 ②수직면상과 수평면상에서 수음점의 위치가 대칭되는 점을 피해야 할 것으로 판단된다. 이러한 결과는 추후 실제 주거 형상을 반영한 다양한 실내공간에서 수음실 내 정확한 수음점 위치에 대한 가이드라인 제시를 위한 많은 연구를 통해 보완이 필요할 것으로 판단된다.
