2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A358

경량화 철도 방음시설 설치에 따른 소음저감 효과 연구

A Study of Noise Reduction Effect Establishing Weight-lightening Sound Proof Tunnel

김다래*†, 김태민*, 김정태*, 손정곤**, 류래언**

Da Rae Kim*, Tae Min Kim*†, Jeung Tae Kim*, Jung Gon Son**, Le On Ryu**

Abstract Railway noise takes place in critical noise damages to residential area around railway. In order to reduce noise propagation transferred into the surrounding area, we attempt to block noise propagation establishing soundproof walls or soundproof tunnel. So caused by high speed railroad car and high-rise apartment with development of railway technology, it is demanded study on whether it is able to apply to existing sound proof facilities and selection of materials. In a case of railroad on bridge, especially, it comes about relatively louder noises than ones of railroad on ordinary ground. And it is demanded lots of economic cost by establishing sound proof facilities. That’s why we studied that is the way on noise propagation with sound proof wall or sound proof tunnel around railroad. As result, establishing sound proof tunnel is more effective on noise reduction of high floors than sound proof walls, and in a case about using louver which is lightening than existing sound proof tunnel, it is reduced by 3 ~ 8 dB at the whole floors.

Keywords : Sound proof walls, Sound proof tunnel, Railway noise, Noise propagation 초 록 철도 소음은 철도 변 주거지역에 심각한 소음피해를 발생하게 된다. 따라서 주변 지역으로 전달되는 소음 전파를 감소시키기 위해 방음벽 또는 방음터널을 설치하여 소음 전파 현상을 차단하고자 한다. 그래서 기술 발전에 따른 철도 차량의 고속화, 공동주택의 고층화 등으로 인하여 기존 방음시설 적용 가능 여부 및 재료 선정에 대한 연구가 요구된다. 특히 교량 위의 철로 변의 경우, 일반 지반의 철도 변보다 교량 진동에 의한 소음이 상대적으로 크게 발생되며 방음 시설 설치에 따른 많은 경제적 비용이 요구되기 때문에 방음시설의 효과에 알아 볼 필요가 있다. 본 연구에서는 광음향 기법을 이용하여 교량 위 방음 시설의 종류 및 재질에 따른 소음 저감 효과를 분석하였다. 그 결과, 방음벽보다 방음 터널 설치 시 공동주택 고층부 소음 저감 효과를 보였으며, 기존 방음 터널 대비 경량화된 루버를 사용했을 때 철도 소음을 전반적으로 3 ~ 8 dB 저감해주는 것으로 나타났다.

주요어 : 방음벽, 방음터널, 철도 소음, 소음 전파

1. 서 론

국내에서 철도 변 거주 인구는 약 450만 명이며, 60dB(A) 이상의 철도 소음 노출로 인한

피해 인구는 170 여 만 명에 이르고 있다. 이는 전 인구수 대비 3 % 수준이며, 철도 변 거

† 교신저자: 홍익대학교 음향진동연구실(drkim36@naver.com)

* 홍익대학교 음향진동연구실

** (주)유신

주인구의 1/3 수준이라고 알려져 있다. 철도의 운행으로 인해 발생되는 소음피해 노출인구

를 타 교통수단과 비교한 결과는 Table 1 에 있다[1].

이에 따라 철도 소음 노출 피해에 대한 문제가 심각해 지고 있으며, 철도 소음 저감 대책

의 수립이 시급한 실정이다. 철도 소음 저감 대책에 대한 가장 이상적이고 효과적인 대안은

소음원 자체를 저감시키는 기술을 개발하는 것이다. 그러나 이는 설계단계에서 수행되어야

하는 실직적인 제약이 존재하기 때문에 소음 전달 경로를 차단하거나 방해하는 대안인, 방

음벽 또는 방음 터널 등과 같은 방음 시설을 설치를 통해 소음 저감 효과를 나타내려 노력

하고 있다[2,3].

방음벽은 철로 변에 흡음 효과가 뛰어난 재료로 벽의 형태를 띠어 소음 방사를 차단해 주

는 방음시설로, 일반적으로 평단구간의 방음벽 설치 시 약 7 층까지 효과가 있다. 방음터널

은 공동주택 고층화에 따른 방음벽 설치 높이에 한계에 대한 대안 중 하나로, 방음벽의 구

조에 지붕 형태가 추가된 구조로서 소음 차단 범위가 증가하는 이점이 있으나, 방음벽에 비

해 추가적인 비용이 든다는 단점이 있다.

특히 교량 위 철로 변의 경우, 일반 지반의 철도 변보다 교량 진동에 의한 소음이 상대적

으로 크게 발생[3]되며, 기존에 건설된 교량에 방음시설로 인한 하중이 증가됨에 따라 교량

에 대해 보강 비용이 필요하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 방음시설의 경량화 및 소음 저

감에 효과적인 재료인 음향 루버와 타공판의 영향성을 검토하였다.

2. 본 론

2.1 철도 변 방음 대책

2.1.1 방음벽

철도 변 소음 저감을 위해 전달경로에서 활용되는 방음벽은 크게 4 가지 종류로 구분할

수 있는데 첫째 흡음형, 둘째 차음형, 셋째 투명형, 넷째 간섭형 등으로 나눌 수 있으며,

각각의 형식에 따라 다양한 소재가 있다. 방음벽에 의한 감음 효과는 철도선로와 수음점을

연결한 가시선(Line of Sight) 아래지역(Shadow Zone)에서 통상 10 ∼15 dB를 기대할 수 있

고, 방음벽 높이를 가시선보다 1 m 높일 경우 감음 효과는 약 1.5 dB/m로 알려져 있다. 토

공 및 구조물공을 포함한 방음벽 설치 기초공사비는 약 400,000 원/m로 시공되고 있다. 고

Table 1 Population exposed to railway noise comparing other transportation

Classification The number of

population exposed noise(million)

Proportion (%) Note

Around railway 174 3.8 of the entire nation

(about 1/3 of people living near railway)

Based on noise at night

Around roadway 2,400 52.7 of the entire nation Based on noise at night

Around airport 140 2.9 of the entire nation Based on noise at night

가구간의 경우 간섭형 방음벽이 일반형에 비해 효과적이다.

2.1.2 방음터널

일반적인 방음대책으로 활용되는 방음벽은 아파트 5 층 이하에서 10 dB 수준의 소음 저감

효과가 있으나, 5 층 이상에 대해서는 효과적인 저감 효과를 보이고 있지 않다. 이에 반해

방음터널은 소음이 전파되는 가시선을 차단하여, 직접음의 전파경로를 차폐시키므로 아파트

5층 이상의 중･고층에서도 20 dB 소음 저감은 가능하다. 기존 교량의 설계 하중설치과정에

서 철도교량을 보강해야 할 경우 방음터널 설비비용은 기하급수 적으로 늘어나게 되며, 구

조물 보강비용은 방음터널 공사비의 2 ~ 3 배에 이른다.

2.1.3 방음시설 경량화를 위한 재료 검토

방음터널의 경우, 구조적으로 철도 고가교량에 설치할 때 측면 풍압으로 인해 구조물에 결

정적인 영향을 미치게 된다. 따라서, 풍압의 영향을 낮추기 위해서는 방음터널 측면을 개구부

로 사용하는 것이 유리하다. 문제는 터널 측면에 개구부가 존재하게 되면, 철도 주행 시 발생

되는 소음에너지도 저감 없이 주변 아파트의 중, 고층부로 전파된다. 따라서 방음터널 측면

부위를 풍압의 영향은 낮추면서, 소음의 차단은 가능하도록 해야 할 필요가 있다.

이러한 방음대책의 방법으로 활용될 수 있는 수단으로 유체를 통과시킬 수 있는 공간을 확보

하면서 동시에 경량화를 꾀할 수 있는 음향 루버(Louver), 타공판 구조 등이 있다. Fig. 1(a)

와 같은 음향 루버는 작동하는 압력 변동을 최고화 하면서 유체가 통과하면서 소음 에너지도

유동 경로 상에서 흡수시킴으로써 음향감소 효과를 볼 수 있다. 풍압의 영향을 감소시키기 위

한 또 다른 방법으로 Fig. 1(b)와 같은 타공판의 활용가능성을 고려하고 있다. 타공판의 경우,

부분적인 공기 유동을 보장하면서 통과과정에서 소음을 감소시키는 효과를 기대할 수 있다.

2.2 광음향기법을 이용한 철도 소음 방음 시설 효과 예측

2.2.1 해석 기법 및 해석 모델

광음향기법이란 빛의 직진성과 음향전파의 직진성과의 유사성을 이용하여 음향을 빛으로 가

정하여 음향 전파를 해석하는 기법으로서 실내음향, 산업소음, 환경소음, 환경음향 부분에 주

(a) Louver (b) punching plate

Fig. 1 Louver and punching plate applied to sound proof tunnel

로 사용되고 있다. 본 연구는 주행하는 철도 소음이 미치는 철도 변 소음 영향을 분석하기 위

함이며 대상이 되는 소음원이 철도 소음으로서 중/고주파 대역이기 때문에 광음향기법의 사용

이 적합하다. 해석 대상이 되는 모델은 인천 수인선의 방음 터널이 설치된 구간이며, 교량 위

아파트 5 층 높이의 철로에서 방음벽과 현재 방음 터널 및 방음 터널 재료 타입을 바꾼 모델

을 분석하였다. 다시 말하면, 본 연구에서는 광음향기법 상용 소프트웨어인 RAYNOISE를 사용

하여 고가고량 위 철로에서의 방음벽 및 방음터널 설치, 방음터널 재질(음향 루버 및 타공판

등)을 달리 한 총 다섯 가지 모델에 따른 방음 시설 소음 저감 효과를 분석하였다.

실제 방음 터널이 설치된 지역인 인천 수인선 구간의 해석 모델은 Fig. 2와 같다. 해당 철

도 구간과 인접한 네 곳의 아파트를 구현했으며 철도와 가장 가까운 아파트 한 곳을 소음레벨

해석 대상으로 선정하였다. 아파트 높이에 따른 소음 저감 효과를 살펴 보기 위해 1 층부터

29 층까지 5 층 단위로 분석하였다.

2.2.2 해석 결과

방음벽 및 방음터널 설치와 방음터널 재질을 음향 루버와 타공판으로 변경한 해석 모델의

철도 소음 효과 예측 결과는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3 Analytical model on sound proof tunnel

Fig. 2 Analytical model: a station near In-cheon, Su-in line

방음시설 미설치 시 10 ~ 20 층 구간에서 80 dB이 넘는 소음이 예측되었지만, 방음시설

미설치 시 대비 방음시설 설치 시 소음 감소량을 Fig. 4와 같이 나타냈을 때, 방음벽을

설치함으로써 전반적인 낮은 음압레벨분포를 확인했다. 철로의 높이가 아파트 약 5층 높이인

점을 고려해보면, 아파트 5 ~ 10 층 높이에서의 소음 저감 효과는 방음 시설 구조 자체에서

직접음 방사를 차단된 결과로 판단된다. 한편, 교량 위 방음터널 설치에 대한 효과는 방음벽

설치 시 대비 20 층 이상의 고층부에서 3 ~ 13 dB 수준의 효과를 보여주고 있다. 다시 말해서,

방음벽 설치 시 직접음 이하의 층에서는 소음 저감효과가 크지만, 직접음 이상의 층에서는

방음벽 설치에 대한 소음저감 효과가 상대적으로 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 따라서

철도 변 인근 지역에 고층 건물이 있는 경우 고층까지의 소음 저감 장치로는 방음벽보다

방음터널이 더 적합 할 것으로 판단된다.

기존 방음터널 대비 방음터널의 재질을 달리 했을 경우, 기존 방음 터널보다 음향 루버

모델이 아파트 높이에 따라 전반적으로 큰 소음 저감 효과를 보였다. 특히 15층 미만의

구간에서 5 dB 저감된 효과를 확인했다. 25 층 이상에서는 음원에서 거리가 충분히 멀기

때문에 거리에 비례하여 소음에 대한 영향이 줄어드는 것으로 판단된다. 반면 타공판 방음

터널 모델에서 다른 모델의 경향과는 달리 25층에서 29 층의 음압레벨이 감소되는 기울기를

띄는데, 이는 특이점으로 판단되며, 좀 더 정확한 분석을 위한 추가적인 해석이 요구된다.

한편, 타공판의 경우를 보면, 15 층 미만의 구간에서 기존 방음 터널보다 소음 저감 효과가

떨어지는 것이 확인되었다. 따라서, 아파트 고층부의 소음 저감 효과는 방음 터널의 지붕

구조에, 저층부에 대한 소음 저감 효과는 방음 터널 벽 부위에서의 재료에 따른 영향을 받는

것으로 판단된다.

3. 결 론

철도 소음은 철도 변 주거지역에 심각한 소음 피해를 초래한다. 철도 소음 피해를 줄이기 위

해 가장 이상적인 대안인 소음원 자체를 줄이는 방법은 시간적·경제적 비용의 한계가 있기

(a) Noise reduction effect of sound proof facilities (b) Noise reduction effect of weight lightening

material(Louver and punching plate)

Fig. 4 The decrement of SPL against a case of no sound proof facilities

때문에, 철도 변에서 주변 지역으로 전달되는 소음 전파를 감소시키기 위한 방안으로 방음벽

또는 방음터널을 설치하여 소음 전파 현상을 차단하고자 한다. 더불어, 철도 차량의 고속화

및 공동주택의 고층화로 인해, 기존 방음시설 적용 가능 여부 및 재료 선정에 대한 연구가 요

구된다. 특히 교량 위 철로 변의 경우, 일반 지반의 철도 변보다 교량 진동에 의한 소음이 상

대적으로 크게 발생되며, 방음 시설 설치에 따른 많은 경제적 비용이 요구되기 때문에 교량

위 방음시설의 소음 저감 효과에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 광음향 기법을 이용하

여 교량 위 방음 시설의 종류 및 재질에 따른 소음 저감 효과를 분석해 보았다.

광음향 기법 상용 소프트웨어인 RAYNOISE를 이용하여, 경량화된 재료에 초점을 맞추어 방음

시설의 종류 및 재질에 따른 소음 저감 효과를 살펴 본 결과, 방음벽에 비해 방음터널의 경우

아파트의 고층부의 소음 저감에 상대적으로 효과적임을 알 수 있었다. 또한, 추가적인 방음

시설 설치에 따른 경제적 비용 고려 및 아파트 전 층의 소음 저감 효과를 예측한 결과 음향

루버를 사용한 방음 터널이 가장 효과적인 것으로 나타났다.

기존의 방음 터널 설치 시 저감 효과를 기준으로, 타공판을 재료로 한 방음 터널은 루버를

재료로 한 방음 터널보다 철도 소음 저감에 효과적이지 않다. 그러나 교량이 버틸 수 있는 하

중 측면의 경량화, 음향학적으로 소음 방지 효과에 최적화된 타공율, 풍하중을 감소시킬 수

있는 정량적인 구조 검토를 수행한다면 기존 설치된 교량 위에 방음 시설 설치 시 경제적 비

용을 줄이면서 교량 위 방음 터널에 대한 방음 대책에도 효과적인 대안이 될 것이다.

후 기

본 연구는 한국연구재단 기초연구사업의 “철도소음 예측 및 평가를 위한 상사모델 시험기법

연구(2014045600)”와 국토해양부의 “철도 선로변 지속가능 저소음화 기술개발 중 방음터널

음향분야 기술정보 지원 (201400710001)”로 수행된 연구 결과의 일부입니다.

참고문헌

[1] D. J. Kang, W. S. Lee, J. W. Lee, Y. C. Kim, et al., (2002) A study on the calculation of population

exposed to transportation noise (Ⅱ), Report of NIER. Korea, National Institute of Environmental

Research, Vol.24, pp. 259 ~ 275

[2] H. S. Na, Y. G. Kim, T. R. Seong, (1999) Reduction of traffic noise using soundproof tunnel,

Proceedings of the autumn Conference of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering,

pp.75~80

[3] B. S. Kim, T. K. Lee, S. I. Han, D. Y. Y, et al., (2010) Counter Plan for Reduction of Elevated Railway

Bridge Noise, Proceedings of the spring Conference of the Korean Society for Railway, pp.6~12