Investigation into influence of sound absorption block on interior noise of high speed train in tunnel

†Corresponding author: Cheolung Cheong ([email protected]) School of Mechanical Engineering, Pusan National University, 2, Busandaehak-ro 63 beon-gil, Geumjeong-gu, Busan 46241, Republic of Korea

(Tel: 82-51-510-2311, Fax: 82-51-514-7640)

터널 내부 도상 블록형 흡음재의

고속철도차량 내부 소음에 미치는 영향에 대한 고찰

Investigation into influence of sound absorption block on interior noise of high speed train in tunnel

이상헌,¹ 정철웅,^1† 이송준,¹ 김재환,² 손동기,³ 심규철³

(Sang-heon Lee,

¹

^1†

¹

²

³

³

1

부산대학교,

현대로템,

(주)지이티-피씨

(Received April 23, 2018; revised June 18, 2018; accepted July 27, 2018)

초 록: 최근 여러 환경적인 요인으로 인해 기존의 자갈 도상의 터널에서 콘크리트 도상의 터널로 교체가 되고 있지만 콘크리트 도상 터널의 경우 자갈 도상의 터널 보다 소음에 악영향을 미치고 있어 부수적으로 소음에 대한 대책이 필요 한 실정이다. 이러한 대책 중 하나로 흡음블록은 설치의 제약이 적고 쉽고 빠르게 설치가 가능하기 때문에 많은 철도에 서 시범적으로 적용되고 있다. 하지만 실제 환경과 운영조건에서 흡음블록의 성능에 대한 검증이 필요한 실정이다. 본 논문에서는 터널 내의 흡음블록의 성능을 확인하기 위해 흡음블록의 소음저감효과의 예측뿐만 아니라 호남선의 달성 터널의 일부 구간에 흡음블록 설치 전 ‧ 후의 KTX 실내 소음을 측정하고 그 결과를 비교, 분석하였다. ISO 3381를 준용 한 측정장비, 측정방법을 사용하여 고속철도차량 실내소음을 측정하였으며, 터널 내부 운행시간동안에 등가소음도를 계산했다. 또한 흡음블록의 주파수별 흡음특성과 객실내부 장치소음이 영향을 주는 주파수 영역의 영향을 고려하기 위 하여 가청주파수 영역 전체에 대한 등가소음도 뿐만 아니라 1/3-octave band를 기초로 주파수 영역대별 영향도도 함께 분석하였다. 또한, 열차의 운행속도와 측정시의 환경조건 등을 고려하여 흡음블록의 실내소음에 대한 영향을 평가하기 위하여 달성터널 전후에 위치한 터널내부 소음 측정값을 사용하여 보정하였다. 측정 결과의 분석을 통하여 흡음블록위 에서 주행 할 때 최대 6.8 dB(A) 저감량을 나타내었다. 최종적으로 열차실내소음에 대한 1/3-octave band SPLs(Sound Pressure Levels) 예측값과 실측값을 비교하여 흡음블록에 의한 소음저감 메커니즘에 대한 이해를 증진시켰다.

핵심용어: 흡음 블록(Sound absorption block), 등가 소음도(Equivalent sound pressure level,



ABSTRACT: Recently, due to various environmental problems, blast tracks in tunnel are replaced with concrete tracks, but they have more adverse effects on noise than blast tracks so that additional noise measures are needed.

Among these measures, sound-absorbing blocks start to be used due to its easy and quick installation. However, the performance of sound absorption blocks need to be verified under real environmental and operational conditions. In this paper, interior noise levels in KTX train cruising in Dalseong tunnel are measured before and after the installation of sound-absorbing blocks and the measured data are analyzed and compared. Additionally, noise reduction are estimated by modeling the high speed train, the tunnel and absorption blocks. Measurement devices and methods are used according to ISO 3381 and the equivalent sound pressure levels during the cruising time inside the tunnel are computed. In addition to overall SPLs(Sound Pressure Levels), 1/3-octave-band levels are also analyzed to account for the frequency characteristics of sound absorption and equipment noise in a cabin. In addition, to consider the effects of train cruising speeds and environmental conditions on the measurements, the measured data are corrected by using those measured during the train-passing through the tunnels located before and behind the Dalseong tunnel. Analysis of measured results showed that the maximum noise reduction of 6.8 dB (A) can be achieved for the local region where

I. 서 론

고속철도차량의 발전과 함께 철도 차량은 우리나 라에서 중요한 대중교통 수단이 되었다. 이에 따라 국내의 철도 차량 관련 기술도 꾸준히 성장하여 현 재는 400 km/h급의 고속 철도 차량이 등장하였다. 하 지만 이러한 운행속도의 증가는 전통적인 철도차량 바퀴와 철로 사이의 구름소음뿐만 아니라 공력 소음 또한 증가 시키고 있다. 차량에서 발생하는 소음은 차량의 천장과 바닥 또는 옆벽을 통하여 내부로 전 파되고 이러한 소음으로 인해 철도차량을 이용하는 승객은 불편함을 겪을 수 있다.

고속철도차량 운행 시 발생하는 소음은 개활지 보 다 터널 운행에서 더 높은 소음을 발생 시키는데, 이 는 고속철도차량에서 발생하는 소음이 터널 외부로 빠져 나가지 못하고 터널 내부에서 잔향 음장을 형 성하기 때문이다. 또한 최근 도상의 유지관리 및 천 연골재 고갈 등 환경문제로 인해 자갈도상의 터널이 콘크리트 도상의 터널로 교체가 되고 있는 추세인데 콘크리트 도상은 자갈도상보다 소음적인 측면에서 악영향을 끼쳐 부수적인 소음에 대한 대책이 필요한 실정이다.

이러한 콘크리트 도상의 단점을 보완하기 위해 여 러 가지 소음저감 장치가 개발되어 왔다. 레일 웹댐 퍼는 철도에 설치하여 철도 차량의 휠과 레일상에서 발생하는 전동소음을 저감시킬 수 있고, 도유기 설 치는 커브구간에서 휠의 플렌지면과 철도 사이에간 헐적으로 발생하는 고주파의 스퀼소음을 저감시킬 수 있다. 또한 흡음블록은 터널에서 발생한 소음의 에너지를 흡수함으로써 터널내 소음의 크기를 감소 시킬 수 있다. 이중 흡음블록은 다른 소음저감 장치 에 비해 설치의 큰 제약이 없고, 쉽고 빠르게 설치가 가능하여 일부 구간에서 시범적으로 적용되고 있지 만 고속철도차량의 실제 운영 환경에서 그 성능의

검증이 이루어지지 않고 있다.

흡음 블록의 성능에 대한 연구는 이미 활발하게 진행 중이다. Lee et al.^[1]은 흡음블록의 성능을 높이 기 위하여 흡음블록 성분의 14 개의 배합비를 조절 하여 잔향시간을 측정하고 흡음률을 계산했다. Park et al.^[2]은 흡음블록의 형상에 따라 흡음률의 변화를 확인하였다. 또한 Hong et al.^[3]은 흡음재를 도시철도 에 설치하여 도시철도 실내에서 소음도를 측정 평가 하였다. 이상과 같이 다소 주행 속도가 느린 도시철 도에 대한 흡음블록 효과는 일부 연구가 진행되었지 만 KTX와 같이 고속으로 주행하는 철도 차량에 대 한 흡음블록의 효과에 대한 연구가 진행되지 않았 다. 특히 KTX과 같은 고속철도차량의 경우 구름소 음과 같은 진동소음과 더불어 공력소음이 소음원으 로 중요하게 작용하여 흡음블록의 효과에 대한 정량 적인 평가가 필요한 실정이다.

본 연구에서는 실제 운행 중인 KTX 차량과 호남 선에 위치한 달성터널의 일부 구간을 대상으로 흡음 블록 설치전 ‧ 후에 실내소음을 측정함으로써 흡음 블록의 실내소음에 미치는 영향을 정량적으로 평가 하였다. 실내소음의 정량적인 평가를 위해 등가소음 도를 사용하였다. 흡음블록이 설치된 터널 전체의 등가소음도 뿐만 아니라 흡음블록 설치 위치에 있을 때의 등가소음도를 계산하여 비교를 실시하였다. 또 한 흡음블록의 주파수별 흡음특성과 객실 내부 장치 소음이 영향을 주는 주파수 영역의 영향을 고려하기 위하여 가청주파수 영역대에서의 1/3-octave band level 분석도 추가로 수행하였다. 측정시의 열차운행 조건과 객차, 환경 요인들에 의한 영향을 고려하기 위하여 달성터널 앞뒤에 위치한 터널내 실내소음측 정결과를 보정하여 흡음블록에 의한 영향을 최대한 객관적으로 평가하고자 하였다. 마지막으로 잔향실 에서의 실험을 통하여 측정한 흡음블록의 흡음율을 입력값으로 터널내에서 KTX 열차의 터널내부 진행 the sound-absorbing blocks are installed. Finally, through the comparison of predicted 1/3-octave band SPLs for the KTX interior noise with the measurements, the understanding of noise reduction mechanism due to sound-absorbing blocks is enhanced.

Keywords: Sound absorption block, Equivalent sound pressure level,



시 내부소음을 예측하고 측정값과 비교하였다.

II. 현장 측정 실험

측정은 흡음블록 부설 전 ‧ 후 각각 상행 3회 하행 3 회로 총 6회의 측정을 실시하였다. 실제 차량에 탑승 한 승객이 실제 경험할 수 있는 소음의 정도를 측정 하기 위해 광주 ↔ 정읍 사이를 오가는 KTX에서 승 객이 동승한 상태에서 측정을 실시하였다.

Fig. 1의 위성 사진에서 볼 수 있듯이 광주와 정읍 사이에 위치한 달성터널은 앞뒤로 2개의 터널이 설 치되어 있고, Table 1에서는 각 터널의 길이와 달성터 널의 위치를 확인할 수 있다. 달성 터널과 터널3 사이 의 거리는 약 1.64 km, 달성터널과 터널1 사이의 거 리는 약 0.36 km 이다. 측정구간은 광주 정읍 사이에 위치한 달성터널을 포함한 연속된 3개의 터널에서 측정을 하였는데, 달성터널을 제외한 2개의 터널을 측정한 이유는 운행마다 소음에 영향을 줄 수 있는

환경오차(운행속도, 날씨, 운전자의 습관, 승객, 차 량상태 등)를 고려하여 추후 보정값을 계산하기 위 한 것이다. 흡음블록이 설치된 구간은 익산 ⟶ 광주 방향으로 달성터널을 500 m 진입 후 400 m의 길이로 설치되었다. Table 2에서 측정에 사용한 장비를 나타 내었다.

측정 위치는 Fig. 2와 같이 열차의 객실 중앙에 설 치하였고, 4인 가족석에서 측정을 실시하였다. 열차 의 평상 운행 시 승객이 경험할 수 있는 소음을 측정 하기 위해 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning) 이 작동하고 객실의 양쪽 문은 폐쇄된 상태에서 측 정을 하였다.

Fig. 3은 실제 가족석에 설치한 마이크로폰을 차량 외부에서 찍은 사진이다. 그림에서의 마이크로폰의

Fig. 1. Satellite view of tunnel location (top direction:

north, bottom direction : south).

Table 1. Detail information of three tunnels.

mark tunnel length

tunnel 3 4.14 km Dalseong tunnel 1.36 km tunnel 1 1.40 km

※ Dalseong tunnel : 330-2, Dalseong-ri, Bugi-myeon, Jang- seong-gun, Jeollanam-do

Table 2. Measurement equipments.

Type Model

microphone B&K 4189 pre-amplifier B&K 2674

recoder LMS scadas mobile SCM02

laptop hp 8570p

calibrator B&K 4231

Fig. 2. Location of microphone in a KTX cabin.

Fig. 3. Installation of microphone and tripod at family

seats in KTX.

측정 높이는 객차바닥에서 120 cm로 ISO 3381^[4]를 준 용한 높이이고 이는 의자에 탑승한 승객의 귀 높이 에 해당한다. 마이크로폰의 측정 방향은 천장을 향 해 설치하였고, 삼각대 및 BNC케이블의 흔들림으로 인한 노이즈를 줄이기 위해 테이프를 이용하여 고정 하였다.

Fig. 4에서 계측기 및 노트북으로 측정상태를 확인 하는 사진을 나타내었다. 노트북 및 계측기의 전원 은 KTX내부에 설치된 콘센트를 이용하였다. 계측기 와 마이크로폰을 연결하는 BNC커넥터는 운행 시 발 생하는 진동에 의한 노이즈를 방지하기 위해 테이프 로 고정을 하였다. 계측기의 sampling rate는 51,200 Hz 이지만 노트북으로 계측상태를 확인할 때는 0.1 s의 로깅주기로 모니터링을 하며 계측의 이상여부를 확 인 하였다.

측정 당시 차량의 터널 진·출입 시간은 창문 밖을 동영상(29 frame/s)으로 촬영을 통해 확인하였다. 흡 음블록의 위치는 철도차량이 일정한 속도로 터널을 주행한다는 가정 하에 촬영한 동영상의 시간과 터널 의 길이를 바탕으로 평균속력을 구하여 흡음 블록 위에서 주행하는 시간을 계산했다.

III. 측정 결과

흡음블록 설치 전 ‧ 후의 비교를 위해 소음이 큰 폭 으로 변화하고 불규칙적인 특성을 가질 때 일반적인 소음의 평가량으로 사용하는 등가 소음도를 사용하 였다. 시간-주파수 분석을 위해 hanning window를 사

용하였고, 청감 곡선은 A-weighting을 적용하였다. 계 산 주파수 영역은 사람의 귀가 인지할 수 있는 20 Hz ~ 20,000 Hz 사이의 가청 주파수 대역이며, 평균(averaging) 을 한 주기는 0.5 s이며 overlap 은 50 %로 하여 계산을 실시하였다.

열차는 터널 구간에서 일정한 속도로 운행한다고 가정 하고 열차의 평균 속력을 계산 후 흡음블록 위를 달리는 시간을 계산하였다. 열차의 평균 속도는 Table 3과 같다. Table 3에서 부설 전 × 표시는 일반 KTX 열차가 아닌 KTX-산천 차량이며 소음도 계산을 실시하지 않았다. 그 이유는 KTX -산천 차량의 경우 기존의 20량인 KTX와 비교하여 10량으로 길이가 짧 고, 부착된 장비의 차이가 있으며 KTX 차량과 다른 선두부를 가지고 있어서 소음 발생 메카니즘의 차이 가 있을 거라 판단되었기 때문이다. 부설후의 2회차 의 × 표시는 측정 중 탑승객 또는 승무원이 지나가거 나, 전화 통화와 같은 소음으로 인해 오염된 신호라 고 판단하여 측정값에 대한 분석을 실시하지 않았다.

Fig. 5는 측정 시 실시간으로 모니터링 한 음압의 시변 그래프이며 양쪽 끝의 2개의 막대는 측정 차량 의 호차가 터널을 진입 및 진출 할 때를 나타내고, 안 쪽의 2개의 막대는 등속도 운동을 한다고 가정하여 계산한 흡음블록 위에서 주행을 할 때의 구간을 나 타낸다. Fig. 5에서 위의 그래프는 부설 전 하행의 운 행시의 결과이고 아래 그래프는 부설 후 2차 하행의 결과이다. Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 등속도 운동 을 한다고 가정하여 차량이 터널에 진출입 했을 때, 흡음블록 위를 지나갈 때, 각각 음압레벨이 증가, 감 소하는 경향을 명확히 보이고 있다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4. Laptop and recoder on family seat table.

Table 3. Speed of trains for each measurement.

install turn

Up stream (km/h) Down stream (km/h) tunnel

1 Dal- seong

tunnel 3

tunnel 1

Dal- seong

tunnel 3

before

1 256.6 262.7 280.2 230.7 219.0 185.6

2 277.6 278.3 261.9 X X X

3 X X X X X X

after

1 279.5 282.8 286.7 262.0 248.1 221.7

2 281.6 X 259.5 246.2 X 206.4

3 249.0 255.2 264.9 259.4 251.8 222.1

Table 4에서 측정 결과를 바탕으로 흡음블록 설치 전 ‧ 후의 등가소음도의 변화를 나타내었다. 등가 소 음도는 측정한 음압레벨을 에너지 평균하여 얻었다.

표에서 ’tunnel’은 등가 소음도를 흡음블록이 설치된 터널 전체를 기차가 통과할 때 걸린 시간을 고려하 여 계산한 것이며 탑승한 차량의 호차가 터널을 진

입하는 시간부터 터널에서 이탈하는 시간까지를 터 널구간으로 정의 하였다. ‘block’은 측정위치가 터널 진입 후 흡음블록 위를 달리기 시작 할 때부터 흡음 블록 위를 이탈하는 시간까지를 고려한 경우를 나타 낸다. 터널 전체를 계산하였을 때 상행이 1.8 dB(A) 감소하며, 하행은 1.0 dB(A) 증가하였다. 철도 차량 이 터널의 흡음블록 위를 지나갈 때는 상행이 1.9 dB(A)가 감소하고 하행은 변화가 없었다. 보정값 계 산은 달성 터널 바로 전 ‧ 후에 위치한 2개의 터널에 서 측정한 값을 사용하여 측정 시 열차운행조건, 객 차상태, 주변환경에 의한 원인을 고려하기 위하여 계산을 실시하였다. 계산은 터널1과 터널3에 대하여 흡음블록 설치 전 ‧ 후에 측정한 값을 각각 음압평균 하고, 평균값의 차이를 평균하여 계산하였다. 이렇 게 계산한 보정값은 상행에서는 +0.05 dB(A), 하행에 서는 -2.0 dB(A)이다. 달성 터널 외의 2개의 터널의 보 정값을 달성 터널에 적용 시킬 수 있었던 이유는 3개 의 터널을 포함 한 거리가 약 10 km로 운행 속도에 비 해 다소 거리가 짧고 연속적으로 위치해 있어서 운 행 속도, 날씨, 차량의 노후상태, 철도의 상태등의 환 경적인 요인이 모든 터널에 동일하게 적용한다고 볼 수 있기 때문이다. 사용한 데이터의 측정차량은 모 두 일반적인 KTX이며 KTX-산천의 데이터는 사용하 지 않았고, 운행 시 승객에 의한 소음 중 전화 소리, 사람이 지나가는 소리 등과 같은 심한 소음은 오염 된 데이터로 판단하여 사용하지 않았다. 결과적으로 사용한 데이터는 상행은 부설 전 ‧ 후 각각 2회의 데 이터를 사용하였고, 하행은 부설 전 ‧ 후 각각 1, 2회 데이터를 사용하였다.

KTX의 소음 측정 시 HVAC뿐만 아니라, 모터와 같 은 기기 장치의 소음이 상당히 발생하지만 이러한 장치 소음은 흡음 블록을 거치지 않고 객실로 바로 전파되기 때문에 흡음 블록의 영향을 거의 받지 않 는 성분이다. 또한 이러한 기기소음은 기차의 종류 나 노후화에 따라 소음 성능에 큰 차이를 보이게 된 다. 따라서, 이러한 장치소음의 영향을 가늠하기 위 하여 1/3-octave band 스펙트럼 분석을 통하여 흡음블 록의 설치 전 ‧ 후의 소음레벨을 주파수 대역별로 비 교해 보았다.

Fig. 6에서 상행 열차의 흡음블럭 부설 전 ‧ 후 흡음

Fig. 5. Time variation of sound pressure level measured in a cabin of KTX train running in open field and in Dalseong tunnel [top : before installation, down : after installation, x axial : time (s), y axial : sound pressure level {dB(A)}].

Table 4. Equivalent sound pressure level at tunnel and sound absorption block.

Direction type 

change ^

change (with correction) Up

train

tunnel ▼1.8 ▼1.7

block ▼1.9 ▼1.8

Down train

tunnel ▲1.0 ▼1.0

block ▬0.0 ▼2.0

블록 위에서 주행 할 때의 1/3-octave band 스펙트럼을 비교하였다. 첫 번째 측정의 경우 흡음블록 부설 후 500 Hz ~ 4000 Hz 사이의 주파수 밴드에서는 감소하 나 그보다 저주파수 대나 고주파수 대에서는 큰 차 이가 없거나 오히려 증가하는 영역도 확인된다. 두 번째, 세 번째 측정의 경우에는 40 Hz 이하 영역대를 제외하고 모든 주파수 밴드영역에서 일정한 감소값 을 나타낸다. 이러한 차이는 앞에서 언급한 장치기 기소음과 더불어 고속철도차량의 운행속도에 따라 공력소음과 구조진동소음의 상대적 기여도 차이에 의한 것으로 판단된다. 이러한 상대적 기여도의 차 이는 다음절의 예측결과와 측정결과의 비교에서 추 가적으로 기술하였다. Fig. 7은 하행 열차의 흡음블 록 부설 전 ‧ 후 흡음블록위를 주행할 때의 1/3-octave band 스펙트럼을 비교하였다. 하행의 첫 번째 측정 결과는 상행의 첫 번째 측정결과 비교와 유사하게 400 Hz ~ 4000 Hz 영역대에서는 흡음블록 부설 후 감 소하였지만 다른 주파수 밴드에는 변화가 없거나 증 가하였다. 두 번째 측정결과도 저주파수 영역대에서

는 같은 경향을 나타낸다. KTX의 경우 500 Hz 이하 에서는 차량에 설치된 장치소음에 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있다.^[5]특히 250 Hz의 주파수를 가지 는 장치에서 큰 소음이 발생 하는 것을 알 수 있다. 따 라서, 500 Hz 대역이하에서의 소음은 부설 전 ‧ 후의 큰 차이를 보이지 않거나 오히려 증가하는 것은 객 실주변의 장치소음에 의한 소음으로 흡음블록의 효 과를 받지 않고 객실로 바로 전파되기 때문이고 측 정 열차의 특성이 많이 반영된 것으로 판단된다. 500 Hz ~ 20,000 Hz대역은 전동소음 및 스퀼소음, 공력소 음이 주요하게 발생하는 주파수 대역이다.^[6,7]그중 전동소음은 1,000 Hz 부근에서 발생한다고 알려져 있으며, 흡음블록 부설 전의 값이 부설 후의 값보다 큰 것을 확인할 수 있다. 여기서 전동소음이 흡음블 록의 효과를 받아 소음이 저감된다는 것을 알 수 있 다. 그 외의 고주파영역에서는 다소 차이를 보이지 않는데 이는 스퀼소음의 주파수 대역으로 스퀼소음 이 커브 구간에서 발생하는 것을 고려하면 직선구간 인 달성터널 에서는 스퀼소음보다 공력소음이 보다 큰 영향을 주는 것으로 판단된다.

Table 5는 흡음블록의 효과를 받지 않는 장치소음 을 제외한 500 Hz ~ 20,000 Hz의 영역에서 계산한 등 가 소음도의 변화량이다. 장치소음을 제외하면 흡음 블록의 효과로 인해 터널 전체에서는 상 ‧ 하행 각각 2.8 dB(A), 0.7 dB(A)이 감소한 것을 확인할 수 있고, 흡음블록의 위를 지나갈 때에는 각각 3.8 dB(A), 6.8dB(A)이 감소한 것을 확인할 수 있다.

IV. 예측값과 측정값 비교

앞 절에서 실제 운행 중인 KTX의 실내소음을 측

Fig. 6. 1/3-octave band spectrum of noise measured in cabin for up train before and after installation of sound-absorbing blocks.

Fig. 7. 1/3-octave band spectrum of noise measured in cabin for down train before and after installation of sound-absorbing blocks.

Table 5. Equivalent sound pressure level at tunnel and sound absorption block considering 500 Hz ~ 20,000 Hz.

Direction Type 

change ^

change (with correction) Upward

train

tunnel ▼2.8 ▼2.7

block ▼3.9 ▼3.8

Downward train

tunnel ▼0.7 ▼1.0

block ▼4.8 ▼6.8

정하여 터널내부에 설치된 흡음블록의 효과를 분석 하였다. 앞 절에서 기술한 바와 같이 측정값은 여러 환경적인 요인을 포함하여 흡음블록의 실질적인 효 과를 가늠할 수 있는 반면에 제어할 수 없는 여러 요 인으로 인하여 설계자의 입장에서는 흡음블록의 물 리적인 효과를 정확하게 가늠하기에 미흡한 면이 있 다. 따라서 본 절에서는 흡음블록에 의한 KTX 실내 소음 예측값을 측정값과 비교함으로써 물리적인 저 감 메커니즘을 규명하고자 한다. 잔향실에서 측정한 흡음블록의 주파수별 흡음율을 이용하여 터널내부 를 운행중인 KTX열차의 실내소음 변화를 예측하였 다. 소음 예측은 통계적 에너지 해석기법이 적용된 ESI사의 VA-one을 이용하였다.

Fig. 8은 객차 모델의 터널 내 위치와 터널의 공간 이다. 실제 KTX는 철도가 상선, 하선으로 나뉘어져 있어서 운행 시 터널의 한쪽으로 붙어서 운행을 하 지만, 해석에서는 편의상 터널의 중간에서 실시하였 다. Fig. 9는 차량 내 실제 측정 위치와 동일한 위치의 cavity에서 해석결과가 반영되었음을 나타낸다.

Fig. 8의 터널의 바닥 전체에 흡음블록을 설치하였 고, 터널의 벽면에는 흡음블록을 적용 하지 않았다.

또한 터널에서는 airborne noise가 지배적이므로 airborne noise 모델링만으로 소음저감 예측을 실시하였다.^[8]

대상차량이 중간객차이므로 구동장치 소음의 영향 은 거의 없고, 차륜-레일의 전동음과 공력소음이지 배적이다. 따라서 예측에서는 관절형 대차 위치에 차륜-레일 소음원을 위치시키고, 차량의 차체 주변 에 공력소음원을 배치하여 예측값이 부설 전 측정값 에 근접하도록 공력 소음원의 음향파워레벨을 조정 하였다. 차량의 흡음특성, 터널 외벽의 흡음율, 차륜- 레일의 추정 음향파워레벨, 차량 각 부위의 음향 투과 손실 등은 현대로템의 데이터베이스를 활용하였다.

즉, SEA(Statistical Energy Analysis) 해석에서 흡음블록 설치 전 ‧ 후의 차이 만 정량적으로 분석하기 위하여 loss factor에 대항하는 각 sub-system의 TL(Transmission Loss)만 반영하여 해석하였다. Fig. 10에서 해석에 적 용한 흡음블록의 흡음율과 각 구조물의 음향 투과 손실 값을 제시하였다.

예측 시 터널 내 열차외부의 음향파워를 예측해야 하는 난점을 해결하기 위하여 부설 전 실내 측정값을

이용하여 외부의 공력소음원에서의 음향파워레벨을 예측하였고, 이때 차륜 - 레일의 소음도는 115 dB(A) / axle로 예측되었다. 이후 예측한 외부음향파워레벨 과 터널 바닥면에 설치된 흡음블록의 흡음율을 적용

Fig. 8. Computational domain of train model in tunnel.

Fig. 9. Position of sensor in train model.

Fig. 10. Sound-absorption coefficients of sound-absor-

bing blocks (upper) and transmission loss of train’s

sub-system (lower).

하여 부설 후의 열차객실 내부소음을 예측하였다.

차체 주변의 공력 소음원은 점음원으로 모델링 하였 으며 위치 및 개수는 Fig. 11과 같다.

비교대상 측정값은 부설 전 상행 2차와 부설 후 상 행 3차를 선정하였다. Fig. 12는 부설 전후의 측정값 과 부설전의 데이터를 이용하여 흡음블록이 설치되 지 않았을 때의 터널내 소음도와 부설후의 터널내 소음도값을 1/3-octave band로 예측값을 비교하여 나 타낸 그래프이다. Fig. 12에서 살펴 볼 수 있듯이, 전 주파수 대역에서 부설 후 측정값과 예측값이 잘 일 치하는 경향을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 모 두 250 Hz에서의 높은 소음도값을 확인할 수 있는데 이는 KTX의 차량의 기기장치의 소음으로 대게 500 Hz 이하의 주파수 대역에서 확인할 수 있다. 기기장 치에 의한 주파수 대역을 제외한 500 Hz 이상에서의 상대적으로 그래프는 경향성을 보다 비슷하게 나타 나는 것을 확인할 수 있고, 부설후의 측정값과 예측 값이 보다 일치하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 예측을 통한 흡음블록의 저감효과는 4 dB(A) 으로 나타났다.

V. 결 론

본 연구에서는 호남선의 달성터널에 흡음블록 설 치 전 ‧ 후의 KTX 객차 실내소음 측정 및 예측을 통하 여 흡음블록의 효과를 정량적으로 확인하였다. 공력 소음만을 고려한 흡음블록의 소음 저감량 예측에서 는 4 dB(A)의 저감 효과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 측정 결과는 사람의 가청 주파수 영 역을 고려 했을 때 최대 1.8 dB(A)의 감소를 보였으며 차량이 흡음블록 위를 지날 때는 최대 1.9 dB(A)가 감 소 하였다. 또한 매 측정 마다 발생하는 환경 오차를 적용하면 터널 전체에서는 최대 1.7 dB(A)가 감소하 며, 흡음 블록 위를 지날 때는 최대 2.0 dB(A)가 감소 되는 것을 알 수 있다. 또한 흡음블록을 거치지 않고 객차로 바로 전파되는 차량의 장치소음을 고려하여 500 Hz ~ 20,000 Hz 대역에서의 소음도를 계산해보면 터널전체에서는 최대 2.8 dB(A), 흡음블록위에서는 최대 4.8 dB(A)가 감소하며 보정값을 적용하면 최대 6.8 dB(A)가 감소한 것을 확인할 수 있다. 예측과 실 측이 차이는 장치소음과 예측에서 구조진동에 의한 원인을 고려하지 않았기 때문인 것으로 판단된다.

본 연구에서는 흡음블록의 저감효과를 실제 열차 작동조건에서 측정하여 제시함으로써 향후 소음대 책에 실용적인 도움이 될 것으로 기대한다. 또한 예 측모델의 검증을 위한 자료로도 활용하여 이후 설계 단계에서 소음을 고려할 수 있는 기본 정보로도 활 용할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 연구에서는 보 다 정밀한 흡음블록의 영향을 가늠하기 위해서 기차 의 객차에 따른 영향을 최대한 줄일 수 있는 HEMU-430X 를 대상으로 실험평가를 진행할 예정이다.

감사의 글

본 논문은 국토교통과학기술진흥원에서 지원하 는 “호남고속철도 테스트베드를 활용한 인프라 통 합모니터링 시스템 구축 및 소음저감장치 고도화” 연 구단 과제의 연구성과임을 밝히며, 이에 감사드린다.

이 논문은 2016년도 정부(교육부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초 연구사업임 (No. 2016R1D1A1A09918456).

Fig. 11. Position of point sound sources.

Fig. 12. 1/3-octave band for simulation and measure-

ment results before and after installation.

References

1. H. -J. Lee, S. -T. Oh, and D. -J. Lee, “An optimal mix design of sound absorbing blokc on concrete ballast in urban train tunnel” (in Korean), J. Korean Tunnelling Underground Space Association, 18, 75-82 (2016).

2. T. H. Park, J. H. Ko, K. M. Lee, D. K. Son, and S. I.

Chang, “The effect of shape on the absorption coefficient of noise absorbing block for hi-speed railway” (in Korean), Trans. KSNVE, 2012, 323-324 (2012).

3. C. -K. Hong, Jeong R. T. Jeong, and B. -H. Kim,“A study on an analysis of noise reduction effects using the tentatively installed sound-absorbing materials in metro tunnel” (in Korean), Koeran Society for Railway, 2008.11, 125-131 (2008).

4. KS | ISO 3381 : 2014, Acoustics-measurement of noise inside railbound vehicles.

5. D. J. Kang, I. R. Chung, S. K. Jang, C. Y. Seo, J. C.

Park, Y. C. Kim, and J. K. Hong. “Characteristic of high speed railway noise” (in Korean), National Institute of Environmental Research (2001).

6. J. S. Ryue and S. H. Jang, “Comparison of track vibration characteristics for domestic railway tracks in the aspect of rolling noise” (in Korean), J. the Korean Society for Railway, 16, 85-92 (2013).

7. I. -K. Na and B. -C. Goo, “Frequency band of the squeal noise of KTX trains” (in Korean), J. the Koreans Society for Railway, 2013, 1137-1141 (2013).

8. H. S. Lim, H. S. Jang, J. H. Kim, B. H. Kim, and K. -B.

Park, “Advanced transfer path analysis of interior noise for the electric multiple unit” (in Korean), J.

KSNVE, 27, 2017, 389-396 (2017).

저자 약력

▸이 상 헌 (Sang‑heon Lee)

2018년 8월: 부산대 기계공학부 학사 2018년 9월 ~ 현재: 부산대 기계공학부 석

사과정

▸정 철 웅 (Cheolung Cheong)

1997년 2월: 서울대학교 항공우주 학사 1999년 2월: 서울대학교 항공우주 석사 2003년 2월: 서울대학교 기계항공 박사 2003년 3월 ~ 2004년 8월: 서울대학교 기

계항공 BK21 박사후연구원

2004년 9월 ~ 2005년 5월: ISVR, University of Southampton, Post-Doctoral Research Associate

2005년 6월 ~ 2006년 2월: 한국표준과학 연구원 선임연구원

2006년 3월 ~ 현재: 부산대학교 기계공학 부 교수

▸이 송 준 (Song‑June Lee)

2010년 2월: 부산대학교 기계공학 학사 2016년 2월: 부산대학교 기계공학석사 2016년 3월 ~ 현재: 부산대학교 기계공학

박사과정

▸김 재 환 (Jae‑Hwan Kim)

2003년 2월: 부산대학교 기계공학 학사 2005년 2월: 서울대학교 기계항공 석사 2010년 8월: 서울대학교 기계항공 박사 2010년 9월 ~ 2011년 8월: 서울대학교 환

경소음진동연구센터 박사후연구원 2011년 8월 ~ 2012년 12월: 현대로템 기술

연구소 연구원

2013년 1월 ~ 2015년 1월: 서울대학교 환 경소음진동연구센터 연구팀장 2015년 2월 ~ 2015년 8월: 대우조선행양

선박해양연구팀 연구원

2015년 8월 ~ 현재 : 현대로템 기술연구소 연구원

▸손 동 기 (Dong-Gi Son)

2001년 2월: 부산대학교 건축공학 학사 2001년 3월 ~ 현재: (주)지이티-피씨 연구

소장

▸심 규 철 (Gyu‑Cheol Sim)

2005년 2월: 부산대학교 기계공학 학사

2005년 3월 ~ 현재: (주)지이티-피씨 차장