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大韓環境工學會誌․論文 - Original Paper - 대한환경공학회지 2910, 200710음향 시뮬레이션을 이용한 댐 수차발전기실의 음향성능 개선에 관한 연구 박지창*김재수 김 남** 원광대학교 건축학부*한국수자원공사**충북대학교 전기전자컴퓨터공학부 ( 일 접수, 일 채택) A Study on the Improvement of Acoustic Performance at Hydraulic Turbine Dynamo Room in Dam using Acoustic Simulation Ji-Chang Park*Jae-Soo Kim Nam Kim** Division of Architecture, Wonkwang University*Korea Water Resources Corporation **School of Electrical & Computer Engineering, Chungbuk University ABSTRACT : Hydroelectric powergeneration generates electricity by revolving turbin through water pipe, utilizing difference of altitude of the water. And the revolving turbin in this process causes enourmous noise. Therefore, workers in Hydraulic Turbine Dynamo Room find difficulty in communicating with each other and other workers who work in offices near the generator also find a big obstacle of noise while working. Especially, since all the walls of the generator which is located between Hydraulic Turbine Dynamo Room and the offices are made of sound-reflecting materials, and the generator itself has a great volume which is 22,800 m 3 , the noise caused by operating the Hydraulic Turbine Dynamo Room becomes largely amplified. Therefore, in this research, first, to improve innerdoor sound capacity of the Hydraulic Turbine Dynamo Room, we measured and tested inner sound capacity, and grasped sound defect. And then, we compared it to the ex- pected value from computer simulation. As a result, we verified the credibility of the simulation. And also, in this research, we are going to represent a renovation model of Hydraulic Turbine Dynamo Room which can control the noise amplification in this room, minimize the noise transfered to offices near it, and also can achieve the optimum acoustics, based on the credibility of the expected value. Key Words : Hydraulic Turbine Dynamo Room, Room Acoustics, Computer Simulation 요약 : 수력발전은 물의 고저차를 이용하여 수관을 통하여, 터빈을 회전시켜 발전하는데 이때, 회전하는 터빈은 굉장히 큰 소음을 발 생시킨다. 따라서 수차발전기실의 작업자들은 서로 의사소통에 어려움을 겪을 뿐만 아니라 인접실인 사무실내에서의 작업자들 또한 이 소음으로 인해 업무에 방해를 받고 있다. 특히 수차발전기와 사무실 중간에 위치한 수차발전기실은 모든 마감면이 반사재로 되어 있을 뿐만 아니라 22,800 m 3 의 큰 체적을 갖고 있어 수차발전기 운전시 발생하는 소음을 증폭시키는 역할을 하고 있다. 따라서 본 연 구에서는 수차 발전기실의 음향성능 개선을 위해 먼저 실내 음향성능을 측정 평가하여 음향적 결함을 파악한 뒤 Computer Simulation 을 통해 예측치와 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 검증하였다. 이러한 예측의 신뢰성을 토대로 발전기 소음의 증폭을 억제하고 인접 실로 전달되는 소음을 줄이며 최적의 음향 상태를 유지할 수 있는 수차 발전기실의 개선 모델을 제안하고자 한다. 주제어 : 수차발전기실, 실내음향, 컴퓨터 시뮬레이션 1. 서 론 * 수력발전은 물의 낙차를 통해 수차(Turbine)를 돌려 발전 하는 시스템으로 공해가 없고 운전비용이 저렴한 장점을 가 지고 있다. 그러나 발전기에 연결된 터빈의 회전시 굉장히 큰 소음이 발생하며, 이로 인해 발전소 내부에서 일하는 사람 들이 업무에 집중할 수 없을 정도로 많은 피해를 입고 있는 실 정이다. 뿐만 아니라, 수차실과 사무실 중간에 위치한 수차발 전기실은 체적이 매우 크고, 반사재 위주로 마감되어 있어 발 전기 작동시 발생하는 소음을 증폭시키는 역할을 하고 있기 때문에 이에 대한 흡음대책이 필요하다. 이러한 관점에서 본 Corresponding author E-mail: [email protected] Tel: 063-850-6712 Fax: 063-843-0782 연구는 수차발전기실의 실내음향특성을 실측 및 평가하여 음향적 문제점을 찾아낸 후, 해석 기법을 통해 예측치와 실 측치를 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 검증하였다. 이러 한 예측의 신뢰성을 토대로 발전기 소음의 증폭을 억제하고 인접실로 전달되는 소음을 줄이며 최적의 음향 상태를 유지 할 수 있는 수차 발전기실의 개선 모델을 제안하고자 한다. 2. 수차 발전기실의 개요 및 실내음향측정 2.1. 수차발전기실의 개요 수차발전기실은 발전기 운행시 발생하는 소음의 시발점이 되는 수차실과 정온한 환경이 요구하는 사무실의 중간위치에 자리하고 있기 때문에, 내부음향상태가 매우 중요하다. 다음 Fig. 1은 수차발전기실 내부의 모습 및 형태이다.

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  • 大韓環境工學會誌․論文 - Original Paper -

    대한환경공학회지 29권 10호, 2007년 10월

    음향 시뮬레이션을 이용한 댐 수차발전기실의 음향성능 개선에 관한 연구

    박지창*․김재수†․김 남**

    원광대학교 건축학부․*한국수자원공사․**충북대학교 전기전자컴퓨터공학부

    ( 년 월 일 접수, 년 월 일 채택)

    A Study on the Improvement of Acoustic Performance at Hydraulic Turbine Dynamo Room

    in Dam using Acoustic Simulation

    Ji-Chang Park*․Jae-Soo Kim†․Nam Kim**

    Division of Architecture, Wonkwang University․*Korea Water Resources Corporation**School of Electrical & Computer Engineering, Chungbuk University

    ABSTRACT : Hydroelectric powergeneration generates electricity by revolving turbin through water pipe, utilizing difference of altitude of the water. And the revolving turbin in this process causes enourmous noise. Therefore, workers in Hydraulic Turbine Dynamo Room find difficulty in communicating with each other and other workers who work in offices near the generator also find a big obstacle of noise whileworking. Especially, since all the walls of the generator which is located between Hydraulic Turbine Dynamo Room and the offices are madeof sound-reflecting materials, and the generator itself has a great volume which is 22,800 m3, the noise caused by operating the HydraulicTurbine Dynamo Room becomes largely amplified. Therefore, in this research, first, to improve innerdoor sound capacity of the Hydraulic Turbine Dynamo Room, we measured and tested inner sound capacity, and grasped sound defect. And then, we compared it to the ex-pected value from computer simulation. As a result, we verified the credibility of the simulation. And also, in this research, we are going to represent a renovation model of Hydraulic Turbine Dynamo Room which can control the noise amplification in this room, minimize thenoise transfered to offices near it, and also can achieve the optimum acoustics, based on the credibility of the expected value.

    Key Words : Hydraulic Turbine Dynamo Room, Room Acoustics, Computer Simulation

    요약 : 수력발전은 물의 고저차를 이용하여 수관을 통하여, 터빈을 회전시켜 발전하는데 이때, 회전하는 터빈은 굉장히 큰 소음을 발생시킨다. 따라서 수차발전기실의 작업자들은 서로 의사소통에 어려움을 겪을 뿐만 아니라 인접실인 사무실내에서의 작업자들 또한 이 소음으로 인해 업무에 방해를 받고 있다. 특히 수차발전기와 사무실 중간에 위치한 수차발전기실은 모든 마감면이 반사재로 되어있을 뿐만 아니라 22,800 m3의 큰 체적을 갖고 있어 수차발전기 운전시 발생하는 소음을 증폭시키는 역할을 하고 있다. 따라서 본 연구에서는 수차 발전기실의 음향성능 개선을 위해 먼저 실내 음향성능을 측정 평가하여 음향적 결함을 파악한 뒤 Computer Simulation을 통해 예측치와 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 검증하였다. 이러한 예측의 신뢰성을 토대로 발전기 소음의 증폭을 억제하고 인접실로 전달되는 소음을 줄이며 최적의 음향 상태를 유지할 수 있는 수차 발전기실의 개선 모델을 제안하고자 한다.

    주제어 : 수차발전기실, 실내음향, 컴퓨터 시뮬레이션

    1. 서 론*

    수력발전은 물의 낙차를 통해 수차(Turbine)를 돌려 발전 하는 시스템으로 공해가 없고 운전비용이 저렴한 장점을 가

    지고 있다. 그러나 발전기에 연결된 터빈의 회전시 굉장히 큰 소음이 발생하며, 이로 인해 발전소 내부에서 일하는 사람들이 업무에 집중할 수 없을 정도로 많은 피해를 입고 있는 실

    정이다. 뿐만 아니라, 수차실과 사무실 중간에 위치한 수차발전기실은 체적이 매우 크고, 반사재 위주로 마감되어 있어 발전기 작동시 발생하는 소음을 증폭시키는 역할을 하고 있기

    때문에 이에 대한 흡음대책이 필요하다. 이러한 관점에서 본

    †Corresponding author

    E-mail: [email protected]: 063-850-6712 Fax: 063-843-0782

    연구는 수차발전기실의 실내음향특성을 실측 및 평가하여

    음향적 문제점을 찾아낸 후, 해석 기법을 통해 예측치와 실측치를 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 검증하였다. 이러한 예측의 신뢰성을 토대로 발전기 소음의 증폭을 억제하고

    인접실로 전달되는 소음을 줄이며 최적의 음향 상태를 유지

    할 수 있는 수차 발전기실의 개선 모델을 제안하고자 한다.

    2. 수차 발전기실의 개요 및 실내음향측정

    2.1. 수차발전기실의 개요

    수차발전기실은 발전기 운행시 발생하는 소음의 시발점이

    되는 수차실과 정온한 환경이 요구하는 사무실의 중간위치에 자리하고 있기 때문에, 내부음향상태가 매우 중요하다. 다음 Fig. 1은 수차발전기실 내부의 모습 및 형태이다.

  • 박지창․김재수․김 남

    J. of KSEE / Vol. 29, No. 10, October, 2007

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    (a) Ground figure (b) Cross section

    (c) Ceiling (d) Center (e) Right sectionFig. 1. Hydraulic turbine dynamo room.

    Table 1. Specification of the model hydrauli turbine dynamo room

    Division Specification Division Specificationlength(m) 53.5 width(m) 21.7

    ground area(m2) 1,160 volume(m3) 약 22,800

    Table 2. Acoustic absorptivity per frequency of finishing materialDivision Material 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 kHz2 kHz4 kHz

    wall and post above cement 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02

    ground

    1f urethane 0.02 0.03 0.03 0.03 0.03 0.02

    1fbasement

    finish of painton tile 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03

    iron plate 0.2 0.12 0.08 0.07 0.1 0.09

    ceiling structure of truss 0.2 0.12 0.08 0.07 0.1 0.09

    수차발전기실은 4층 높이로서 체적이 22,800 m3로 매우 크고, 내부 마감재료는 모두 반사재질로 되어 있어, 수차발전기소음을 증폭시키는 역할을 하고 있다. 다음 Table 1은 수차발전기실의 제원 및 마감재료의 주파수별 흡음률을 나타

    내고 있다.

    2.2. 수차발전기실의 실내음향 측정방법

    수차발전기실의 내부형태는 좌우대칭이며, 실의 중심을 기준으로 그리드(Grid)를 설정해 일정한 간격으로 8개소의 수음점을 선정하였다. 음원의 위치는 실내 중간지점 위치로 고정한 상태에서 측정을 실시하였으며, 측정시 수음점의 위치 및 측정 장면은 Fig. 2와 같다.측정은 ISO 3382에 준하여 실시하였으며, 음원은 ISO에서

    제안하는 무지향성 스피커(DO12)를 사용하였고, 스피커 높이

    (a) location of receiving point (b) measurement scene(sound source)

    (c) measurement figure (d) location of (e) measurement scene (receiving point) receiving point

    Fig. 2. Receiving point and measurement scene.

    ① Omni-Directional Speaker② Power Amplifier③ Realtime Frequency Analyzer④ Notebook Computer⑤ Microphone & Preamplifier

    Fig. 3. Composition of measuring machinery.

    는 1.5 m, 마이크로폰 높이는 1.2 m로 하였다. MLS(Maximum- Length Sequence)음원을 이용한 임펄스 응답측정 방식을 기본 측정 시스템으로 사용하여 배경소음에 대한 영향을 어

    느 정도 배제할 수 있었다.측정기기는 01dB사의 Symphonie 중에서 dBBATI를 사용

    하였으며, 측정기기의 구성은 Fig. 3과 같다.

    3. 수차발전기실의 음향성능

    3.1. 임펄스 응답(Impulse Response)

    수차발전기실에서 측정된 임펄스응답은 소리가 변화하는 임

    펄스의 합(sum)으로 공간이 갖는 음향적 특성을 나타낼 수 있는 모든 정보를 갖고 있으며, 이 측정 결과로부터 RT, EDT, C80, D50, RASTI같은 건축음향의 물리적 평가지수를 산출할 수 있다.

  • 음향 시뮬레이션을 이용한 댐 수차발전기실의 음향성능 개선에 관한 연구

    대한환경공학회지 29권 10호, 2007년 10월

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    (a) receiving point(No.1) (b) receiving point(No.3)

    (c) receiving point(No.5) (d) receiving point(No.7)Fig. 4. Impulse reponse.

    수차발전기실의 1번, 3번, 5번, 7번에서 측정한 임펄스 응답은 Fig. 4와 같다.

    3.2. 음압레벨(SPL, Sound Pressure Level)

    음의 세기를 나타내는 음압레벨은 실의 형태와 내부공간의 구성에 따라 매우 중요한 의미를 갖는다. 각 수음점의 음압분포는 소리의 직접음과 초기반사음 에너지의 양에 따라

    결정된다.다음 Fig. 5는 연구대상인 수차발전기실의 음압레벨 실측

    치를 수음점별로 음압레벨을 비교분석한 결과이다.Fig. 5에서 보면 건축음향의 평가기준인 500 Hz 대역에서

    평균 66.95 dB, 표준편차가 1.47 dB로 나타나 전체 위치에서 ±3 dB 이내로 균일한 분포를 보였다. 큰 체적에도 불구하고 음압분포가 균일한 것은, 반사재질의 마감재료로 인해 잔향시간이 길어져 확산음장을 형성했기 때문으로 사료된다.

    3.3. 잔향시간(RT, Reverberation Time)

    잔향시간은 울림의 양에 대한 가장 중요한 평가지수이다. 음에너지 밀도가 60 dB 감쇠하는 데까지 소요되는 시간으로 정의되며, 시간이 짧으면 명료도가 좋아지지만, 음악 등에서는 풍부한 울림이 부족하게 되고, 반대로 너무 길어지면 명료도가 나빠져서 듣기가 거북하게 된다.

    Fig. 6은 수차발전기실의 잔향시간 실측치를 수음점별로 비교 분석한 결과이다.

    Fig. 5. Actual sound pressure level of each hydraulic turbine dynamo room.

    Fig. 6. Actual reverberation time of each hydraulic turbine dynamo room.

    Fig. 6에서 500 Hz 대역에서 잔향시간 분포 형태를 살펴보면, 수음점별 잔향시간의 평균이 8.66초, 표준편차는 0.25초로 나타났다. 수차발전기실의 마감재료가 반사성이 강한 마감재이기 때문에, 모든 위치에서 잔향시간이 매우 길게 나타났으며, 이러한 긴 잔향시간으로 인하여 소리가 확산음장을 형성하여 전체적인 위치에서 편차가 크게 나타나지 않음

    을 알 수 있다.

    3.4. 음성명료도(D50, Definition)

    회화의 명료도에 관한 지수중 강연을 대상으로 하는 D50은 음의 발생이 중지한 후 50 ms 이내의 음과 총에너지의 비를 Defimition 또는 Deutlichkeit라고 한다.

    Fig. 7은 음성명료도 실측치를 수음점별로 비교․분석한 것이다.

    Fig. 7을 보면 500 Hz 대역에서 음성명료도(D50)는 평균 10.6%, 각 수음점별 편차는 2.78%로 나타나, 수차발전기실의 유지보수담당 기술자들이나 방문객의 수차실 견학시 상대방

    의 말을 거의 알아듣기 힘들고, 제대로 된 의사소통이 불가능할 것으로 사료된다.

    3.5. 음성전달지수(RASTI, Rapid Speech Transmission Index)

    실내에서 음성전달의 이해도(Speech Intelligibility)를 나타내는 주관적 척도로서, Fig. 8은 각 음성전달지수 실측치를 수음점별로 비교 분석한 것이다.

    Fig. 7. Actual definition of each hydraulic turbine dynamo room.

  • 박지창․김재수․김 남

    J. of KSEE / Vol. 29, No. 10, October, 2007

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    Fig. 8. Actual rapid speech transmission Index of each hy-draulic turbine dynamo room.

    Table 3. RASTI Valuation basisRASTI(%) Valuation measurement

    0~32 Bad(Hear nothing)32~45 Poor(Hardly hear)45~60 Fair(Hear something when strive)60~75 Good(Hear well.)

    75~100 Excellent(Hear very well, comfortably)

    Fig. 8을 보면 평균값이 33.25%이었으며, 이것을 Table 3의 RASTI 평가기준표에 넣어보면 Poor(잘 알아듣지 못한다)로 수차발전기실의 내부에서는 원음이 왜곡되어 일반적인 대화

    나 의사소통이 거의 불가능한 수준임을 알 수 있다. 또한, 음성전달지수는 대체적으로 음원에서 가까운 곳이 높으며, 음원에서 멀어질수록 값이 낮아짐을 알 수 있다.

    4. 시뮬레이션을 이용한 음향성능 개선 방법 제안

    4.1. Computer Simulation 개요

    시뮬레이션에 의한 수차발전기실 예측치와 현장에서 실측

    한 값을 비교하여 신뢰성을 파악하기 위해 해석 기법을 이용

    하였으며, 시뮬레이션시 수음점의 위치 및 개소는 8지점으로 현장조건과 동일하게 설정하였다. 수차발전기실의 시뮬레이션 모습과 수음점의 위치는 다음과 같다.

    (a) 3D of hydraulic turbine dynamo room

    (b) location of receiving pointFig. 9. Location of receiving point of simulated hydraulic tur-

    bine dynamo room.

    4.2. Computer Simulation에 의한 음선추적(Ray-tracing)

    본 연구에서는 음향성능을 개선하기 위해 Odeon 4.21 프로그램의 음선추적법(Ray-Tracing method)과 허상법(Image model method)에 의한 3차원 음향 시뮬레이션을 이용하였다. 이 방법은 설계상의 도면을 이용하여 실내 디자인 변수와 마감재

    료의 변화에 따라 음이 어떻게 반사되는지를 쉽게 알아낼

    수 있다는 장점이 있다.음향 시뮬레이션에서 측정조건은 현장측정당시와 같이 실

    내 환경은 습도 65%, 온도 28℃로 설정하였으며, 확산방법은 Lambert Method, Impulse Response 길이는 4,800 ms, Tran-sition Order는 3으로 설정하였다. 시뮬레이션에 의한 수차발전기실의 음선추적도는 다음과 같다.

    4.3. 음향성능 개선을 위한 방법

    대상 수차발전기실의 경우 큰 체적으로 인해, 재료만을 바꾸어 적정잔향시간에 맞추기에는 무리가 있기 때문에 천장에 흡음판을 설치하였으며, 벽과 기둥, 1층 바닥의 재료를 변경함으로써 흡음 성능을 향상시켰다. 단, 천장에 설치되어 있는 크레인의 움직임에 방해되지 않도록 흡음판은 크레인의 위쪽

    에 설치하였다. 설계에 적용된 흡음판은 Fig. 11과 같다.

    Fig. 10. Simulation by Ray-tracing method of hydraulic tur-bine dynamo room.

    (a) example of sound-absorbing (b) Figure of the craneplate establishment

    (c) Shape of Sound-absorbing (d) Figure of the establishedplate Sound-absorbing plate

    Fig. 11. 설계에 적용된 흡음판.

  • 음향 시뮬레이션을 이용한 댐 수차발전기실의 음향성능 개선에 관한 연구

    대한환경공학회지 29권 10호, 2007년 10월

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    Table 4. Finish material of hydraulic turbine dynamo roomDivision Material 125 Hz250 Hz500 Hz1 kHz2 kHz4 kHz

    wall and post Fabric with whole 0.35 0.65 0.78 0.76 0.7 0.62

    ground

    1f. carpet 6T 0.03 0.09 0.25 0.31 0.33 0.44

    1fbasement

    Finish of paint on tile 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03

    iron plate 0.2 0.12 0.08 0.07 0.1 0.09ceiling rook wool 50T 0.20 0.85 0.95 0.90 0.85 0.90

    수차발전기실에서 발생하는 소음을 줄이기 위해서는 다음

    식에서 실정수(R)를 크게 하여 잔향음 성분인 4R

    을 줄여

    야 한다(김재수, 소음진동학 p. 83, 2007, 세진사).

    SPL= PWL+10 log 10( Q4πr 2 +4R ) (1)

    R(실정수)= S α( 1- α)

    , α(평균흡음률)= ∑ S i α i∑ S i

    Q : 지향계수 = 1

    이론식을 이용한 계산의 경우 많은 시간이 소요될 뿐만 아

    니라 정확도도 떨어지며 흡음재료를 변경해야 할 경우 처음

    부터 다시 계산해야 하는 번거로움을 안고 있다.따라서 본 연구에서는 예측의 신뢰성이 높은 음향 시뮬레

    이션을 이용하여 소음의 저감 정도를 예측해 보고자 하였다. 이를 위해 Table 2의 개선전 재료에서 Table 4의 재료로 변경했을 경우 실정수 값을 나타내었다.

    Table 5를 보면 마감재료를 흡음률이 높은 재료로 변경하여 실정수의 값이 상승함으로써 특히 고음역의 음압레벨을

    상당히 줄일 수 있음을 예상할 수 있다.

    5. 개선후 수차발전기실의 음향성능

    5.1. 음압레벨(SPL, Sound Pressure Level)

    음압레벨은 음의세기를 나타내는 지수이며, 8개의 수음점에서 측정한 500 Hz 대역에서 음압레벨을 실측치와 예측치로 나누어 비교한 결과는 다음과 같다.

    Table 5를 통하여 예측치와 실측치가 차이가 거의 없어 시뮬레이션의 결과를 신뢰할 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 시뮬레이션을 통한 개선 전․후의 각 주파수별 음압레벨은

    Fig. 12와 같다.

    Table 5. Change of room constant after improvementDivision 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 kHz 2 kHz 4 kHzbefore

    improvement 16.96 19.94 19.94 31.31 31.31 28.28

    afterimprovement 797.58 4893.43 9099.43 7950.83 6240.12 1432.28

    Table 6. SPL(dB) of 500 Hz of each receiving point before improvement

    receiving point 1 2 3 4 5 6 7 8 average

    actual value 65.7 66.1 67.1 70.1 66.6 67.7 65.5 66.8 66.95

    expected value 66.7 67.3 67.5 67.9 67.5 68.2 66.9 67.2 67.41

    (a) comparison value of 500 Hzband before and after im-provement

    (b) expected value of each fre-

    quency after improvement

    (c) distribution chart of SPL before improvement(500 Hz band)

    (d) distribution chart of SPL

    after improvement(500 Hzband)

    Fig. 12. comparison between SPL of each receiving point be-fore and after improvement.

    Fig. 12(a)에서 500 Hz 대역에서 각 수음점별 음압레벨을 보면 개선후 평균은 58.23 dB, 표준편차는 2.63 dB로서 개선전에 비해 평균 약 8 dB 정도 줄어든 것으로 나타났다. 이는 흡음판의 설치와 마감재료의 변화로 초기반사음이 감

    쇠함에 따라 잔향시간이 짧아져, 음압레벨이 낮아진 것으로 사료된다.

    5.2. 잔향시간(RT, Reverberation Time)

    잔향시간은 울림의 양에 대한 가장 중요한 평가지수이며, 8개의 수음점에서 실측치와 예측치의 500 Hz 대역의 잔향시간을 측정한 결과는 다음과 같다.

    Table 7. RT(sec) of 500Hz of each receiving point before im-provement

    receiving point 1 2 3 4 5 6 7 8 average

    actual value 8.5 8.73 8.63 8.49 9.03 8.48 9.03 8.41 8.66

    expected value 8.57 8.61 8.68 8.76 8.63 8.65 8.65 8.47 8.63

  • 박지창․김재수․김 남

    J. of KSEE / Vol. 29, No. 10, October, 2007

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    Table 7을 통하여 본 수차발전기실은 반사성 마감재료로 인하여 모든 위치에서 잔향시간이 매우 길게 나타났으며 이

    러한 긴 잔향시간으로 인하여 소리가 확산음장을 형성하여 전

    체적인 위치에서 편차가 크게 나타나지 않음을 알 수 있다.또한 이러한 긴 잔향시간은 작업자들의 의사소통을 불가능

    하게 하기 때문에 이 소음을 저감하기 위해서는 수차발전기

    실의 벽이나 천장에 흡음재질의 재료를 설치하여, 반사음을 최소화 하는 등의 흡음대책이 필요할 것으로 사료된다. 본 연구대상 수차발전기실의 최적 설계목표는 Beranek이 제안한 체육시설의 잔향시간으로 다음 Fig. 13과 같이 500 Hz 대역에서 최적잔향시간(Vern O. Kundsen and Cyril M. Harris, “Acoustical Designing in Architecture”, JOHN WILEY & SONS.INC.,1995, M.David Egan, “Concept in Architectural Acoustic”, Bcgraw-hill book Company, 1972, p40)이 약 1.7초임을 알 수 있으며, 시뮬레이션을 통한 개선 전․후의 각 주파수별 잔향시간은 Fig. 13과 같다.

    Fig. 13. Comparison of reverberation time of model hydraulic turbine dynamo room.

    (a) comparison value of 500 Hz band before and after improvement

    (b) expected value of each fre-

    quency after improvement

    (c) distribution chart of RT before improvement(500 Hzband)

    (d) distribution chart of RT

    after improvement(500 Hzband)

    Fig. 14. Comparison between RT of each receiving point before and after improvement.

    Fig. 14(a)에서 500 Hz 대역에서 각 수음점별 잔향시간(sec)을 보면 개선후의 평균은 1.71초로 Beranek이 제안한 수차발전기실의 적정 잔향시간을 만족함을 알 수 있다. 따라서 개선 후 잔향시간의 감쇠로 인해 울림이나 소리의 확산이

    줄어들어 개선전에 비해 내부 음향상태가 향상되리라 사료

    된다.

    5.3. 음성명료도(D50, Definition)

    강연을 대상으로 하는 회화의 명료도에 관한 지수이며, 8개의 수음점에서 실측치와 예측치의 500 Hz 대역의 음성명료도를 측정한 결과는 Table 8과 같다.음성명료도 역시 예측치와 실측치가 차이가 거의 없어 시

    뮬레이션의 결과를 신뢰할 수 있을 것으로 사료된다. 시뮬레이션을 통한 개선 전․후의 각 주파수별 음성명료도는 Fig. 15와 같다.음성명료도는 55% 이상이면 명료도는 90%에 가까워져 이

    해도는 100%를 얻을 수 있다. 따라서 개선후의 평균은 80.25%로 나타나 작업자들의 상호의사소통은 개선전보다 아주 원활

    하게 이루어질 것으로 사료된다. 이는 잔향시간이 짧아짐으로써 음의 명료도가 높아진 것으로 사료된다.

    5.4. 음성전달지수(RASTI, Rapid Speech Transmission Index)

    Table 8. D50(%) of 500 Hz band of each receiving point be-fore improvement

    receiving point 1 2 3 4 5 6 7 8 average

    actual value 9.2 12.4 10.9 10.9 9.2 16.2 9 7 10.6

    expected value 9 10 15 22 19 21 7 6 13.63

    (a) comparison value of 500 Hz band before and after improvement

    (b) expected value of each fre-

    quency after improvement

    (c) distribution chart of D50 before improvement(500 Hzband)

    (d) distribution chart of D50

    after improvement(500 Hzband)

    Fig. 15. comparison between D50 of each receiving point before and after improvement.

  • 음향 시뮬레이션을 이용한 댐 수차발전기실의 음향성능 개선에 관한 연구

    대한환경공학회지 29권 10호, 2007년 10월

    7

    Table 9. RASTI(%) of 500 Hz band of each receiving point before improvement

    receiving point 1 2 3 4 5 6 7 8 average

    actual value 31 28 33 42 38 38 28 28 33.25

    expected value 29 28 37 42 38 40 27 25 33.25

    (a) comparison value of RASTI before and after improvement

    (b) distribution chart of RASTIbefore improvement

    (c) distribution chart of RASTIafter improvement

    Fig. 16. comparison between RASTI of each receiving point before and after improvement

    실내에서 음성 전달의 이해도(Speech Intelligibility)를 나타내는 주관적 척도이며, 8개의 수음점에서 실측치와 예측치의 음성전달지수를 측정한 결과는 다음과 같다.

    Fig. 16은 시뮬레이션을 통한 개선 전․후의 음성전달지수이다.

    Fig. 16에서 보면 개선후의 평균은 69.13%, 표준편차는 5.25 %로 나타나 평균값이 개선전에 비해 높아졌으며, Table 9의 Table 3의 RASTI 평가기준(김재수, 건축음향설계, 세진사 p.209)에 값을 넣어보면 개선전 “POOR (잘 알아듣지 못한다)”에서 개선후 “GOOD(잘 들린다)”로 평가됨을 알 수 있었다.따라서 개선후에는 원음이 왜곡되지 않고 잘 들을 수 있어

    작업자들에게 쾌적한 환경을 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

    6. 결론 및 향후 연구과제

    본 연구는 수력발전소 내부의 수차발전기실을 대상으로 음

    향적 결함을 찾아낸 후, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 예측의 신뢰성을 확보한 후 최적화된 수차 발전기실의 개선 모델을 제안하고자 한 연구이다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.

    1) 개선전 음압레벨의 경우 큰 체적과 마감재료로 인해 소음이 확산되어 전 수음점에서 균일한 분포를 보였다. 실내음향의 평가지수인 500 Hz 대역을 기준으로 개선전 실측치의 평가지수를 살펴보면 음압레벨(SPL)은 평균이 66.95 dB, 잔향시간(RT)은 평균이 8.66초, 음성명료도(D50)는 평균이 10.06%, 음성전달지수(RASTI)는 평균이 33.25%로 매우 열악한 음향상태를 보이고 있다.

    2) 수차 발전기실에서 물리적 음향 평가지수들에 대한 실제 현장에서 측정한 실측치와 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 예

    측치를 비교한 결과 상당히 신뢰성 있는 예측치를 제공하여 시뮬레이션에 의한 음향성능 개선의 가능성을 확인하였다.

    3) 천장에 흡음판을 설치하고 벽과 기둥의 마감재료를 변경한 후의 물리적 음향 평가지수를 살펴보면 음압레벨(SPL)은 평균이 58.23 dB, 잔향시간은 평균이 1.71초, 음성명료도(D50)는 평균이 80.25%, 음성전달지수(RASTI)는 평균이 69.13%로 나타나 개선 전보다 개선 후에 만족할 만한 음향상태로

    변경되었음을 알 수 있다.4) 음향 시뮬레이션을 이용한 수차 발전기실의 음향성능

    개선을 통해 수차발전기실에서 인접사무실로 전달되는 음향

    에너지를 감소시켜 댐 내의 사무실 근무환경을 보다 정온한 환경으로 바꿀 수 있을 것으로 사료된다.따라서 향후 이러한 자료를 토대로 설계단계에서부터 음향

    시뮬레이션을 이용하여 음향적 결함을 최소화시킨 수차발전

    기실을 설계 시공한다면 최적의 음향 조건을 갖는 댐 수차

    발전기실을 건립할 수 있을 것으로 사료된다.

    참고문헌

    1. 김재수, 건축음향설계(개정판), 세진사(2004).2. 윤재현, 주덕훈, 박지창, 김재수, “댐 수차발전기실의 소

    음·진동 특성에 관한 연구,” 대한건축학회 추계학술발표대회(2007).

    3. 국정훈, 김대군, 김재수, “댐 수차발전기실의 건축음향 특성에 관한 연구,” 대한건축학회 추계학술발표대회(2007).

    4. 정은정, 최둘, 김재수, “음향 시뮬레이션을 이용한 댐 수차발전기실의 음향성능 개선,” 대한건축학회 추게학술발표대회(2007).

    5. Heinrich Kuttruff, Room Acoustics, Elsevier Applied Sci-ence(1991).

    6. Vern, O. Kundsen and Cyril, M. Harris, “Acoustical De-signing in Architecture,” JOHN WILEY & SONS.INC. (1995).

    7. William J. Cavanaugh and Joseph A. Wilks;  Architectural Acoustics, John. Wiley & sons.

    8. M. David Egan, Concepts in Architectural Acoustics, McGRAW-Hill Book Company(1972).

    9. Duncan Templeton, David Saunders; Acoustic Design, The Architectural Press(1987).