A Study on Development of the Prediction Model Related to the Sound Pressure in Terms of Frequencies, Using the Pass-by and NCPX Method

(1)

ABSTRACT

PURPOSES : The methods of measuring the sound from the noise source are Pass-by method and NCPX (Noble Close Proximity) method.

These measuring methods were used to determine the linkage of TAPL (Total Acoustic Pressure Level) and SPL (Sound Pressure Level) in terms of frequencies.

METHODS : The frequency analysis methods are DFT (Discrete Fourier Transform) and FFT (Fast Fourier Transform), CPB (Constant Percentage Bandwidth). The CPB analysis was used in this study, based on the 1/3 octave band option configured for the frequency analysis.

Furthermore, the regression analysis was used at the condition related to the sound attenuation effect. The MPE (Mean Percentage Error) and RMSE (Root Mean Squared Error) were utilized for calculating the error.

RESULTS : From the results of the CPB frequency analysis, the predicted SPL along the frequency has 99.1% maximum precision with the measured SPL, resulting in roughly 1 dB(A) error. The TAPL results have precision by 99.37% with the measured TAPL. The predicted TAPL results at this study by using the SPL prediction model along the frequency have the maximum precision of 98.37% with the vehicle velocity.

CONCLUSIONS : The Predicted SPL model along the frequency and the TAPL result by using the predicted SPL model have a high level of accuracy through this study. But the vehicle velocity-TAPL prediction model from the previous study by using the log regression analysis cannot be consistent with the TAPL result by using the predicted SPL model.

Keywords

FFT(Fast Fourier Transform) analysis, CPB(Constant Percentage Bandwidth) analysis, Regression analysis, MPE(Mean Percentage Error), RMSE(Root Mean Squared Error), SPL(Sound Pressure Level), TAPL(Total Acoustic Pressure Level)

Pass-by계측과 NCPX계측에 의한 주파수 별 음압 예측 모델 개발에 관한 연구

A Study on Development of the Prediction Model Related to the Sound Pressure in Terms of Frequencies, Using the Pass-by and NCPX Method

김`도`완 Kim, Do Wan 정회원·서울과학기술대학교 건설공학과 석사과정 (E-mail: [email protected]) 문`성`호 Mun, Sungho 정회원·서울과학기술대학교 건설공학과 조교수·교신저자 (E-mail: [email protected]) 안`덕`순 An, Deok Soon 정회원·한국건설기술연구원 수석연구원 (E-mail: [email protected])

손`현`장 Son, Hyeon Jang 한국건설기술연구원 연구원 (E-mail: [email protected])

Corresponding Author : Mun, Sungho, Assistant Professor Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science & Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul, 139-743, South Korea

Tel : +82.2.970.9014 E-mail : [email protected]

International Journal of Highway Engineering http://www. ijhe.or.kr/

ISSN 1738-7159 (Print) ISSN 2287-3678 (Online)

Int. J. Highw. Eng. Vol. 15 No. 6 : 79-91 December 2013 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2013.15.6.079

1. 연구배경 및 목적

차량이 주행하는 경우 차량의 타이어와 노면 사이에서

발생하는 소음을 측정하는 방법으로는 주행도로 외부의

고정위치에 마이크로폰을 설치하여 소음도를 측정하는

(2)

Pass-by 계측방법, 타이어 인접위치의 휀더패널에 표 면마이크로폰을 설치하여 마찰소음도를 측정하는 NCPX(Noble Close ProXimity) 계측방법이 존재한다.

Pass-by계측으로 인한 방법은 환경적인 소음을 측정 할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, NCPX계측으로 인 한 방법은 노면상태에 따른 노면과 차량의 타이어간의 마 찰음을 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이 두 가지 방법에 대한 주파수 별 음압을 예측가능하다면 환경적 소 음도와 마찰소음도 모두를 도출할 수 있다. 이러한 Pass-by와 NCPX계측방법으로 인한 주파수 별 음압은 상호적인 관계를 가지기 때문에 음향의 방사조건에 대한 보정이 이루어질 경우 두 계측방법 중 한 방법을 사용하 더라도 나머지 계측방법에 의한 주파수 별 음압을 예측 가능하다. 또한 분석 또는 예측되어진 주파수 별 음압을 이용하여 소음 데시벨을 구할 수 있다는 점에서 지역의 소음 데시벨 및 마찰소음 데시벨 결과를 도출할 수 있다.

이와 관련하여 본 연구에서는 한 지역에서 측정되어 진 주파수 별 음압을 분석하여 Pass-by 또는 NCPX 계측방법에 의한 음압 예측 모델을 개발하고자 한다.

2. 소음 계측방법

도로에서 발생하는 소음은 사용목적에 따라 다양한 방 법으로 측정되어질 수 있다. 일상생활에서 해당지역의 환경적 소음도를 간단하게 측정할 목적을 가지고 있는 경우 사용하는 DSLM(Digital Sound Level Meter)방 법, 고정위치에 마이크로폰을 설치하여 차량이 지나가 는 경우 지역적 환경소음도를 측정하여 주파수에 따른 특성을 세부적으로 판단할 목적을 가지고 있는 경우 사 용하는 Pass-by계측방법, 타이어 인접위치에 표면 마 이크로폰을 설치하여 차량의 타이어와 도로 노면 사이 에서 발생하는 마찰소음도를 측정할 목적으로 사용되는 NCPX(Noble Close ProXimity)계측방법 등 그 목적 에 따라 측정방법이 다양하다. 이 중 본 연구에서 예측 모델 구축과 관련된 소음계측방법은 NCPX계측방법과 Pass-by계측방법이다.

2.1. Pass-by Method

Pass-by 측정방법은 지정된 측정차량이 마이크로폰 이 설치된 위치의 수평 동일선상을 지나가는 경우 발생 하는 환경적 소음을 측정하는 소음계측방법이다. Pass- by 측정방법은 차량으로부터 일정거리 떨어진 지점에서 도로를 지나가는 차량의 환경적 소음을 계측하는 방법이

기 때문에 주변환경, 시설, 온도 및 습도 등에 따라 음향 의 방사, 회절에 민감한 측정방법이다. 따라서 마이크로 폰의 사양 및 설치위치에 대한 고려를 하여야 한다. 다음 Fig. 1은 측정당시 Pass-by 측정사진이다.

Pass-by 계측방법은 여러 차량의 이동에 따른 현장 소음도를 측정할 수 있으며, 연속적인 측정이 가능하다 는 장점을 가지고 있다. 반면 차량과 도로에서 발생하는 음향 외에 원하지 않는 음향이 함께 측정될 수 있다는 단점과 이러한 음향의 중첩, 방사, 회절의 감쇠를 고려 하여 음향파워레벨을 산정하기 때문에 다른 계측방법에 비하여 모델이 복잡하다는 단점을 가지고 있다.

2.2. NCPX Method

NCPX 측정방법은 타이어에서 인접한 휀다페널에 표 면마이크로폰을 설치함으로써 차량의 타이어와 노면의 접지면의 마찰이 가지는 소음을 측정하려는 목적을 갖 는 경우에 사용할 수 있는 계측방법이다. 이는 이물질과 바람의 영향을 최소화하기 위하여 차량의 앞바퀴 근처 전방에 마이크로폰을 설치하며, 노면과 타이어에서 가 장 근접한 곳에 위치하기 때문에 음향의 회절이나 방사 에 영향을 적게 받으며 보다 정확한 마찰음을 측정할 수 있다. 다음 Fig. 2는 측정당시 NCPX계측을 위한 표면 마이크로폰의 부착위치를 나타낸다.

하지만 NCPX계측방법은 차량의 내부에서 발생하는 엔진 및 냉각장치 등의 소음을 함께 측정할 수 있다는 단 점을 가지고 있으며, 이러한 영향 및 바람에 대한 영향은 거의 받지 않는다는 것을 기존 논문에서 판명하였기 때 문에 자세한 언급은 하지 않도록 한다(한봉구, 김도완, 문성호, 김하연, 배운신(2013), NCPX계측방법을 이용 한 타이어/노면 사이에서 발생하는 마찰소음에 대한 차 량자체에서 발생하는 소음제거 연구). 따라서 NCPX계

Fig. 1 Pass-by Method

(3)

측방법은 포장 노면의 상태에 대한 평가를 실시하는 경 우에 사용되는 소음도 계측방법이라 할 수 있다.

3. 현장 소음 측정

3.1. 소음측정 현장

본 연구의 목적인 주파수 별 음압의 예측 모델에 대한 기본적 음향데이터를 구축하기 위하여 경기도 가평의 아스팔트 포장 도로와 포천의 콘크리트 포장 도로에서 소음 측정을 실시하였다. 다음 Fig. 3은 측정을 실시한 현장의 위치를 나타낸 그림이다.

3.2. 현장 소음측정 조건

본 연구의 수행과정에서 측정되는 차종은 일반 승용차 (Sonata)와 SUV(Sport Utility Vehicle, Veracruz) 두 가지로 나누어 측정을 실시하였다. 차종을 두 가지로 나눈 이유는 차량에 따라 주파수 별 음압레벨이 다르기 때문에 오차가 다를 가능성을 고려한 것이다. 음향측정 시 차량의 주행속도는 60, 70, 80, 90, 100km/hr로 정 하였으며, 이는 속도에 따른 주파수 별 음압을 예측하기 위함이다. 또한 Pass-by측정을 위한 마이크로폰의 위 치는 주행 중인 차량의 중심으로부터 수평거리 7.5m와 10m, 수직거리 1.2m에 두어 총 2개의 마이크로폰으로 측정을 실시하였다(Fig. 4 참조).

3.3. 소음측정 시 사용 마이크로폰

현장에서 소음을 측정하는 경우 NCPX계측방법과 Pass-by계측방법에 사용되는 마이크로폰은 엄연히 다 르다. Pass-by계측방법에 사용되어지는 마이크로폰은 B&K사의 B&K 4189-A-021, CCLD 타입의 전치증폭 기(Preamplifier)를 가진 자유음장 마이크로폰을 사용 하였다(Fig. 5 참조). Table 1은 Pass-by 측정에 사용 되어진 마이크로폰의 사양을 나타낸다.

(a) Asphalt Road

Fig. 4 Pass-by Method Microphone Location Fig. 2 Location for Installation of the Surface Microphone

(b) Concrete Road

Fig. 3 Site Location

Fig. 5 B&K 4189-A-021 Microphone

(source : www.bksv.com)

(4)

NCPX계측방법에서 사용되어진 마이크로폰은 곧은 표면에 설치하기 위해 제작되어진 B&K사의 B&K CCLD Type 4949 표면마이크로폰을 사용하였다. 이 표면마이크로폰은 항공기와 같은 유속이 빠른 경우 소 음을 측정하기 위해 제작되었으며 음향을 측정하는 것 에 있어서 공기의 유속에 미치는 영향에 대하여 기존의 연구에서 평가를 실시하였다(Cho and Mun, 2008a, 2008b, 2008c; Mun and Cho, 2009). 다음 Fig. 6과 Table 2는 표면마이크로폰에 대한 것이다.

4. 기본음향이론(Basic Sound Wave Theory) 및 디지털 신호처리(DSP, Digital Signal Processing)

일상생활에서 들을 수 있는 모든 음향은 주파수대역 에 대한 음압(Sound Pressure)을 가지고 있다. 또한 이러한 주파수 별 음압은 기본음향이론에 의하여 총 음 압레벨(SPL, Sound Pressure Level)로 도출될 수 있

으며 이를 데시벨(dB(A), Decibel)로 표현 가능하다.

특정음향으로부터 그 특성을 파악하고 총 음압레벨로 산정하는 모든 과정을 디지털신호처리(DSP, Digital Signal Processing)라하며 이 과정에서 기본적으로 사 용되는 이론이 기본음향이론이다.

4.1. 기본음향이론

소음이 발생되는 소음원으로부터 음향이 전파되며, 본 연구에서 음향의 전달매질은 공기로 판단한다. 음향 이 전달되는 과정에서 음향은 특정한 압력을 가지고 전 달되는데 이러한 압력변화의 크기를 음압(SP, Sound Pressure)이라하며 전달되는 음향입자의 속도를 입자 속도라 한다.

전달되는 음향의 크기를 정량적으로 표현하기 위해 기본음향이론에서는 순시음압의 실효치를 음압이라고 하며 기본단위는 파스칼(Pa)로 그 크기를 나타낸다. 이 러한 음향의 크기 단위를 음압이라고 하며 다음과 같은 식에 의해 표현된다.

여기서 는 대상 음향의 압력을 나타내고, 는 일반 성인의 최소 가청음압(20×10

^-6

)을 나타낸다. 이러한 음압의 크기는 음원이 점음원인지 선음원이지, 그리고 전달공간이 자유공간인지 빈자유공간인지에 따라 음향 파워레벨(PWL, sound PoWer Level)로부터 산정되어 지는 방법이 달라진다. 다시말해 음파(Sound Wave)의 회절이나 굴절의 발생에 의해 음압의 크기가 달라지는 것에 대하여 공학적 수치가 필요하다. 이것을 총 음압레 벨(TAPL, Total Accoustic Pressure Level)이라고 하며 다음과 같이 주파수 별 음압의 합으로 데시벨 (Decibel)화 할 수 있다.

4.2. 디지털 신호처리 및 주파수 분석

Pass-by계측방법에 사용되어지는 마이크로폰과 NCPX계측방법에 사용되는 표면마이크로폰에 의하여 도로에서 발생하는 음향이 아날로그 신호로 받아지게 된다. 이러한 음향의 아날로그 신호는 각각의 펄스장비 에 의하여 디지털신호로 변환되어지게 되고, 변형된 디 Fig. 6 B&K CCLD Type 4949 Surface Microphone

Table 2. B&K CCLD Type 4949 Surface Microphone Performance

Dynamic range 30dB to 140dB Frequency range 5Hz to 20kHz

Diameter 1/2 inch

Temperature Range -30℃ to 100℃

Type CCLD

(1)

(2)

Table 1. B&K 4189-A-021 Microphone Performance

Dynamic range 14.6dB to 138dB Frequency range 20Hz to 20kHz

Diameter 1/2 inch

Type CCLD

(5)

지털신호는 디지털신호처리 중 주파수 분석을 통해서 주파수 별 음압의 크기로 도출되어진다. 또한 주파수 별 음압의 크기는 기본음향이론에 의하여 총 음압레벨로 산정되어질 수 있다.

디지털신호로 변환하는 과정에서 마이크로폰에 의하 여 아날로그 신호를 받아 이를 펄스장비로부터 진폭과 주기를 갖는 디지털신호로 변환시켜 시간에 대한 음향 의 크기를 정량적으로 표현 가능하게 해준다.

디지털신호로 변환된 시간에 대한 음향의 압력은 주 파수분석을 통해 원시음향의 주파수 별 특성을 구할 수 있게 된다. 주파수 분석은 기본적인 주파수의 옥타브에 의존하게 된다.

본 연구에서 수행되는 1/3 옥타브 밴드 폭은 한 옥타 브를 3가지 단계로 나누는 방법이다. 또한 기본적으로 음향에서 사용하는 옥타브 주파수는 20Hz에서 20kHz 를 사용하여 음압을 나타낸다. 밴드주파수의 한 옥타브 값은 20, 40, 80, 160, 315, 630, 1.25k, 2.5k, 5k, 10k, 20k이다.

주파수 분석으로는 주파수 별 음압의 크기를 이산적 으로 표현이 가능한 이산푸리에변환(DFT, Discrete Fourier Transform)분석, 이산푸리에변환분석의 반 복적 계산과정을 수학적으로 빠르게 계산하고, 이산적 신호를 선형연속으로 표현가능한 고속푸리에변환 (FFT, Fast Fourier Transform)분석, 신호의 이산

적 표현을 수행하는 과정에서 중심주파수의 한도 내에 일정한 가중치를 부여하여 주파수 별 음압의 크기를 표 현가능한 CPB(Constant Percentage Bandwidth) 분석방법 등이 존재한다. 이중 특정 주파수 별 음압의 특성 분포를 정확하게 확인할 목적을 가지고 있는 경우 대부분 FFT분석을 활용하며, 전체적 음향의 주파수 별 음압의 분포를 확인하고 싶은 경우 CPB분석을 활 용한다. Fig. 7은 FFT 및 CPB분석에 따른 결과 예를 보여준다.

본 연구에서는 음향의 특성을 파악하기보다 음향의 크기만을 이산적으로 판단할 필요가 있기 때문에 CPB 분석을 수행하였으며, 이에 대하여 1/3 옥타브밴드 폭 에 일정한 가중치를 부여하였다.

5. 주파수 별 음압 예측모델 이론

본 연구에서 Pass-by계측방법과 NCPX계측방법을 이용하여 주파수 별 음압을 예측하기 위한 기본 모델은 ISO 9613-2(1996)에서 제안하는 음향전달식이며 본 연구에서 제안 예측모델은 다음 식에 의하여 표현 가능 하다.

여기서 와 는 Pass-by계측방법, NCPX계측방법에 의한 주파수 별 음압이며, 는 지향 성, 는 음향이 전달되는 경우 여러 조건에 해당하 는 음향감쇠계수(SRI, Sound Reduction Index), 는 제안 예측모델에 대한 전체보정계수(Correlation Coefficient)를 의미한다.

Pass-by계측방법에 의한 음향을 측정하는 과정에서 소음원으로부터 시작되는 음향은 마이크로폰에 도달할 때까지 회절되고 굴절된다. 또한 음향의 방사조건에 따 라 음향의 중첩이 될 가능성도 있다. 따라서 음향을 측 정하는 주변환경의 조건이나 온도, 습도 등의 모든 특성 에 대하여 확실하게 인지할 필요가 있다. 또한 지향성은 고려하지 않는다.

예측모델을 산정하기에 앞서 측정되어진 조건에 따라 위 Eq. (3)의 음향감쇠계수를 고려하여야 한다. 이에 대 한 조건을 고려하기 위해 Table 3과 같이 본 연구의 측 정 시 조건을 정리하였다.

(3)

Fig. 7 Frequency Analysis Example

(a) FFT Analysis

(b) CPB Analysis

(6)

음향의 전파에 대한 감쇠는 조건에 따라 다양하다.

ISO 9613-2(1996)에서 정의한 감쇠효과는 지형전달에 따른 감쇠, 온도 및 습도에 따른 감쇠, 차량종류 및 포장 종류에 따른 감쇠, 특수지대에 따른 감쇠, 반사효과에 대한 감쇠, 회절효과에 대한 감쇠, 공기흡음효과에 대한 감쇠 등의 다양한 감쇠가 존재한다.

다양한 감쇠효과 중 본 연구에서는 온도 및 습도에 따 른 감쇠와 지형전달에 따른 감쇠만을 고려하도록 한다.

이는 포장종류 및 차종을 나누어 한 차종 및 한 포장에 대해 따로 측정을 실시하였으며, 지역적 특성에 따른 외 부 구조물에 대한 반사나 회절이 없는 것으로 판단, 특 수지대가 아님을 고려하였기 때문이다.

따라서 본 연구에 해당하는 온도 및 습도에 대한 감쇠 계수의 주파수 별 크기는 ISO 9613-2(1996)에 의하여 다음 Eq. (4)와 같이 계산되며 감쇠요소는 Table 4와 같이 표현 가능하다.

온도 및 습도에 대한 감쇠계수 는 Pass-by 거 리 및 감쇠요소( , SRF: Sound Reduction Factor)에 의하여 결정된다. 여기서 Pass-by 거리는 측정차량으로부터 Pass-by의 마이크로폰까지의 최소 거리이다.

Table 4의 온도 및 습도에 대한 감쇠요소는 본 연구 에서 수행하는 1/3옥타브밴드에 대한 음압의 크기에 대 해 감쇠효과를 적용하는 것에 있어서 주파수 별 감쇠요 소가 확정적이지 않다. 이를 해결하기 위하여 회귀분석 (Regression Analysis)을 사용하였으며, 회귀방정식

의 결정은 단순히 1차 선형회귀방정식부터 n차 비선형 회귀방정식까지 단계적으로 수행하며 두 변수간의 상관 관계를 나타내는 값이 0.999 이상으로 ISO 9613-2의 규정 값과 회귀 값이 99.9% 이상의 적합성을 갖는 경우 의 회귀모델을 사용하도록 하였다. 다음 Fig. 8은 감쇠 계수에 대한 회귀분석 결과를 나타낸 그림이며, Table 5는 본 연구에서 사용되어질 온도 및 습도에 대한 주파 수 별 감쇠요소이다.

Eq. (4)에서 온도 및 습도에 대한 감쇠계수는 측정 차 량부터 Pass-by의 마이크로폰까지 거리에 의해 결정 되며, 또한 이것과 관련하여 음향이 마이크로폰까지 전 달되는 과정의 음향 방사효과에 의한 감쇠가 존재한다.

이 역시 ISO 9613-2(1996)에 의해 다음 Eq. (5)와 같 이 정의된다.

지형의 전달에 따른 감쇠계수는 차량으로부터 마이크 (4)

Table 4. Sound Reducton Factor for 20℃, 70%

Soudn Reduction Factor( )

63Hz 125Hz 250Hz 500Hz 1kHz 2kHz 4kHz 8kHz 0.1 0.3 1.1 2.8 5.0 9.0 22.9 76.6

Fig. 8 Regression Analysis of SRF

Table 5. SRF from Regression Equation (20℃, 70% Condition)

Sound Reduction Factor( )

31.5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 0.18 0.22 0.26 0.32 0.40 0.49 0.60 0.76 0.94 1.17 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 1.46 1.84 2.30 2.89 3.67 4.60 5.78 7.49 9.56 12.35 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 16.43 22.75 32.01 47.80 76.61 125.52 215.47 409.60

(5) Table 3. Measurement Condition

Temp(℃), Moisture(%) 20, 70 Vehicle Velocity(km/hr) 60 70 80 90 100

Pass-by Microphone Location from a Vehicle

1 2

Distance(m) 7.5 10 Height(m) 1.2 1.2

Pavement Asphalt Concrete

Vehicle Sonata Starex

(7)

로폰까지의 거리 와 무차원화시키기 위한 기준거리 ( ) 1m로 계산될 수 있다.

이로 인하여 모든 감쇠효과에 대한 감쇠계수는 다음 Eq. (6)에 의하여 계산된다.

전체 감쇠계수는 온도 및 습도에 의한 감쇠계수가 주 파수영역에 따라 다른 값을 갖기 때문에 주파수에 따른 각각의 합으로 표현되어진다.

6. 주파수 별 음압 분석결과 및 예측결과

본 연구에서는 Eq. (3)을 이용하여 NCPX계측에 따른 주파수 별 음압을 예측하는 것을 목적으로 두고 있다. 따라서 Pass-by계측방법에 의한 2가지 마이 크로폰에 따른 주파수 별 음압은 따로 사용되며 60km/hr와 100km/hr으로만 측정을 실시하였다는 가정을 두어 70, 80, 90km/hr에서의 예측된 주파수 별 음압과 실제 측정된 주파수 별 음압의 차이를 확인 하도록 한다.

6.1. 보정계수

보정계수 값은 차량의 종류와 포장특성에 따라 음향 의 특성이 다르고, Pass-by의 마이크로폰의 설치위치 에 따라 감쇠계수가 변하기 때문에 차종, 포장상태, 마 이크로폰 위치의 조합에 따라 다른 값을 갖는다. 다음 Fig. 9는 다양한 조건에 따른 주파수 별 보정계수를 나 타낸다.

6.2. 주파수 별 음압레벨 결과

앞에서 언급한 것과 같이 보정계수 및 속도에 따른 주 파수 별 음압레벨 별 음압예측 값을 산정하였으며, 기존 에 한 조건에 대해 3회 측정되어진 주파수 별 음압 값은 산술평균화하여 제시하였다.다음 Fig. 10은 각 조건에 대한 주파수 별 음압의 예측 값과 산술평균 실측 값을 나타낸다.

(a) 7.5m-1.2m Microphone Location

(b) 10m-1.2m Microphone Location

Fig. 9 Correlation Coefficient

(a) Asphlat, Sonata, 70km/hr Predicted SPL

(b) Asphlat, Sonata, 80km/hr Predicted SPL

<Figs. Continued>

(6)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

(8)

(c) Asphlat, Sonata, 90km/hr Predicted SPL

(d) Concrete, Sonata, 70km/hr Predicted SPL

(e) Concrete, Sonata, 80km/hr Predicted SPL

(f) Concrete, Sonata, 90km/hr Predicted SPL

(g) Asphlat, Veracruze, 70km/hr Predicted SPL

(h) Asphlat, Veracruze, 80km/hr Predicted SPL

(i) Asphlat, Veracruze, 90km/hr Predicted SPL

(j) Concrete, Veracruze, 70km/hr Predicted SPL

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

(9)

6.3. 예측모델의 오차

본 연구에서 예측한 음향은 주파수 별 음압의 예측 값 과 실제 측정값을 비교하여 오차를 산정할 수 있고 총 음압레벨로 음향을 데시벨화하여 오차를 산정할 수 있 다. 만약 음향의 주파수 별 특성을 파악하여야 하는 경 우, 예측되어진 주파수 별 음압의 오차는 매우 중요한 의미를 갖는다. 반면 NCPX계측방법에서 도로의 특성 을 판단하는 경우 예측 값을 사용한다면 주파수 별 음압 보다 총 음압레벨의 오차가 더 중요한 의미를 갖는다.

이와 관련하여 본 연구에서는 NCPX계측방법에 의한 예측되어진 주파수 별 음압과 총 음압레벨에 대한 오차 를 구하도록 한다.

6.3.1. 주파수 별 음압에 대한 오차

실제 측정되어진 주파수 별 음압에 대하여 오차율을 구 하기 위해서 MPE(Mean Percentage Error)를 산정하 였다. MPE는 다음과 같은 식에 의하여 구할 수 있다.

여기서 는 주파수의 개수이고 와 는 주파 수 별 예측결과와 측정결과에 대한 해당 주파수에서 음 압의 최대값과 최소값을 의미한다. 다음 Table 6은 해당 측정조건에서 산정되어진 MPE 오차율을 나타낸다.

MPE 오차율 산정결과 최대 3% 이하의 오차율을 갖 는 것으로 판단하였으며, 이러한 3% 오차율은 음향을 측정하는 경우 발생할 수 있는 오차율로 판단 가능하다.

이는 NCPX계측에서 나타날 수 있는 오차율 이하이다.

이러한 오차의 크기를 판단하기 위해 RMSE(Root Mean Squared Error)오차를 계산하였으며 다음 식에 의해 산정 가능하다.

(k) Concrete, Veracruze, 80km/hr Predicted SPL

(l) Concrete, Veracruze, 90km/hr Predicted SPL

Fig. 10 Predicted SPL and Measured SPL

(7)

Table 6. MPE Result

Vehicle, Velocity, Pavement MPE(%) Sonata, 70km/hr, Asphalt 1.29 Sonata, 80km/hr, Asphalt 1.81 Sonata, 90km/hr, Asphalt 1.67 Sonata, 70km/hr, Concrete 1.67 Sonata, 80km/hr, Concrete 1.43 Sonata, 90km/hr, Concrete 2.34 Veracruze, 70km/hr, Asphalt 2.37 Veracruze, 80km/hr, Asphalt 0.94 Veracruze, 90km/hr, Asphalt 1.54 Veracruze, 70km/hr, Concrete 2.56 Veracruze, 80km/hr, Concrete 1.59 Veracruze, 90km/hr, Concrete 1.72 (a) Using 7.5m-1.2m Pass-by Microphone SPL

Vehicle, Velocity, Pavement MPE(%) Sonata, 70km/hr, Asphalt 1.24 Sonata, 80km/hr, Asphalt 1.79 Sonata, 90km/hr, Asphalt 1.64 Sonata, 70km/hr, Concrete 1.53 Sonata, 80km/hr, Concrete 1.22 Sonata, 90km/hr, Concrete 2.52 Veracruze, 70km/hr, Asphalt 2.13 Veracruze, 80km/hr, Asphalt 0.90 Veracruze, 90km/hr, Asphalt 1.46 Veracruze, 70km/hr, Concrete 2.87 Veracruze, 80km/hr, Concrete 1.64 Veracruze, 90km/hr, Concrete 1.55 (b) Using 10m-1.2m Pass-by Microphone SPL

(8)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

dB(A)/20.0u Pa

Frequency(Hz)

(10)

RMSE오차를 구한 결과는 다음 Table 7과 같다.

RMSE를 구한 결과 주파수 별 음압의 오차크기는 최 대 2.6dB(A)정도로 관측되었는데 이는 음향에서 상당 한 오차에 해당한다.

6.3.2. 총 음압레벨에 대한 오차

총 음압레벨의 크기는 Eq. (2)에 의하여 산정되어 질 수 있다. 또한 NCPX계측에 의한 결과는 기존의 연구 에서 차량의 주행속도와 총 음압레벨 예측모델을 제안 하였다(Bloemhof, 1986; Cho and Mun, 2008a;

Cho and Mun, 2008b; Cho and Mun, 2008c).

이번 절에서는 기존에 제안된 예측모델과 본 연구에 서 예측되어진 결과의 차이를 확인하고, 실제 측정된

값과 예측되어진 주파수 별 음압을 총 음압레벨로 산정 하였을 경우 오차의 크기를 구하고자 한다. 기본 연구 에서 제안한 차량주행속도에 대한 총 음압레벨 예측모 델은 다음 식과 같다.

여기서 와 는 기존 데이터를 이용하여 추측할 수 있는 계수이며, 는 주행속도, 는 총 음압레벨을 의 미한다. 본 연구에서 측정한 총 음압레벨을 기준으로 Eq. (9)에 적용한다면, Fig. 11과 같은 결과를 얻을 수 있으며 이 과정에서 회귀분석 중 로그회귀방정식으로 표현한 것이다.

Table 7. RMSE Result

(a) Using 7.5m-1.2m Pass-by Microphone SPL

(b) Using 10m-1.2m Pass-by Microphone SPL Vehicle, Velocity, Pavement RMSE

(dB(A)/ 20u Pa) Sonata, 70km/hr, Asphalt 1.295 Sonata, 80km/hr, Asphalt 1.744 Sonata, 90km/hr, Asphalt 1.765 Sonata, 70km/hr, Concrete 1.884 Sonata, 80km/hr, Concrete 1.454 Sonata, 90km/hr, Concrete 2.458 Veracruze, 70km/hr, Asphalt 2.080 Veracruze, 80km/hr, Asphalt 0.908 Veracruze, 90km/hr, Asphalt 1.635 Veracruze, 70km/hr, Concrete 2.495 Veracruze, 80km/hr, Concrete 1.634 Veracruze, 90km/hr, Concrete 1.639

Vehicle, Velocity, Pavement RMSE (dB(A)/ 20u Pa) Sonata, 70km/hr, Asphalt 1.246 Sonata, 80km/hr, Asphalt 1.699 Sonata, 90km/hr, Asphalt 1.745 Sonata, 70km/hr, Concrete 1.815 Sonata, 80km/hr, Concrete 1.311 Sonata, 90km/hr, Concrete 2.603 Veracruze, 70km/hr, Asphalt 2.003 Veracruze, 80km/hr, Asphalt 0.909 Veracruze, 90km/hr, Asphalt 1.552 Veracruze, 70km/hr, Concrete 2.571 Veracruze, 80km/hr, Concrete 1.695 Veracruze, 90km/hr, Concrete 1.498

(9)

(a) Using Measurement

(b) Using 7.5-1.2m Pass-by Microphone TAPL

(c) Using 10-1.2m Pass-by Microphone TAPL

Fig. 11 NCPX Predicted Model

(11)

회귀분석을 사용하여 속도 별 예측 값과 본 연구에서 수 행한 주파수 별 음압 예측모델을 기본 모델에 적용하였을 때 어떠한 영향이 있는지 확인하였다. 다음 Fig. 12는 예 측 값과 실제 측정에 의한 예측결과를 나타낸 것이며, 이 에 대하여 MPE와 RMSE를 구한 결과를 Table 7~8에 나타내었다.

회귀분석을 사용한 주행속도 별 총 음압레벨 예측모 델에 본 연구에서 수행한 주파수 별 음압 예측모델을 적 용시켜본 결과 RMSE오차에서 대부분 2dB(A)정도의 차이가 나타났다. 이것은 두 예측모델간에 적용하는 것 에 있어서 큰 오차인 것을 의미한다.

이와 관련하여 생각해 볼 때 순수하게 측정된 값에 대 한 오차는 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 다음 Table 9~10과 같이 MPE와 RMSE를 산정하였다.

총 음압레벨을 산정하여 실제 측정된 값과 예측모델 에 의한 오차율이 2% 이하로 매우 적은 것으로 판단하 였다. 또한 그 오차의 크기를 RMSE로 산정한 결과 대 부분 약 1dB정도의 차이를 보였다.

(a) Car, Asphalt Condition

(b) Car, Concrete Condition

(c) SUV, Asphalt Condition

Fig. 12 TAPL by using the Regression Analysis

(d) SUV, Concrete Condition

Table 7. MPE Result (Regression)

Vehicle, Pavement MPE(%)

Sonata, Asphalt 2.02

Sonata, Concrete 1.92

Veracruze, Asphalt 1.70

Veracruze, Concrete 1.95

(b) Using 10m-1.2m Pass-by Microphone SPL

Table 8. RMSE Result (Regression)

Vehicle, Pavement RMSE

(dB(A)/ 20u Pa)

(12)

7. 결론

본 연구에서는 다양한 조건 및 환경에서 Pass-by계측 방법 및 NCPX계측방법을 이용하여 음향을 측정하는 경 우, 두 계측방법을 통하여 주파수 별 음압의 크기를 예측 하고 총 음압레벨을 산정하는 것을 목적으로 하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1. 주파수 별 음압레벨을 예측모델을 적용한 결과 최대 99.1%의 정확성을 가지며 RMSE오차는 최소 0.9dB(A)를 갖는 것으로 나타났다. 이 결과로 인하여 주파수 별 예측모델이 정확성이 있다는 결론을 내렸다.

2. 주파수 별 음압의 예측모델을 이용하여 총 음압레벨

을 산정한 결과 최대 99.37%의 정확성을 갖으며 RMSE오차가 최소 0.816dB(A)를 갖는 것으로 나타 났다. 이는 주파수 별 음압을 이용하여 총 음압레벨 을 예측하는 경우에도 매우 큰 정확성을 갖는 것으로 판단하였다.

3. 기존의 회귀분석을 사용한 속도-데시벨 예측모델과 본 연구의 주파수 별 음압 예측모델의 적용으로 총 음압레벨을 예측하는 경우에는 최대 98.37%의 정확 성을 갖는 반면 RMSE오차가 대부분의 결과에서 2dB(A) 이상인 경향을 보였다. 이는 매우 큰 오차이 며, 회귀분석을 사용하는 과정에서 이미 오차를 갖고 있다는 점과 예측모델 간의 비교를 한 점을 고려했을 때 두 예측모델의 적용은 실제 총 음압레벨 결과에 비추어 볼 때 상당한 오차를 갖는 것으로 판단한다.

감사의 글

본 연구는 한국건설기술연구원에서 수행하고 있는 도로소 음 모델링 및 도로 위치별 소음저감 기술 개발과제의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.

References

Mun, S., and Cho, D-S. (2008) “Development of a highway traffic noise prediction model that considers various road surface types”.Applied Acoustics, Vol. 69. pp. 1120-1128.

Mun, S., and Cho, D-S. (2008) “Determination of the sound power levels emitted by various vehicles using a novel testing method ”. Applied Acoustics, Vol. 69. pp. 185-195.

Mun, S., and Cho, D-S. (2009) “Noise measuring technique and field evaluation based on the effects of vehicles and pavement types”. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 36. pp.

1816-1824.

Dae Seoung Cho, Jin Hyeong Kim, Tae Muk Choi, Jung Han Oh, Tae Soon Jang. (2001) “Prediction of Highway Traffic Noise”, Proceedings of the KSNVE Autumn Annual Conference(2), pp.

1280-1286.

Lee Sangyem, Jin Junghoon, Mun Sungho, Moon Hakryong.

(2012) “Study on the Noise Characteristics of Bridge Deck Pavements in Seoul Inner Ring Road”. Korean Society of Road Engineers, Vol.14 No.2 pp. 19-28.

Chul Hwan Kim, Tae Sun Chang, Ki Jung Lee, Hee Man Kang.

(2007) “A Study on Comparison of Highway Traffic Noise Prediction Models using in Korea”. The Korea Society for Noise and Vibration Engineering, pp. 1-4.

Son Hyeon Jang, An Deok Soon, Beak Cheol Min, Kwon Soo Ahn, Lee Jae Jun. (2013) “A Study of Traffic Noise Characteristics on the National Highways”. Korean Society of Road Engineers, Vol. 15, No .2, pp. 11-18.

Lee Jae Joon, Moon Sung Ho, Ahn Deok Soon, Kwon Soo Ahn.

Table 9. MPE Result (Measurement)

Table 10. RMSE Result (Measurement)

(dB(A)/ 20u Pa)

(13)

(2012) “Noise Evaluation of the Rumble Strips Constructed at Tall Gate of Highway”. Korean Society of Road Engineers, Vol. 14, No. 5, pp. 201-206.

Yoon-Shin Bae, Sung-Ho Mun (2012) “Benefit Cost Evaluation of Noise Reduction Pavement”. Seoul Development Institute, Vol.

13, No. 4, pp. 275-285.

Yoon-Shin Bae, Sung-Ho Mun, Dae-Seung Cho. (2013) “Noise Reduction Analysis of Permeable Asphalt Concrete Using Impedance Tube and Noise Propagation Program”. Seoul Development Institute, Vol. 14, No.1. pp. 193-205.

(Received : Nov. 9 2013, Revised : Nov. 11 2013, Accepted : Nov. 19 2013 )