집중기획
정성수 한국표준과학연구원 유동음향센터 책임연구원
서 론
소음이라는 말은 많이 들어봤지만, 저주파소음에 대해서는 생소하 게 느껴질 수 있다. 하지만 말 자체가 저주파소음이므로 저주파수 대역 의 소음이라는 것은 짐작할 수 있다. 저주파소음에 대한 연구가 언제부 터 시작되었는지는 분명하지 않다. 하지만 1960년도 후반 일본의 신칸 센 운행으로 인해 인근 주민의 불만이 증가하면서 연구가 시작되었다 고 할 수 있으며, 영국에서도 비슷한 시기에 철도차량, 자동차, 비행기 등 다양한 분야에서 연구가 시작되었기 때문에 적어도 40여 년 동안 지속되었다고 할 수 있다.
그동안의 소음 저감은 가청주파수 대역이지만 125 Hz 이상의 소음 원에 초점을 두었고 상당한 효과를 거두었다. 이에 반해 20 Hz 이하의 초저주파 대역을 포함하여 125 Hz 이하의 저주파소음에 대해서는 크 게 주목하지 않았다. 하지만 경제가 발전하고 생활 수준이 향상됨에 따 라 선진국들을 중심으로 저주파소음에 대한 관심이 증가하여 유럽 국 가들은 주로 1990년도 중반부터 저주파소음에 대한 지침서를 마련하 였고, 일본은 지난 30여 년 동안의 연구 결과에 기초하여 2004년도에 지침서를 마련하였으며, 특히 대만은 한발 더 나아가 2008년도 말에 법적 시행령으로까지 확대 적용하고 있다. 이것은 아마도 저주파소음 역시 일반 소음처럼 사람에게 영향을 미치기 때문일 것이다. 또한 그동 안의 소음저감 노력으로 중대역 이상의 주파수 소음이 많이 저감되었 기 때문에 저주파수 대역의 소음이 상대적으로 크게 들리고, 신체적으
저주파소음
향후 환경 및 생활소음에서 저주파소음에 대한 인식
이 높아질 것으로 기대되므로 저주파소음에 대해 소
개하고자 한다.
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로는 고령화에 따른 청력손실이 고주파수 대역부 터 발생하므로 저주파소음이 크게 들리기 때문일 것이다.
국내의 저주파소음 연구는 초기 단계라고 할 수 있으므로 아직 일반인들이 저주파소음에 대한 인식을 잘하지 못하는 것 같다. 여기서는 저주파 소음에 대한 외국의 동향 그리고 몇 가지 측정한 예를 소개함으로써 저주파소음에 대한 이해를 돕 고자 한다.
국내·외 저주파소음 연구 현황
저주파소음에 대한 주파수 범위는 아직 세계 적으로 통일되지는 않았다. 하지만 그동안 발표 된 자료를 보면 주파수 100 Hz 이하이면 공통 범 위이기 때문에 상한선을 100 Hz 정도로 고려하 면 된다. 하한 주파수의 경우는 설정하는 것이 좀 더 어려운데, 분석하고 평가하는 것은 1 Hz 이하 의 주파수도 가능하지만, 인체에 미치는 영향에 대한 평가를 고려할 때 10 Hz 근처로 보면 된다.
특히, 20 Hz 이하인 초저주파(infra-sound) 대역 은 기존에는 귀에 들리지 않는 영역이라고 하였 으나 최근에는 음향파워가 충분히 크면 귀로 느 낄 수 있기 때문에 귀에 잘 들리지 않는 주파수 영 역으로 그 개념이 바뀌었다. 초저주파음은 청각 보정을 한 dBA와는 달리 dBG로 평가하기도 한 다. 저주파소음은 주파수가 낮기 때문에 소음이 장거리까지 전달되는 특성이 있어 저감하는 것이 어렵다.
저주파소음을 발생시키는 원인은 다양한 것 으로 알려져 있는데, 표 1에 저주파소음을 발생시 키는 주요 발생원을 정리하였다.
국내 연구 현황
국내에서는 저주파소음이 무엇인지에 대해
최근에 인식하는 사람들이 점차 증가하고 있으며 실제 민원으로 이어지는 경우도 있다. 저주파소 음에 대한 연구는 부분적으로는 차량 혹은 대형 시설물 등에서 수행되었지만, 체계적인 연구가 시작된 것은 2004년부터라고 할 수 있다. 최근까 지 차량, 공장, 생활환경 등에서 발생되는 저주파 소음에 대한 실태조사 및 인체에 미치는 영향 등 의 연구를 통해 환경부에서도 외국처럼 저주파소 음에 대한 측정방법과 평가에 대한 지침서를 마 련 중에 있다.
국외 연구 현황
국외의 저주파 대한 연구는 이미 일본의 경우 1960년도 중반 고속철도인 신칸센 운행 때부터 시작되었다. 하지만 유럽 국가들이 저주파소음에 대한 측정방법과 평가방법들에 대한 지침서를 일 본보다 먼저 마련하였는데 덴마크, 독일, 스웨덴, 폴란드, 네덜란드 등이 대표적이며 미국, 일본, 대 만도 규정을 마련하였다. 이들 국가의 관련 규정
<표 1> 저주파음의 주된 발생원
·송풍기(송풍기를 이용한 집진기, 건조기, 공조기, 냉각탑 등)
·왕복식 압축기
·디젤기관(디젤 기관을 이용한 선박, 비상용 발전장치, 버스, 트럭 등)
·진공 펌프(로터리블로워, 탈수 펌프 등)
·풍력발전기
·진동체 (유사 진동 컨베어, 스파이랄 컨베어, 파쇄기 등)
·연소기계(보일러, 가열로, 열풍로, 전로, 소결로, 소성기, 전기로, 등)
·제트엔진(제트엔진 (가스터빈)을 이용한 항공기, 비상용 발전장치 등)
·헬리콥터
·기계프레스
·교 량
·터 널
·치수설비(댐, 방제 등)
·발 파
·대형구조물(진동에 의한 발생)
·가스엔진
·수력발전기
·변압기
을 요약하면 다음과 같다.
덴마크: 1997년에 저주파소음에 대한 규정을 마련하였고 “information No. 9/1997 from the danish environmental protection agency”에 기 술되어 있다. 주파수는 범위는 8～250 Hz까지 1/3-옥타브 밴드 중심주파수에 대해 기준값을 시간대별로 설정하고 있다.
독일: 저주파소음을 “DIN 45680, Deutche Norm, 1997, 3, Measurement and assessment of low frequency noise immission in the neighbourhood”에 등가레벨 혹은 최대레벨에 기초하여 C-가중 소음이 A-가중레벨보다 20 dB 높은 소음으로 정의하고 있다. 즉, 저주파소음에 대한 판단 기준을 일차적으로 dBC 레벨과 dBA 레벨의 차가 20 dB 이상 나면 저주파소음이 영향 을 미치고 있다고 판단하는 것이다. 저주파소음 이 원인이라고 판단되면 1/3 옥타브 주파수 분석 을 10～80 Hz 범위에서 하며, 특별한 경우에는 9 Hz 그리고/혹은 100 Hz 밴드도 포함시켰다. 사 람이 거주하거나 쉬고 있는 방은 낮 시간대 (06～
22)와 저녁 시간대(22～06)에 대한 한도 값이 주 어져 있다.
스웨덴: 국립건강복지위원회(SOSFS)에서 소 음이 건강에 영향을 주는가에 대한 지침을 만들 었다. 한도 값은 31.5～200 Hz 주파수 영역에서 소음의 등가 레벨로 적용한다. 만약 1/3 옥타브 밴드에서 어떤 한 주파수라도 이들 한도 값을 초 과하면 저주파소음으로 인해 불쾌감을 느끼는 것 으로 고려하게 된다. 관련 규정은 SOSFS 1996:
7E, General guidelines issued by the Swedish national board of health and welfare, indoor noise and high sound levels에 있다
폴란드: 1986년에 작업장 사람들을 보호하기 위해 저주파소음에 대한 규정을 만든 국가이다.
10～250 Hz 주파수 영역에서 한도 값을 정하였 는데 양호한 환경을 갖는 방에서는 4～16 Hz에 서 85 dB 이하, 31.5 Hz에서는 80 dB 이하를 권 장하고 있다. 관련 기준은 Polska Norma, PN-86, N-01338, Infrasonic noise, Admissible sound pressure levels at workplace and general requirements relative to measurements에 있다
네덜란드: 20～100 Hz 주파수 영역에서 독일 의 값과 유사한데, 네덜란드는 가청 주파수 영역 에서 저주파소음이 발생하였는지를 결정하는데 있어 사람들이 저주파소음에 대해 불평을 할 경 우 적용하고 있다.
미국: 1996년에 새로운 측정규격 ANSI S 12.9 -Part 4를 만들고, 참고로서 다루고 있는데 16, 31.5, 63 Hz에서 75~80 dB를 넘으면 확실히 알 수 있을 정도로 건물의 떨림이 발생한다고 기 술되어 있다. 관련 규정은 ANSI S 12.9-Part 4, Quantities and procedures for description and measurement of environmental sound - Part 4 : Noise assessment and prediction of long- term community response에 있다.
일본: 2000년에는 환경부에서 “저주파소음 의 측정방법에 대한 매뉴얼”을 확정해서 지방 공 공단체에 공시하고 전국적인 실태 조사를 하였 다. 2004년 6월에는 “저주파음 문제 대응의 입 문서”를 마련함으로써 저주파소음에 대한 불만 에 구체적으로 대처하는 방법과 배려 사항 등을 공표하였다. 저주파음 문제 대응을 위한 입문서 ("Guidance" to counter low frequency noise problems)는 안내, 평가지침, 평가지침 해설 등 크게 3분야로 구성되어 있다. 주요 내용으로는 창 문 등의 덜거덕거림(rattling)으로 인한 불만에 대 한 기준값과 정신적 신체적 불만에 대한 기준 값 등 2가지 분야로 구분되어 있다.
대만: 20～200 Hz의 가청 주파수 대역에 대해
단일 값을 적용하고 있는데, 대부분 국가들이 저 주파소음에 대한 기준값을 권장 값으로 적용하는 데 비해 법률로서 규정함으로써 위반할 경우에 는 벌금을 부여하고 있다. 지역과 시간대별로 적 용기준을 다르며 dBA로서 평가하고 있다. 2005 년에는 사무 및 오락지역에 공장 그리고 공사장 등에 대해서는 2008년에 시행령을 개정하였고 2009년부터 적용하였다. 대만에서는 가청대역만 을 고려하기 때문에 dBA로서 평가하며 대상 지역 과 시간대별로 다른데 정리하면 표 2와 같다.
각국에서 규정하고 있는 저주파소음에 대한
기준값을 표 3에 정리하였는데 기존의 소음을 단 일 값으로 평가하는 것과는 달리 각각의 1/3-옥 타브 밴드별로 평가하는 것이 특이하다. 저주파 소음에 대한 이들 기준값은 대만을 제외하고는 대부분 국가에서는 어떤 규제를 위한 값이 아니 라 소음에 대한 불평이 있을 때 이들 소음이 저주 파소음에 해당되는지 아닌지를 판단하는 데 사용 되고 있다. 소음원의 경우 시간에 따라 음압의 변 동성이 적은 정상소음원에 대해서만 적용하고 있 으며, 이동 소음원이나 임펄스형 소음원은 현재 는 제외하고 있다.
<표 2> 대만의 저주파소음 기준.
<표 3> 저주파소음에 대한 한도 값(dB) 비교
공장 사무실과 오락시설 공사장
낮 저녁 밤 낮 저녁 밤 낮 저녁 밤
Class 1 & 2 42 42 39 35 (40) 35 30 47 47 42
Class 3 & 4 47 47 44 40 40 35 49 49 44
Frequency (Hz) Poland Germany Netherlands Denmark Sweden Japan
8 103
10 80.4 95 90.4 92
12.5 83.4 87 93.4 88
16 66.7 79 76.7 83
20 60.5 71 74 70.5 76
25 54.7 63 64 64.7 70
31.5 49.3 55.5 55 59.4 55 64
40 44.6 48 46 54.6 49 57
50 40.2 40.5 39 50.2 43 52
63 36.2 33.5 33 46.2 41.5 47
80 32.5 28 27 42.5 40 41
100 29.1 23.5 22 39.1 38
125 26.1 36.1 36
160 23.4 33.4 34
200 20.9 32
250 18.6
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저주파소음의 인체 영향
저주파소음이 인체에 미치는 영향을 평가하 는 것은 어려운데 그것은 인체에 미치는 영향을 알기 위해 피시험자들에게 저주파소음을 폭로시 켜 심리적, 생리적 반응을 관찰해야만 되기 때문 이다. 그동안의 연구들을 중 생리적 반응에 대한 연구결과 일부를 표 4에 정리하였다.
저주파소음 측정방법
저주파소음을 측정하는 방법은 표 5에서 보듯 이 각국마다 조금씩 다르지만, 표 5에 정리한 것 처럼 큰 틀에서는 유사하다. 대부분 국가에서 실 내에서 측정하는 것을 택하고 있으며 방문은 닫 은 상태로 하고 있다. 소음계의 시간 보정은 느림 (slow)로 두고 dB로 보정없이 측정한다.
저주파소음 측정 결과 및 분석
저주파소음을 발생하는 소음원은 다양하다.
여기서는 차량을 비롯하여 작업장, 생활환경 등 몇 가지 경우에 대해 저주파소음에 대한 측정결 과를 살펴보겠다.
그림 1은 시내버스 내에서 측정한 저주파소음 의 1/3-옥타브 밴드별 스펙트럼이다. 결과에서 보면 12.6 Hz와 16 Hz에서 100 dB 정도의 강한 피크 음압레벨이 발생되고 있다. 이것은 버스의 길이 방향에 대해 밀폐된 공간에서의 공명 주파
<표 4> 저주파음에 대한 생리적 반응 예
<표 5> 외국의 저주파소음 측정방법 비교
순환기계 심박수 감소 또는 증가, 수축기 협압감소 호흡기계 호흡수의 경도 감소 혹은 증가,
호흡파형 변화
신경계 뇌파: α파, β파, θ파의 진폭증가나 한계 레벨 α파 진폭감소
내분비계 (스트레스 반응)
2-20 Hz 100 dB 정도, 90 분 폭로시 아드레날린, 도파민 증가 기타(전기생리학적
반응)
눈에 진동이 발생하거나 소실, 눈의 깜박임 수 증가 수면영향 수면 심도가 낮아짐, 각성반응의 발생
동물실험
호흡수의 증가 (8시간 폭로) 소화기계 : 집토끼의 위 운동의 억제
(4주간 폭로)
실외 일본
·기본적으로 불평의 대상이 되는 장소에서 측정한다
·실태조사, 환경측정 목적 : 건물에 의한 음의 반사, 차단, 회절의 영향이 없는 곳
·기계, 공장 건물 : 일반 소음 측정에 준해서 측정 지점을 정한다
·가옥 : 음원 방향으로 창문, 외벽으로부터 1-2 m 떨어지고 마이크로폰의 높이는 지상 1.2-1.5 m (바람의 영향이 있는 경우는 지상에 설치해도 된다)
실내
덴마크
·방에서 최소한 3 지점에서 한다
·한 지점은 벽으로부터 0.5-1 m, 바닥에서 1-1.5 m 떨어진 곳
·다른 지점들은 방에서 주거하는 지점으로 벽, 큰 가구로부터 적어도 0.5 m 그리고 바닥에서 1-1.5 m 떨어진 곳 (방의 중심부는 다름 지점보다 종종 음압레벨이 낮기 때문에 피한다)
·작은방(단면적 20 m² 미만)에서는 벽에서 0.5-1 m 그리고 바닥에서 1-1.5 m떨어진 지점
·창문과 문은 닫는 것을 원칙으로 하고 연 경우가 더 시끄러우면 연 상태로 한다
·최소한 5분 등가소음측정, 음원이 변동하면 10분 평균을 기준 네덜란드
·마이크로폰은 불평자들에게 명확히 들리는 위치에 설치
·벽으로부터 0.4-0.5 m 그리고 바닥에서 1-1.5 m 떨어진 지점에서 측정
·10-15분 동안 2회 측정 독일
·저주파 소음에 가장 많이 노출되는 곳
·창문과 문은 닫고 한다
·벽으로부터 약 0.5 m 떨어진다
일본
·벽이나 창문에서 1 m 이상 떨어지고 마이크로폰의 높이는 마루 위 1.2-1.5 m
·실내 장소에 따라 음압레벨이 크게 변화하는 경우는 가장 큰 장소 또는 문제가 되는 장소에서 측정한다 (필요에 따라서는 실내의 음압분포를 측정한다)
수에 해당된다. 즉, 밀페된 공간에서 저주파소음 이 특정 공명 주파수에서 크게 발생될 수 있음을 뜻한다. 시내버스의 경우는 길이(L)가 약 11 m 정도이므로 첫 번째 공명 주파수(f1)는 전장과 f1 = c/(2L)의 관계식을 이용하면 14.2 Hz에서 1차 공 명주파수가 예상되며, 1/3-옥타브 밴드일 경우 12.5 Hz와 16 Hz 사이에서 음압레벨의 피크가 나 타나게 된다. 이러한 예측은 측정결과와 잘 일치 하고 있다. 결과는 각각의 1/3-옥타브 밴드별로
평균값과 표준 편차로 나타냈다.
그림 1의 경우와 유사하게 철도차량의 경우도 역시 차량 한량의 길이 방향에 대해 공명 주파수 근처에서 강한 피크 소음을 볼 수 있는데 그림 2 에 그 결과를 나타냈다. 철도 차량의 경우는 한량 의 길이가 20 m 정도로 고려할 때 시내버스보다 길기 때문에 피크 음압레벨 주파수가 더 낮은 주 파수로 이동해 있음을 알 수 있다. 시내버스와 철 도차량의 경우를 보면 피크 음압레벨이 95 dB 이
[그림 1] 시내버스 내부에서 측정한 1/3-옥타브 밴드 저주파 소음 스펙트럼.
[그림 2] 철도차량 내부에서 측정한 1/3-옥타브 밴드 저주파 소음 스펙트럼
[그림 3] 작업장 내 선반에서 발생하는 1/3-옥타브 밴드 저주파 소음 스펙트럼
[그림 4] 공장 내 소음이 덕트를 통해 방사되는 저주파 소음 스펙트럼
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상으로 이것은 비록 귀에 대한 보정 값이 dBA는 아니지만 환산하면 착암기 혹은 락밴드의 음압을 듣는 수준의 큰 소음이 되는 것이다.
작업장에서 선반작업에 따른 저주파소음에 대한 스펙트럼을 그림 3에 나타냈다. 선반과 같은 작업장 내에서 사용되는 기기들은 회전체가 많기 때문에 이 경우 특정 주파수에서의 음이 주요하 게 된다.
작업장 내부 환기를 위해 공조 덕트를 통해 팬
을 돌리는 경우 외부로 방사되는 저주파소음 스 펙트럼을 그림 4에 나타냈다. 결과에서 보듯이 125 Hz에서 큰 피크 소음이 발생되고 있다. 그림 5는 건물의 공조를 위해 옥상에 설치된 팬에서 발생되는 소음을 나타낸 것이다. 두 경우 모두 피 크 소음이 80 dB 이상을 보이고 있다.
저주파소음 저감 예
저주파소음을 실제 저감하는 방법에 대해 일 본의 경우를 예를 들어 살펴보겠다. 주택 근처에 왕복식 진공 펌프를 사용하는 사업장으로 인해 주변 민가의 창문 진동과 함께 귀의 압박감으로 인해 이의 제기가 되었고 이를 해결하는 과정에 대한 것으로 정리하면 다음과 같다.
(1) 이의 발생 상황
1) 발생원: 왕복식 진공 펌프 파이프직경: 150 mm 회전수: 345 rpm 출력: 150 kW 풍량: 463 m³/min.
[그림 5] 건물 내 공조를 위해 설치된 옥외 공조팬에 의한 저주파소음
[그림 6] 소음기 설치 전·후의 소음 스펙트럼 비교(민가 앞)
2) 이의 발생 장소: 부근 민가
3) 이의 발생 상황: 민가 창문이 진동하며 욕실에서 귀가 압박되는 것 같음
4) 저주파음의 음압 레벨: 토출구로부터 8 m지점에서 89～93 dB
5) 주파음의 특이 주파수: 5.7 Hz, 11.5 Hz, 17.3 Hz, 23 Hz, 28.5 Hz, 34.5 Hz
(2) 대책 방법
1) 발생원 및 발생 원인의 추정: 진공 펌프 의 회전에 따른 것으로 그 회전수에 따른 저주파 음이 된다.
2) 대책 방법: 각각의 주파수에 맞춘 사이드 브랜치형 소음기를 설치.
(3)대책 효과 : 대책 후의 저주파음의 음압레 벨: 총음압레벨은 14 dB, 22 Hz에서 소음은 39 dB 저감 (그림 6 참조)
위의 예에서 보듯이 진공펌프 작동으로 인해 주변 지역에서의 저주파소음에 대한 피해를 사이 드 브랜치형 소음기 설치를 통해 적절하게 소음 을 저감함으로써 만족스러운 결과를 얻을 수 있 었다.
결 론
여기서는 일반인들에게 잘 알려지지 않은 저 주파소음에 대해 살펴보았다. 저주파소음은 특성 상 저감이 어렵고 멀리까지 전달되며, 특히 50 ~ 60대의 연령층에서 불만이 높기 때문에 곧 고령 화 시대를 맞이하는 우리로서는 더욱 관심을 가 질 필요가 있다. 그동안의 연구들을 보면 저주파 소음도 사람의 심리와 생리에 영향을 미치고 있 기 때문에 우리도 좀 더 많은 실태조사가 필요하 다. 저주파소음 측정방법과 평가를 위한 기준값
에 대해 환경부에서 현재 마련 중에 있는 것은 다 행이지만 아직도 저주파소음 저감방법에 대한 연 구와 투자는 미미하다. 각종 설비 시설물에서도 저주파소음은 쉽게 발생되기 때문에 지금부터라 도 소음원에 대한 스펙트럼 분석 및 방출량에 대 한 자료를 수집하고 적절한 저감 방법을 개발한 다면 우리의 정온한 환경 조성에 크게 기여하리 라고 생각된다.
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