Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. February 2020. 91-100
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20200009


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 측정개요

  •   대상강의실

  •   실내음향지표 측정 및 산출

  •   실제 강의 현장의 음성과 소음 레벨의 측정 및 도출

  • 결과 및 토의

  •   실제 강의현장에서의 음성과 소음 레벨을 반영한 음성 명료도 지표 U50값 산출

  •   음성 명료도 ‘Good’ 범위인 STI값 0.60에 상응하는 U50

  •   실제 강의 현장에서 좋은 음성 명료도를 얻기 위한 실내음향조건

  • 결 론

서 론

국외 11곳 대학 강의실(Hodgson et al.,1999)과 27곳 초등학교 교실(Sato and Bradley, 2008)을 대상으로 한 실제 교실현장에서 측정한 평균 소음 레벨은 43.7 dBA에서 49.1 dBA로 주로 실내 공조기와 재실자의 수업 중 활동으로 인한 소음으로 보고되었다. 초등학교 교실에서 실제 수업 중 활동으로 인한 소음 레벨은 정숙 시 측정한 교실 내 소음에 비해 5~10 dBA 크게 나타났다(Sato and Bradley, 2008). 국외 대학강의현장에서의 평균소음레벨은 44.4 dBA로 수업중인 초등학교 교실보다 4.7 dBA 낮지만 SNR ≥ 15 dBA기준(ANSI S12.60, 2004)을 만족하기 위해 수음점에서의 평균 음성 레벨은 59.4 dBA 이상이 요구된다. 강의중인 대학강의실의 수음점에서의 평균 음성 레벨은 50.8 dBA 로 대학생들이 경험하는 강의중 평균 신호 대 잡음비(SNR)는 7.9 dBA 이다(Hodgson et al.,1999).

국외 대학 강의실 및 초등학교 교실에서 실제 학습 현장의 음성 및 소음 레벨을 녹음하여 제시한 연구결과는 매우 제한적이며(Hodgson et al.,1999; Sato and Bradley, 2008) 국내의 경우 동일한 측정방법을 이용한 연구 결과가 전무하다. 국외 선행연구에서 동일한 측정방법을 이용하여 실제 학습 현장에서 학생들이 경험하는 SNR값을 측정하여 그 결과를 제시함으로서 현실적으로 SNR≥ 15 dBA기준(ANSI S12.60, 2004)을 만족하지 못함을 알렸다. 그러나, 두 선행연구(Hodgson et al.,1999; Sato and Bradley, 2008)에서 실제 학습 현장의 정확한 음성 및 소음 레벨을 반영한 음성 명료도의 측정 지표와 그 적정 범위에 관한 연구는 함께 이루어지지 않았다. 따라서, 국내 대학의 실제 강의 현장에서 적절한 음성 전달에 필요한 적정 음향 조건을 알기 위해 실제 강의중인 강의실의 음성 및 소음 레벨을 측정하여 그 결과를 반영한 음성 명료도 측정 지표값과 그 적정 범위를 제시한 연구가 수행되어야 한다.

음성 명료도 측정지표로 음성전달지수(Speech transmission index, STI) (IEC 60268-16, 2011)와 Useful-to-detrimental sound ratios (U50) (Bradley et al., 1999)가 널리 알려져 있다. 두 지표는 음성 전달에 중요한 요소인 실내 음향(C50)과 소음(SNR)의 영향을 결합하여 음성 명료도의 측정이 가능하다. STI는 실제 강의현장에서 측정이 어렵지만 U50는 실제 강의현장에서 측정한 C50값과 SNR값에 의해 산출이 가능하여(Bradley et al., 1999) 실제 강의현장에서 측정한 음성 및 소음 레벨을 반영할 수 있다. 따라서, 실제 강의 현장의 음향 상태 측정이 가능한 U50지표는 실제 음성 전달에 필요한 음향 상태에 대한 이해와 평가가 가능한 유리한 점이 있다.

국내 12곳의 대학 강의실에서 강의중이 아닌 정숙한 상태에서 측정한 STI값과 U50 (STI, 125-4000)값은 상관계수가 R2=0.968 (σ=0.007)로 높은 상관관계를 보여 두 지표가 음성 명료도 예측에 있어 유사한 평가지표임을 보여주었다(Choi, 2017). 여기서, U50값은 STI지표에서 적용하는 주파수대역별 보정을 한 125-4000 Hz의 U50평균값이다. 이 결과는 두 국외 선행연구결과(Bradley and Bistafa, 2002; Nijs and Rychtáriková, 2011)와 유사하였다. 국내 12곳 강의실을 대상으로 한 선행연구(Choi, 2017)에서 두 음성 명료도 평가 지표가 높은 상관관계에 있음을 재차 보여주었지만 강의중이 아닌 정숙한 상태의 강의실 측정결과를 바탕으로 하여 실제 강의 현장의 결과와 다를 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 두 선행연구(Hodgson et al.,1999; Sato and Bradley, 2008)와 동일한 방법으로 국내 대학 강의실에서 실제 학습 현장의 음성 및 소음 레벨을 측정하여 그 결과를 반영한 음성 명료도 측정 지표와 그 적정 범위를 제시하고자 한다.

본 연구에서는 실제 강의현장에서의 음성과 소음 레벨을 반영한 음성 명료도 지표U50값을 바탕으로 대학 강의실에서 실제 음성 전달에 필요한 최적 음향 상태를 제시하고자 한다. 먼저, 국내 대학 11곳 강의실의 15개 실제 강의 현장에서 측정한 음성과 소음 레벨을 바탕으로 수업 중인 강의실에서의 U50값을 산출하였다. 대상강의실은 선행연구(Choi, 2017)에서 측정한 강의실과 같은 대학에 위치하지만 다른 강의실로 체적과 음향조건이 상이하다. 다음으로 선형 회귀분석을 통하여 음성 명료도 ‘Good’ 범위인 STI값 0.60에 상응하는 U50값을 제시하였다. 마지막으로, 실제 강의 현장의 음향 상태를 반영한 적정 U50값을 얻기 위한 강의실의 최적 음향 조건도 제시하였다. 단 본 연구결과는 대학 강의실의 15개 실제 강의현장에서의 측정결과를 바탕으로 한 것으로 대상강의실과 유사한 조건의 공간에 제한된다.

측정개요

대상강의실

Table 1에 15개 강의가 이루어진 11곳 대학 강의실의 평균 제원과 공석과 만석시의 500-1000 Hz의 평균잔향시간(T30)을 나타내었다. 모든 강의실은 강의전용으로 이용하고 있으며, 사각형 형태로 한쪽 측면에 창문이 위치하고 있다. 측정 시 평균 재실 인원은 41명(65% 착석)으로 실제 강의현장에서 측정을 실시하여 강의실마다 착석율이 상이 하였다. 11곳 강의실의 체적은 188 ㎥~343 ㎥인 중·소규모 강의실로 100명 이하의 학생을 수용할 수 있다. 11곳 강의실의 공석시와 만석시의 500-1000 Hz의 평균 T30값은 각각 1.12 s와 0.64 s이다. Table 1의 만석시 평균 T30값은 65% 착석 조건에 따른 측정값으로 착석율에 따라 그 값은 변할 수 있다.

Table 1. Data for 11 university classrooms used for the measurements including mean octave band T30 (500-1000 Hz) values for both occupied and unoccupied classrooms

Rooms Volume, m3 Number of occupants T30_unoccupied, s T30_occupied, s
Mean 257 41 1.12 0.64
s.d. 38 12 0.41 0.15
Max 343 67 1.80 0.90
Min 188 19 0.61 0.37

실내음향지표 측정 및 산출

본 연구에서는 국내 11곳 대학 강의실의 15개 실제 강의 현장을 대상으로 실내음향측정과 녹음을 실시하였다. 각 강의실의 음향 측정은 ISO 3382법(2003)을 토대로 잔향시간(T30), 명료도(C50), 음의 크기(G)를 측정하였다. 음원은 로그스윕(logarithmic sweep)을 이용하였으며 12면체 스피커(Norsonic, Nor276)로 음원을 방출하였다. 강단의 중심에 1.5 m 높이의 음원점 1개소와 각 강의실의 좌석에 1.2 m 높이로 균등히 분포한 수음점 4개소에서 1/2인치 마이크로폰(G.R.A.S. Type 46 AF)을 통해 충격응답을 측정하였다.

전술한 바와 같이 U50값은 실제 강의현장에서 측정한 C50값과 SNR값에 의해(식 (1) 참조) 산출이 가능하다. Useful sound는 초기에 도달하는 신호음 에너지를 말하며, detrimental sound는 후기에 도달하는 음성과 소음 에너지의 합을 말한다.

$$U_{50}=10\log\left\{\frac{E/L_{50}}{1+(E/L_{50}+1)N/S}\right\},\;dB$$ (1)

여기서, N은 소음 에너지, S는 신호음 에너지, 그리고 E/L50는 초기음에너지에 대한 후기음에너지의 선형비이다.

IEC 60268-16 (2011)을 토대로 STI값 산출을 위해 각 강의실에서 측정한 만석시 정숙한 상태에서의 충격응답을 이용하여 (식 (2) 참조) 변조전달함수(modulation transfer function, m(F)) (Schroeder, 1981)를 도출하였다. 식 (2)의 S/N값은 실제 강의현장에서의 측정한 음성과 소음 레벨을 이용하였다.

$$m(F)=\frac{\left|\int_0^\infty{h^2(t)e^{-2\pi Ft}dt}\right|}{\int_0^\infty{h^2(t)dt}}\bullet\frac1{1+10^{\displaystyle\frac{-S/N}{10}}}$$ (2)

여기서, F는 modulation frequency, h(t)는 충격응답, 그리고 S/N는 신호 대 잡음비(dB)이다.

실제 강의 현장의 음성과 소음 레벨의 측정 및 도출

실제 강의 현장을 녹음하여 음성과 소음 레벨을 측정하였다. 강의 현장의 녹음은 1/2" 마이크로폰(G.R.A.S, Type 46AF)과 음향 측정 프로그램(Dewesoft, Dewesoft Ver.7.0)을 사용하였다. 4개 수음점은 실내 음향 측정 지점과 동일하게 배치하였으며, 그 높이는 1.2 m로 위치시켰다. 녹음은 강의 중 약 10 분간 실시하였으며, 강사의 강의 음성이 주된 음원이었다. 강의실 내 소음원은 주로 공기조화기, 빔 프로젝터에 의해 발생된 소음과 인접 강의실과 외부에서 유입된 소음이었다.

Hodgson et al. (1999)이 제안한 통계 방법에 의해 실시간 강의현장에서의 음성과 소음 레벨을 도출하였다. 먼저 녹음한 10분 분량의 파일을 200 ms로 자른다. 200 ms로 자른 녹음파일에서 각 주파수 대역별 레벨 값을 구하여 빈도수 그래프로 도식화 한다. 도식화한 빈도수 그래프에 2개의 큰 피크점이 나타나는데, 높은 음압 레벨의 피크점이 음성 레벨이고 낮은 음압 레벨의 피크점이 소음 레벨을 나타낸다. 빈도수 그래프의 두 피크점에 정규분포곡선을 도식화하여 음성과 소음 레벨을 구한다. 자세한 내용은 참고문헌(Hodgson et al.,1999; Sato and Bradley, 2008)에 기술되어 있다.

결과 및 토의

실제 강의현장에서의 음성과 소음 레벨을 반영한 음성 명료도 지표 U50값 산출

U50값은 실제 강의현장에서 측정한 C50값과 SNR값에 의해 산출이 가능하다. U50(125-4 kHz)값은 STI지표(IEC 60268-16, 2011)에서 적용하는 주파수대역별 보정 값(frequency- weighted)을 적용하여 125-4000 Hz의 각 주파수대역값을 합산하였다. U50값 산출에서 STI지표(IEC 60268-16, 2011)의 주파수대역별 보정값을 적용하는 이유는 음성 명료도 평가에서 중요하지 않은 저주파수대역(125 Hz와 250 Hz)이 지나치게 강조되는 것을 보정하기 위함이다. 선행연구(Choi, 2017)에서 STI지표의 주파수대역별 보정한 125-4000 Hz의 U50평균값 즉, U50 (STI, 125-4000)지표가 STI값과 가장 높은 상관관계를 나타내 본 논문에 그 결과를 인용하였다. 다만 본 연구에서는 125-4000 Hz의 값을 평균하지 않고 STI값 산정 방법과 동일하게 125-4000 Hz의 값을 합산하였다.

Figure 1에 11곳 대학 강의실의 15개 실제 강의현장에서 측정한 60곳 수음점의 음성과 소음 레벨의 빈도수 그래프를 보여주고 있다. 학생들이 경험하는 강사의 음성 레벨값은 45.9 dBA~59.3 dBA 분포를 보이며 수음점별로 최대 13.4 dBA 차이를 보인다. 동일 수음점에서의 소음 레벨값은 40.3 dBA~47.6 dBA 분포를 보이며 수음점별로 최대 7.3 dBA 차이를 나타낸다. 15개 강의현장에서 학생들이 경험하는 평균 음성 레벨값과 소음 레벨값은 각각 43.7 dBA와 51.4 dBA 이다.

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Figure 1.

Frequency distributions of the received speech levels and noise levels of 60 measurement positions during 15 lectures in 11 classrooms

Figure 2(a)와 (b)에 11곳 대학 강의실의 15개 실제 강의현장에서 측정한 60곳 수음점의 C50 (125-4 kHz)값과 SNR (125-4 kHz)값의 빈도수 그래프를 각각 보여주고 있다. 여기서, C50 (125-4 kHz)값과 SNR (125-4 kHz)값은 125-4000 Hz의 각 주파수대역값을 평균하였다. Figure 2(a)의 C50 (125-4 kHz)값은 -1.3 dB~9.6 dB 이며, Figure 2(b)의 SNR (125-4 kHz)값은 2.2 dBA~13.5 dBA 분포를 보인다. 국내 15개 실제 강의현장의 평균 SNR (125-4 kHz)값은 7.7 dBA 로 국외 대학강의실에서 측정한 결과(Hodgson et al., 1999)와 비교해 0.2 dBA 낮다. 동일한 측정방법을 이용한 두 국내외 대학강의현장의 측정결과 SNR≥ 15 dBA기준(ANSI S12.60, 2004)을 만족하지 못한다.

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Figure 2.

Frequency distributions of (a) the C50 (125-4k), and (b) SNR (125-4k) values of 60 measurement positions during 15 lectures in 11 classrooms

Figure 3에 15곳 실제 강의현장의 60곳 수음점에서 측정한 Figure 2의 (a)C50값과 (b)SNR값에 의해 산출한 U50 (125-4 kHz)값의 빈도수 그래프를 보여주고 있다. 국내 15개 실제 강의현장의 U50 (125-4 kHz)값은 -2.9 dB~6.4 dB 이며 그 평균값은 1.8 dB 이다. 실제 강의중인 강의실에서의 음성과 소음 레벨을 반영한 평균 U50 (125-4 kHz)값은 강의중이 아닌 정숙한 상태에서 측정한 결과(Choi, 2017)와 비교해 2.5 dB 낮았다. 이는 두 연구에서 대상으로 한 강의실의 체적과 음향상태가 다르며 강의중이 아닌 정숙한 상태와 실제 강의중인 강의실의 SNR값이 다르기 때문이다.

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Figure 3.

Frequency distributions of calculated U50 (125-4k) values of 60 measurement positions during 15 lectures in 11 classrooms

음성 명료도 ‘Good’ 범위인 STI값 0.60에 상응하는 U50

두 음성 명됴로 지표 U50와 STI는 식 (1)과 (2)에서 각각 보여주듯이 기본 개념은 다르지만 두 지표는 높은 상관성을 보이며 실내 음향과 소음의 영향을 결합하여 음성 명료도의 측정이 가능하다(Bradley et al., 1999; Nijs and Rychtáriková, 2011; Choi, 2017). 따라서, 실제 강의중인 강의실에서 측정한 음성과 소음 레벨을 바탕으로 산정한 두 음성 명료도 지표 값의 관계를 선형 회귀식으로 분석하였다. Figure 4에 15곳 실제 강의현장의 60곳 수음점에서 산출한 STI값에 대한 U50 (125-4 kHz)값의 관계를 선형 회귀선과 함께 보여주고 있다. Figure 4에 따르면 두 음성 명료도 지표 STI와 U50는 상관계수가 R2=0.939 (σ=0.012)로 높은 상관관계를 보인다. Figure 4의 결과에서 U50값이 +4.1 dB일 때 이에 상응하는 STI값은 0.60이상으로 음성 명료도 ‘Good’ 범위에 해당한다. 이 결과는 두 음성 명료도 지표가 동일한 정보를 제공하며 Figure 4의 선형 회귀식을 이용하여 각각의 음향지표에 상응하는 지표로 변환이 가능하다는 것을 의미한다.

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Figure 4.

Calculated STI values versus U50 (125-4k) values for 60 measurement positions during 15 lectures in 11 university classrooms

Figure 4의 결과에 의하면 60곳 수음점 중 10곳의 U50값이 +4.1 dB이상으로 음성 명료도 ‘Good’ 범위에 해당한다. 이 10곳 수음점의 평균 C50 (125-4 kHz)값과 SNR (125-4 kHz)값은 각각 7.6 dB와 10.6 dBA 이다. 15개 실제 강의현장에서 측정한 평균 C50 (125-4 kHz)값과 SNR (125-4 kHz)값은 각각 4.4 dB와 7.7 dBA 로 U50값이 +4.1 dB이상을 만족하기 위해서는 두 지표값이 평균값 보다 각각 3.2 dB와 2.9 dBA 높아야 한다.

정숙한 상태의 강의실 12곳에서 측정한 음성 명료도 ‘Good’ 범위에 해당하는 U50값은 +3.2 dB(Choi, 2017)로 실제 강의현장에서 측정한 값과 비교해 0.9 dB 낮다. 여기서 선행연구(Choi, 2017)의 U50값은 125-4000 Hz의 평균값으로 본 연구결과와 비교하기 위해 125-4000 Hz의 값을 합산하였다. 두 연구에서 제시하는 음성 명료도 ‘Good’ 범위에 해당하는 U50값이 약 0.9 dB 차이를 보이는 이유는 두 연구에서 대상으로 한 강의실의 체적과 음향상태가 다르며 측정한 강의실에서의 음성과 소음 레벨의 차이가 주된 원인으로 사료된다. 즉, 정숙한 강의실에서의 SNR값은 실제강의현장에서의 그 값보다 높아 낮은 U50값으로도 좋은 음성 명료도를 성취할 수 있다.

실제 강의 현장에서 좋은 음성 명료도를 얻기 위한 실내음향조건

Figure 3의 결과에서 좋은 음성 명료도를 얻기 위해 실제 강의중인 강의실의 U50값은 +4.1 dB이상이여야 한다. 이 지표는 음성 전달에 중요한 요소인 실내 음향(C50)과 소음(SNR)의 영향을 결합하여 산출하였다. 강의실에서 좋은 음성 명료도를 얻기 위해 모든 C50값에 따른 적정 SNR 값이 있듯이 모든 SNR 값에 따른 적정 C50범위가 있다.

강의실에서 음성 전달에 중요한 두 음향지표 C50와 SNR이 음성 명료도 측정지표 U50에 미치는 영향을 알아보기 위해 다중 회귀 분석하여 그 결과를 Table 2와 식 (3)에 제시하였다. 각 음향지표와 U50의 관계를 선형 회귀분석하여 그 결과를 Table 2에 함께 제시하였다.

Table 2. R2 values from multiple regression analyses of a predictor of speech intelligibility, U50 (125-4k), on the combination of C50 (125-4k) and SNR (125-4k) values. R2Values from linear regression analyses of U50 (125-4k) on the C50 (125-4k) and SNR (125-4k) values are also added in the first and second rows

Predictors C50 (125-4k) SNR (125-4k) C50 (125-4k) SNR (125-4k)
U50 (125-4k) 0.824 (p= 0) 0.314 (p < 0.001) 0.968 (p = 0)

Table 2의 각 음향지표와 U50의 관계를 선형 회귀 분석한 결과에 따르면 실내 음향(C50) 지표가 소음(SNR) 지표보다 U50와 높은 상관관계를 나타낸다. 실내음향과 소음의 영향을 결합하였을 때 U50와 더 높은 상관관계(R2=0.968)를 보인다.

$$U_{50}(125-4k)=0.796\;C_{50}(125-4k)+0.349\;SNR(125-4k)+0.416$$ (3)

Figure 5에 식 (3)을 이용하여 C50와 SNR값에 따른 U50예측값을 보여주고 있다. 본 연구에서 실제 강의현장 15 곳에서의 평균 SNR (125-4 kHz)값은 7.7 dBA 로 U50≥ +4.1 dB를 얻기 위해서 C50값은 7.3 dB이상이여야 한다. 반면 강의실의 SNR (125-4 kHz)값이 15 dBA 이상인 경우 C50값이 4 dB이상이면 U50≥ +4.1 dB를 얻을 수 있다. 따라서, 실제 강의현장의 측정결과를 바탕으로 한 식 (3)을 이용하여 좋은 음성 명료도를 얻기 위한 적정 실내음향조건의 예측이 가능하다.

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Figure 5.

Prediction of U50 (125-4k) values from combinations of C50 (125-4k) and SNR (125-4k) values using multiple regression equation in (3).

결 론

본 연구에서는 국내대학의 실제 강의중인 강의실 11곳의 15개 강의현장에서 음성과 소음 레벨을 측정하여 그 결과를 반영한 음성 명료도 측정 지표 U50값과 실내음향조건에 따른 그 적정 범위를 제시하였다. 또한, 그 측정결과를 바탕으로 본 연구와 비슷한 체적과 음향 조건의 강의실에서 적정 U50값을 얻기 위한 최적 음향 조건의 예측이 가능하도록 하였다.

대학 실제 강의현장의 측정결과에 따르면 음성 명료도 ‘Good’ 범위인 STI값 0.60에 상응하는 U50 (125-4 kHz)값은 +4.1 dB이다. 본 연구에서 실제 강의현장 15 곳에서의 평균 SNR (125-4 kHz)값은 7.7 dBA 로 U50≥ +4.1 dB를 얻기 위해서 C50 (125-4 kHz)값은 7.3 dB이상이여야 한다. 실제 강의현장의 측정결과를 바탕으로 한 식 (3)을 이용하여 본 연구와 비슷한 체적과 음향 상태의 강의실에서 좋은 음성 명료도를 얻기 위한 적정 실내음향조건의 예측이 가능하다. U50지표의 실제 음성 전달에 필요한 음향 상태의 이해와 평가가 가능한 점을 적극 활용하기 위해서는 향후 다양한 체적과 음향 조건을 가진 강의실의 실제 강의현장에서 수업이 진행되는 상황의 음향상태 측정과 동일한 강의실에서 학생을 대상으로 한 음성 명료도 평가 결과와의 비교가 함께 이루어져야 한다.

Acknowledgements

강의실 측정에 도움을 준 강원대학교 공과대학 교수진과 학생들에게 이에 감사를 표한다. 이 논문은 2017년도 강원대학교 대학회계 학술연구조성비(관리번호-520170129)와 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원(No. 2018R1A2B60001279)으로 수행한 기초 연구임.

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