S高等學校 多目的 講堂의 建築音響設計
Architectural Acoustics Design of multipurpose Auditorium in S-high school
주 덕 훈
*
윤 재 현*
김 재 수**
Ju, Duck-Hoon Yun, Jae-Hyun Kim, Jae-Soo
Abstract
Among those various facilities attached to the school building, the Auditorium is being utilized for not only the Exercise Activity but also for many purposes such as Culture, Public Performance, Education, Assembly and so on. In order to utilize in maximum such function of the multipurpose auditorium, an adequate acoustic design with regard to the Clarity of Voice and Music in accordance with its use-purpose should be accompanied. However, as the most part of multipurpose auditoriums is designed with high ceiling-height by its peculiar character, and due to use of the material of strong reflexibility, it is appearing the defect that excessively exposes the reverberation of sound. In order to make out an optimal acoustic condition within the broad space such as an auditorium, the acoustic characteristics must be considered from the planning stage, however in the most case, those acoustic problems are being settled through the repair works after construction.
On such viewpoint, this Study intends to analyze the room acoustic characteristics from the planning stage using a computer simulation based on the blueprint of multipurpose auditorium in S High School located in Gwangju.
It is considered that the material analyzed in such way could be practically applied as a fundamental material enables to improve the acoustic capability when a similar broad space is planned hereafter.
………
키워드 : 다목적 강당, 실내음향, 음향 시뮬레이션
Keyword : multipurpose Auditorium, Room Acoustic, Acoustic Simulation
………
(a) 평면도 (b) 단면도
Ⅰ. 서 론
1) 국내의 학교건축은 90년대 중반이후 시설의 측면에서 획기적인 변화의 과정을 거쳐왔다. 그 주요한 변화중 하나 는 학교시설설비기준령에서 권장시설이었던 다목적 강당 의 건축계획이 설계초기단계에서부터 적극적으로 이루어 지고 있다는 점이다.
다목적 강당은 체육활동 뿐만 아니라 강연 및 집회활동, 연극과 음악회 등의 다양한 용도로 요구되어 음성과 음악 의 명료도에 대한 적절한 음향설계가 수반되어야 한다.
하지만 대부분의 다목적 강당은 그 특성상 높은 천장고로 설계되며, 반사성이 강한 마감재료의 사용으로 음의 울림 이 과도하게 나타나는 결함을 보이고 있다.
이와 같은 결함을 효율적으로 제어하기 위해서는 설계단 계부터 음향적 특성을 고려해야 하지만 대부분 시공된 후 보수공사를 통해 음향적인 문제들을 해결 하고 있어 불량 시공에 따른 경제적 손실을 초래하고 있는 실정이다.
이러한 관점에서 본 연구는 광주에 설립될 S고등학교의 다목적 강당을 대상으로 설계단계에서부터 Computer Simulation을 이용하여 실내음향 특성을 파악하여 그 문
* 정회원, 원광대학교 건축학부 석사과정
** 정회원, 원광대학교 건축학부 교수
제점과 결함을 찾아낸 뒤 시뮬레이션 과정을 반복하여 가 장 적합한 음향특성을 갖는 실의 형태와 마감상태, 흡음재 를 제시하고자 하였다.
Ⅱ. 연구대상 다목적 강당의 개요
본 연구대상 다목적 강당은 광주시 S고등학교에 위치하
고 있으며, 다목적 강당의 모습은 그림 1.과 같고 제원은
표 1.과 같다. 그림에서 보면 평면은 장방향으로 되어 있
으며 강당바닥과 강당의 좌우를 좌석으로 사용할 수 있도
록 설계가 되어 있다. 또한, 단면상 지붕은 후면이 높게
기울어있다.
구분 재료 주파수 125Hz 250H
z 500H z 1000H
z 2000H z 4000H
z
무 대
바닥 단풍나무후로링 0.2 0.15 0.1 0.02 0.02 0.03
천정 흡음택스 0.55 0.59 0.55 0.6 0.74 0.74
벽 30×30 미송각재
THK9합판 0.13 0.35 0.85 0.9 0.88· 0.88
강 당
바닥 단풍나무후로링 0.2 0.15 0.1 0.02 0.02 0.03
(상단) 벽 THK25 포플러 나무뿌리
흡음판(H=1,800이상) 0.1 0.3 0.6 0.7 0.8 0.85 벽
(하단) 안전고무리브
(H=1,800이하) 0.03 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 천정 SKY VIVA 100T 0.2 0.48 0.76 0.93 0.95 1
유리 복층유리 0.15 0.05 0.03 0.03 0.02 0.02
(c) Auto CAD 3d 모델링 작업 (d) 3Dface로 면처리된 모델링 그림1. 대상 다목적 홀의 형태
표1. 대상 다목적 강당의 제원
다목적 강당의 규모산정 제 원
실내 표면적(S) 약 660㎡
실 내 용 적(V) 약 5,854㎥
다음 표2.는 연구대상 다목적 강당의 음향설계에 제시된 마감 재료의 종류와 흡음률을 나타내고 있다.
표2. 연구대상 다목적 강당의 마감재료 및 흡음률데이타
III. 음향 시뮬레이션 및 측정방법
3.1 Computer Simulation 개요
연구대상 다목적 강당의 음압분포 및 실내음향 파라메타 의 예측분석은 음선추적법(Ray-tracing method)과 허상법 (Image model method)에 의한 3차원 컴퓨터 시뮬레이션 을 이용하였으며 사용된 프로그램은 Odeon ver.4.21
1)이 다. 시뮬레이션 방법은 ISO에서 제안하는 무지향성 음원 을 무대부 바닥면으로부터 1.5m 높이에, 수음점은 다목적 강당의 내부평면이 대칭 형태이므로 실의 중심을 기준으 로 그리드(Grid)를 설정해 모두 8개를 선정하여 1.2m높이 에 위치하였다. 시뮬레이션에 사용된 음원의 지향특성과 주파수별 파워출력은 그림2.와 표3.과 같다.
1) G, Naylor, j, h, Rindel, :ODEON room acoustics program, Version4.21, User manual",2000
Front
R ight U pwards
그림2. 시뮬레이션에 사용된 음원의 지향특성
표3. 시뮬레이션에 사용된 음원의 주파수별 PWL
음 원 주파수(Hz)
125 250 500 1k 2k 4k
PWL(dB) 113.4 114.35 106.14 101.45 102.99 96.82
위의 내용을 바탕으로 한 음원 및 수음점의 위치는 그 림3.과 같다.
1
1 2
3 4 5
6 7
8 1
1 1
2 3
4 5
6 7
8
1
(a) 평면도 (b) 투시도
그림3. 대상 다목적 홀의 음원 및 수음점의 위치
3.2 Computer Simulation에 의한 음선추적(Ray-tracing) 본 연구에서는 다목적 강당의 음향특성을 보다 정확하게 예측하고, 음향결함 등 문제점 검토를 통한 음향개선을 위 해 음선추적법(Ray-tracing method)을 사용하였다. 이 방 법은 설계상의 도면을 이용하여 실내 디자인변수와 마감 재료의 변화에 따라 음이 어떻게 반사되어 가는지를 쉽게 알 수 있어 음향설계시 많이 사용되는 방법이다. 음향 시 뮬레이션의 측정조건은 정확한 Data를 위해 실험에 비교 적 많은 영향을 미치는 Impulse Response 길이를 8,000ms, 확산방법은 Lambert Method, 음선수는 4,000개, Transition Order는 3으로, 온도 및 습도는 시뮬레이션에 반영하지 않았다. 각 수음점별 음향평가지수는 모두 공석 시를 기준으로 평가하였다. 다목적 강당의 시뮬레이션을 통한 음선추적법(Ray-tracing method)은 그림4.와 같다.
1
그림4. 시뮬레이션을 통한 음선추적법
Ⅳ. 분석 및 고찰
4.1 음압레벨(Sound Pressure Level)
음의 세기를 나타내는 음압레벨은 실의 형태와 내부공 간의 구성에 따라 매우 중요한 의미를 갖는다. 8개의 수음 점에서 주파수별 음압레벨(dB)을 파악한 결과는 표4.와 그 림5.와 같다.
표4. 수음점별 500Hz의 SPL 단위:dB
수음점 1 2 3 4 5 6 7 8 평균
음압레벨(SPL) 53.2 54.6 51.1 51.1 49.6 49.8 49.0 49.6 51.0
20 30 40 50 60 70 80
1 2 3 4 5 6 7 8 평균
좌석번호
SPL(dB)
125Hz 250Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz 4000Hz
11 94.0 91.0 88.0 85.0 82.0 79.0 76.0 73.0 70.0 67.0 64.0 61.0 58.0 55.0 52.0 49.0 46.0 SPL at 500 Hz > 97.0
< 43.0
(a) 주파수별 예측치 (b) 음압레벨 분포도 (500Hz) 그림5. 수음점에 따른 음압레벨(SPL)
표4.와 그림5.를 보면 음원과의 거리가 가까운 수음점에 서 높은 음압레벨을 유지하지만 거리가 멀어질수록 거리 감쇠로 인해 점차 낮아지고 있음을 알 수 있다. 또한 수음 점간 음압레벨의 차이가 모두 ±2dB 이내로 나타나 다목 적 강당 8개의 수음점에서 균일한 음압분포를 보이고 있 음을 알 수 있다. 특히 평가의 기준이 되는 500Hz에서 음 압레벨 표준편차는 1.84dB로 나타나 연구대상 다목적 홀 의 경우 모든 좌석에서 일정한 음량감을 느낄 수 있으리 라 사료된다.
4.2 잔향시간(Reverberation Time)
잔향시간은 울림의 양에 대한 가장 중요한 평가지수이며 정상상태의 음이 60dB 감쇠하는 데까지 소요되는 시간으로 정의된다. 기존에 연구에서 제안되었던 최적 잔향시간표를 통해 구해본 대상 다목적 홀의 잔향시간은 그림6.과 같다.
그림6. 다목적 강당의 최적 잔향시간
그림6.에서 보면 다목적 강당의 체적이 약 5,854㎥이므 로 500Hz에서 최적 잔향시간
2)이 약 1.34초를 유지하는 것
2) Vern O. Kundsen and Cyril M. Harris ; "Acoustical Designing in Architecture", JOHN WILEY & SONS.INC.,1955
M.David Egan ; "Concepts in Architectural Acoustics", Mcgraw-hill book company, 1972, p40
․대상 실 용도는 다목적홀로 선택하였으며, 체적에 적합한 최적 잔향시간은 약 1.33초로 나타났다.
이 적정하리라 사료된다. 위의 내용을 바탕으로 8개의 수 음점에서 주파수별 잔향시간(sec)을 파악한 결과는 표5.와 그림7.과 같다.
표5. 수음점별 500Hz의 RT 단위:초
수음점 1 2 3 4 5 6 7 8 평균
RT 1.37 1.32 1.34 1.29 1.21 1.17 1.35 1.22 1.28
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
1 2 3 4 5 6 7 8 평균
좌석번호
T30(sec)
125Hz 250Hz
500Hz 1000Hz
2000Hz 4000Hz
11 3.60 3.40 3.20 3.00 2.80 2.60 2.40 2.20 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 T30 at 500 Hz > 3.80
< 0.20
(a) 주파수별 예측치 (b) 잔향시간 분포도(500Hz) 그림7. 수음점에 따른 잔향시간(RT)
표.5와 그림7.을 보면 500Hz의 평균 잔향시간이 1.28초로 최적 잔향시간과 거의 같은 0.06초의 차이를 보이며, 각 수 음점별 편차도 0.12로 나타나 거의 모든 수음점에서 일정 한 소리의 울림을 느낄 수 있도록 음향설계 되었음을 알 수 있다. 그러므로 이러한 잔향시간 결과로 미루어 볼때, 연구대상 다목적 강당의 경우 강연이나 공연 등의 전문성 을 부여한 다목적 용도로도 매우 적합하다고 사료된다.
4.3 초기감쇠시간 (Early Decay Time)
정상상태에서 음원을 정지시킨 후 10dB 감쇠할 때까지의 시간으로 정의되고, 약간의 강도, 분리된 반사로부터 정해지 며 측정위치에 따라 달라지는 잔향의 또 다른 주관적 지수 인 초기감쇠시간이다. 8개의 수음점에서 측정한 주파수별 초기감쇠시간(sec)을 파악한 결과는 표6.과 그림8.과 같다.
표6. 수음점별 500Hz의 EDT 단위:초
수음점 1 2 3 4 5 6 7 8 평균
EDT 0.92 0.64 1.14 1.09 1.12 1.16 1.06 1.05 1.02
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4
1 2 3 4 5 6 7 8 평균
좌석번호
EDT(sec)
125Hz 250Hz 500Hz 1000Hz
11 5.40 5.10 4.80 4.50 4.20 3.90 3.60 3.30 3.00 2.70 2.40 2.10 1.80 1.50 1.20 0.90 0.60 EDT at 500 Hz > 5.70
< 0.30
(a) 주파수별 예측치 (b) 초기감쇠시간 분포도(500Hz) 그림8. 수음점에 따른 초기감쇠시간(EDT)
표6.과 그림8.을 보면 EDT는 500Hz를 기준으로 할 때 1.02초로 나타났다. 따라서 연구대상 강당의 초기감쇠시간 은 잔향시간에 비해 짧게 나타나고 있으며, 표준편차도 0.23초로 잔향시간보다 비교적 큰 편차를 보이고 있지만 모든 좌석에서 균일한 초기감쇠시간을 보이고 있다.
4.4 음성명료도(D 50 )
회화의 명료도에 관한 지수중 강연을 대상으로 하는 D 50
은 음의 발생이 중지한 후 50ms이내의 직접음 및 초기반
사음이 직접음을 보강하여 명료도를 좋게 하는 것으로, 음 과 총에너지의 비인 Definition 또는 Deutlichkeit 를 말한 다. 8개의 수음점에서 주파수별 음성명료도(%)를 파악한 결과는 표7.과 그림9.과 같다.
표7. 수음점별 500Hz의 D 50 단위:%
수음점 1 2 3 4 5 6 7 8 평균
D 50 81 85 62 69 54 61 56 64 66.50
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1 2 3 4 5 6 7 8 평균
좌석번호
D50(%)
125Hz 250Hz
500Hz 1000Hz
2000Hz 4000Hz
11 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 D50 at 500 Hz > 0.95
< 0.05
(a) 주파수별 예측치 (b) 음성명료도 분포도(500Hz) 그림9. 수음점에 따른 음성명료도(D 50 )
표7.과 그림9.를 보면 500Hz 평균 음성명료도가 66.50%
로 나타났다. 일반적으로 음악 홀의 경우 음성명료도(D 50 ) 는 연극이나 강연의 경우 55∼60%, 음악의 경우 30∼40%
를 권장하고 있다. 따라서 연구대상 다목적 강당의 경우 이러한 목적을 충분히 만족 시킬 수 있으리라 판단된다.
4.5 음악명료도(C 80 )
음악에 대한 명료도지수(Clarity Index)인 C 80 은 콘서트홀 에서 음악에 대한 명료도를 나타내기 위한 지수로 너무 클 경우 연주음이 너무 건조하고 딱딱해져 충분한 음량과 음색 으로 이를 감상하기 어려워진다. 8개의 수음점에서 주파수 별 음악명료도(dB)를 파악한 결과는 표8.과 그림10.과 같다.
표8. 수음점별 500Hz의 C 80 단위:dB
수음점 1 2 3 4 5 6 7 8 평균
C 80 7.5 8.7 3.5 4.4 2.4 3.6 3.7 4.3 4.76
-15 -10 -5 0 5 10 15
1 2 3 4 5 6 7 8 평균
좌석번호
C80(dB)
125Hz 250Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz 4000Hz
11 18.0 17.0 16.0 15.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 C80 at 500 Hz > 19.0
< 1.0
(a) 주파수별 예측치 (b) 음악명료도 분포도(500Hz) 그림10. 수음점에 따른 음악명료도(C 80 )
표8.과 그림10.을 보면 C 80 은 500Hz를 기준으로 할 때 4.76dB, 표준편차는 2.41dB로 나타났다. 이 같은 결과는 현대 교회음악, 대중음악에서도 음악적 명료도가 얻어지는 +6/-2dB범위에 있으므로 강당무대에서 음악을 연주할 경 우 음악적 명료도를 얻을 수 있을 것이라 판단된다.
4.6 음성전달지수(RASTI)
음성전달지수는 실내에서 음성의 전달에 따른 이해도 (Speech Intelligibility)를 나타내고자 하는 주관지수이다.
8개의 수음점에서 주파수별 음성전달지수(%)를 파악한 결 과는 표9.와 그림11.과 같다.
표9. 수음점별 RASTI 단위:(%)
수음점 1 2 3 4 5 6 7 8 평균
RASTI 68 75 61 63 59 57 61 63 63.88
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1 2 3 4 5 6 7 8 평균
좌석번호
STI(%)
11 0.96 0.94 0.92 0.90 0.88 0.86 0.84 0.82 0.80 0.78 0.76 0.74 0.72 0.70 0.68 0.66 0.64 STI > 0.98
< 0.62
(a) 주파수별 예측치 (b) 음성전달지수 분포도
그림11. 수음점에 따른 음성전달지수(RASTI)
표10. RASTI 평가기준
RASTI(%) 평가 척도
0∼32 Bad (전혀 알아듣지 못한다.)
32∼45 Poor (잘 알아듣지 못한다.)
45∼60 Fair (노력하면 들을 수 있다.)
60∼75 Good (잘 들린다.)
75∼100 Excellent (아주 편하게 들을 수 있다.)
음성전달지수는 대체적으로 음원에서 가까운 곳이 높으며, 음원에서 멀어질수록 값이 낮아진다. 표9.와 그림11.을 보면 평균 음성전달지수(RASTI)가 63.38%, 표준편차 6.16%로 나타났다. 위와 같은 결과 로 미루어볼 때 RASTI 평가기준에 의해 표10.과 같 이 Good (잘들린다.)로 평가됨을 알 수 있다. 따라서 연구대상 다목적 강당의 경우 발생하는 원음이 왜곡 되지 않고 잘 들을 수 있을 것으로 사료된다.
4.7 측면반사음비율(LF)
LF는 전체음 에너지중 양측면에서 반사되어 오는 음에너 지를 말하며, 소리에 둘러 쌓인 정도 즉, 공간감을 나타낸다.
특히 벽체의 마감 재료에 따라 많은 값의 차이를 보이므로 음향설계시 중요한 평가요소이다. 8개의 수음점에서 측면반 사음비율(%)를 파악한 결과는 표11.과 그림12.와 같다.
표11. 수음점별 500Hz의 LF 단위:(%)
수음점 1 2 3 4 5 6 7 8 평균
LF 0.027 0.029 0.119 0.065 0.093 0.058 0.150 0.104 0.122
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
1 2 3 4 5 6 7 8 평균
좌석번호
LF(dB)
125Hz 250Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz 4000Hz
11 0.270 0.255 0.240 0.225 0.210 0.195 0.180 0.165 0.150 0.135 0.120 0.105 0.090 0.075 0.060 0.045 0.030 LF at 500 Hz > 0.285
< 0.015
