< Previous강민우, 오양기 한국음향학회지 제 42 권 제 6 호 (2023) 596 II. 규격조사 및 연구내용 2.1 규격조사 이 연구에서 사용한 규격은 세 가지 이다. 먼저 경 량 바닥충격음을 측정하는 방법으로 ‘KS F ISO 16283-2 건물 및 건물 부재의 차음 성능 현장 측정 방 법 – 제2부:바닥 충격음 차단 성능’ [10] 을 인용 및 준용 하였다. 두 번째로는 측정된 경량 바닥충격음을 평 가 하는 방법으로 ‘KS F ISO 717-2 건물 및 건물 부재 의 차음 성능 평가 방법 제2부:바닥 충격음 차단 성 능’ [11] 이다. 이 규격에서는 측정 된 경량 바닥충격음 을 단일수치 값으로 평가하기 위해 인용하였다. 세 번째는 완충재의 동탄성계수를 측정하는 방법으로 ‘KS F 2868 거주공간 뜬바닥용 재료의 동탄성계수 측정방법’이다. 이 규격에서는 완충재의 동탄성계 수를 측정하고 평가하는 시험 방법을 본 논문에 인 용 및 준용하였다. 마지막으로 ISO 16251-1 : 2014 [12] 의 규격에서는 소형 시편을 이용한 경량 바닥충격음 차단성능을 측정하는 방법을 제시하고 있다. 특히 이 규격은 Tapping machine을 그대로 활용하여 측정 하는 것으로 바닥마감재의 성능을 측정 하는데 매우 유용한 규격일 것이다. 하지만 본 연구는 지금 사용 되는 경량 충격원보다 간단한 성능 검증 방법을 모 색하기 위한 것으로 간단 측정 방법에 근거하여 연 구를 진행하였다. 2.2 연구방법 및 내용 이 연구의 목적이자 가장 기본적인 연구 가설은 간단한 측정을 통해 경량바닥충격음 차단성능의 경 향을 어느 정도 예측할 수 있다는 것이다. 이에 대해 아직 정해진 규격이나 특별한 방법이 없어 이 연구 에서는 기존 규격을 준용 하였다. 가장 먼저 실험 대 상이 될 바닥마감재를 3가지로 구성하였다. 일반적 으로 대부분의 공동주택이 강마루를 사용하고 있기 때문에 강마루를 선정하였다. 강마루와 부틸고무를 접착하여 시료 1개를 제작 하였으며, 강마루와 탄성 이 있는 방음재로 시료 1개를 추가 제작하였다. 바닥 마감재는 강마루, 부틸고무 접착 강마루, 방음재 접 착 강마루 총 3가지이다. 실험에 사용된 시료와 같은 바닥마감재를 200 mm × 200 mm 로 제작하여 단위 면 적당 겉보기 동탄성계수 산출에 필요한 고유진동수 (f 0 )를 측정하였다. 또 같은 바닥마감재를 실제 공동 주택 바닥충격음 저감성능 테스트가 가능한 Mock- up 실험동에서 경량 바닥충격음 저감성능 테스트를 진행하였다. 마지막으로 표준 경량 바닥충격원인 Tapping machine의 해머 한 개를 모방하여 500 g, 지름 30 mm로 제작하였고, 40 mm 에서 자유낙하 하는 순 간의 진동을 측정하는 간단한 실험을 통해 바닥마감 재의 진동 특성을 파악하고자 하였다. 이렇게 총 3 가 지의 바닥마감재를 가지고 4 가지의 실험을 통해 경 량 바닥충격음 저감성능도 간단한 시료의 측정을 통 해 예측이 가능한지에 대한 가설을 검증하고자 한 것이 이 논문의 연구 방법이다. 단순히 바닥충격음 측정 데이터와 진동측정 데이터 그리고 동탄성 측정 계수 등 서로 다른 측정 결과를 비교하고 분석하는 것이 어떠한 이론적 검증이나 정량적인 값을 도출할 수는 없겠으나, 앞서 밝힌 바와 같이 이 연구는 단순 히 바닥마감재의 간단한 측정을 통해 경량 바닥충격 음 저감성능을 예측할 수 있을지에 대한 가능성과 논지를 언급하고자 하는데 큰 의미가 있다. III. 실 험 3.1 실험개요 바닥마감재 제작을 포함한 실험의 모든 단계는 총 5개 부분으로 다음과 같이 분류한다. 3.1.1 바닥마감재 제작 실험에 사용된 강마루는 7 mm 두께를 가진 일반 적인 강마루이다. 이것이 첫 번째 시료이고 두 번째 시료는 강마루에 부틸고무로 불리는 아이소부틸렌 과 소량의 아이소프렌을 저온에서 액체상태로 이온 중합한 합성고무 2 mm를 부착하여 만들었다. 마지 막 시료는 강마루에 Ethylene-Vinyl Acetate copolymer (EVA) 재질의 메모리폼 6 mm가 부착된 것으로 제작 하였다. 시료 3가지는 점점 두껍고 물렁물렁해 지는 경향으로 제작한 것이다. Table 1은 제작된 바닥마감 재에 대한 상세 정보를 나타낸것이고, 시료의 상태 는 아래 Fig. 1과 같다. 공동주택 경량 바닥충격음 저감성능 예측을 위한 바닥마감재 간이측정 방법 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.42, No.6 (2023) 597 3.1.2 실험실 경량 바닥충격음 측정 제작된 바닥마감재 3종을 통해 경량 바닥충격음 저감성능을 측정하였다. 실험은 경기 수원에 위치한 D 연구소 음향실험실이다. 이 실험은 바닥마감재에 대한 명확한 저감성능 측정이 아닌 단순히 바닥마감 재에 따라 경량 바닥충격음의 저감 성능을 파악하고 자 하였기 때문에 바닥충격음 가진을 중앙 가진 1개 와 모서리가진 1개 총 2지점을 가진하였다. 해당 실 험실은 기존의 잔향실로서 바닥에 바닥마감재를 모 두 설치할 수 없어 Tapping machine이 모두 올라갈 수 있는 크기의 마감재를 구성하여 타격 지점에서 실험 을 진행하였다. 마감재의 크기는 가로 800 mm × 360 mm로 구성하였다. 가진실의 바닥은 210 mm 두께의 슬라브로 구성되어 있다. 이는 ‘KS F 2865 바닥 표면 마감재에 의한 경량 및 중량 충격음 저감량 실험실 측정 방법’ [13] 의 기준 슬라브 두께인 120 mm ~ 210 mm 이내를 만족한다. 수음실의 마이크로폰은 중앙1 점, 모서리 4점으로 총 5점에서 측정하였다. 가진 지 점과 수음실은 아래 Fig. 2와 같다. 3.1.3 바닥마감재의 고유진동수(f 0 ) 측정 제작된 바닥마감재의 고유진동수(f 0 ) 측정을 진행 하였다. 시료는 완충재가 아닌 바닥마감재 이지만 바닥마감재의 특성을 측정할 수 있는 다른 측정 규 격이 없어 현행 완충재 동탄성계수 측정 규격을 준 용하여 측정하였다. 같은 D 연구소 음향 시험동에서 측정하였으며 측정에 준용한 측정 규격 내 측정방법 의 상세는 아래 Fig. 3과 같다. 그림에 표시된 모든 것은 동일하게 유지하되 표본 만 기존 완충재에서 이 실험에 사용된 7 mm ~ 15 mm 이내의 바닥마감재 3가지로 변경하여 진행된 고유 진동수(f 0 ) 측정 실험이다. 3.1.4 Mock-up 실험동 경량 바닥충격음 측정 실제 공동주택 현장에서의 경량 바닥충격음 저감 특성을 파악하기 위해 바닥구조 인정 시험을 수행하 는 세종시에 위치한 Mock-up 실험동에서 바닥마감 재 별 경량 바닥충격음을 측정하였다. 측정방법은 보다 유의미한 결과를 도출하고자 현행 규격에 따라 측정하고 평가하였다. 해당 Mock-up 실험동의 바닥 은 아무 바닥구조도 설치되어 있지 않은 맨 슬라브 상태이다. 다른 상부 바닥구조가 설치되었을 때 생 길 수 있는 변수를 차단하고자 맨 슬라브를 선택하 였다. Mock-up 실험실 일정에 따라 바닥마감재를 전 체 바닥에 설치할 수 없고 또한 바닥마감재 3개를 교 Table 1. Detail information of floor finishing materials. Floor finishing material Total thickness Type Laminate floor 7 mm7 mmLaminate timber Laminate floor + Butyl rubber 2 mm 9 mm isobutylene-isoprene rubber Laminate floor + Memory form 6 mm 13 mm ethylene-vinyl acetate copolymer Fig. 1. (Color available online) Composition of experimental floor finishing materials. Fig. 2. (Color available online) Lightweight floor impact sound measurement in the D laboratory. Fig. 3. Measurement by pulse excitation method.강민우, 오양기 한국음향학회지 제 42 권 제 6 호 (2023) 598 체 실험해야 하기 때문에 실험은 Tapping machine이 온전히 올라갈 수 있는 크기로 마감재를 구성하여 각 타격지점에 서 가진하는 방법으로 측정을 진행하 였다. 상세 측정과 수음은 아래 Fig. 4와 같다. 3.1.5 바닥마감재의 진동 특성 간이 측정 새로운 간이 측정방법을 통해 바닥마감재의 경량 충격음 차단성능 특성을 파악하고자 하는 실험을 진 행하였다. 현행 규격에서 사용되는 경량 바닥충격음 표준 충격원인 Tapping machine은 500 g의 해머 5개가 40 mm 높이에서 자유낙하 하면서 생기는 충격력으 로 충격음을 발생시키는 장치이다. 이 충격원의 해 머 1개를 모방하여 제작하였다. 단순히 질량 500 g 과 바닥면을 타격하는 부분의 지름 30 mm 를 만족하는 원통형으로 제작 하였다. 그리고 바닥마감재를 측정 할 수 있는 하나의 틀을 철제로 제작 하였으며, 중심 부에서는 무게추를 자유 낙하 시킬수 있도록 제작하 였다. 간략한 무게추와 철제 틀은 아래 Fig. 5와 같다. 이렇게 제작된 간이 측정 틀을 통해 충격력을 발생 시키는 간이 측정 모델의 운용은 다음 순서에 따라 측정하였다. 먼저, 철제프레임 아래에 실험에 사용할 바닥마감 재를 놓는다. 두 번째 시료 위로 무게추 고정장치를 정중앙에 위치시킨다. 세 번째 무게추를 고정장치에 넣고 고리에 끈을 묶어 철제프레임에 통과 시킨다. 네 번째 무게추가 놓인 위치를 끈에 마킹하고 40 mm 를 당겨서 다시 끈에 마킹한다. 다섯 째 시료에 진동 센서를 부착한다. 여섯 째 40 mm 마킹 된 부분까지 끈을 잡아당긴후 자유낙하 되도록 놓는다. 마지막으 로 충격력에 대한 진동 데이터를 분석기로 분석한다. 위 순서에서 무게추 고정장치는 무게추가 자유낙하 는데에 방해가 되지 않으면서 무게추가 충격력을 발 생시킨 후에 흔들리거나 다른 충격력을 발생시키지 않도록 원통의 틀을 통해 무게추를 고정 시키는 장치 이다. 위와 같은 실험 순서에 대한 정보는 Fig. 6과 같다. 3.2 실험 분석 내용 각 실험별로 각자 다른 측정 방법과 평가방법을 통해 데이터를 수집하였다. 4가지 실험을 분류하면 2개는 실험실과 mock-up실험실에서의 경량 바닥충 격음 저감성능 측정 데이터이고, 다른 2개는 바닥마 감재의 특성을 파악하기 위한 진동 측정 데이터라 할 수 있다. 이론적으로 이 두 가지로 분류된 데이터 를 직접 비교 분석하는 것은 타당하지 않으나 이 연 구에서는 실제 경량 바닥충격음 저감 성능과 바닥마 감재의 탄성 및 진동 특성 실험을 통해 어느 정도 예 측할 수 있는지에 대한 가능성을 확인하고자 한 것 이므로 단순 비교 분석을 진행하였다. IV. 실험 결과 및 분석 4.1 실험실과 Mock-up 실험실에서 바닥마감 재에 따른 경량 바닥충격음 저감 성능 D 음향 실험실 바닥마감재에 따른 경량 바닥충격 음 저감성능 측정 데이터와 세종시 Mock-up 실험실 측정 데이터를 비교 분석하였다. 실험이 진행된 실 험실의 구조와 바닥의 두께 여러 가지 요소에 따라 Fig. 4. (Color available online) Lightweight floor impact sound measurement on floor finishing materials in mock-up laboratory. Fig. 5. (Color available online) Weight(500 g) and steel frame. Fig. 6. (Color available online) Measurement of free fall impact force using an initial impact generator.공동주택 경량 바닥충격음 저감성능 예측을 위한 바닥마감재 간이측정 방법 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.42, No.6 (2023) 599 발생 할 수 있는 차이를 감안 하면 매우 유사한 저감 성능을 나타내고 있다. D 실험실의 경우 저감 성능 이 나타나는 주요 주파수대역이 400 Hz 대역인 반면 Mock-up 실험실의 저감 주파수대역은 250 Hz로 나타 났다. 이는 벽식 구조로 실제 공동주택과 유사하게 바닥 슬라브 210 mm로 지어진 Mock-up 실험실에 비 해 D 연구소는 상대적 비교만 가능하도록 설계된 바 닥충격음 실험실로 구조적 차이에서 오는 차이로 판 단된다. 이 분석은 바닥마감재가 다양한 형태로 개 발 될 수 있는 가능성을 파악하기 위한 것이다. 측정 결과와 경향을 파악할 수 있는 그래프는 아래 Figs. 7 과 8에 나타냈다. 단일수치값으로 평가 했을 때, 맨 슬라브 대비 최 소 10 dB에서 최대 19 dB까지 저감성능이 향상 되었 음을 확인할 수 있었다. 향후 바닥마감재 개발에 있 어 보행감에 대한 보완만 해결할 수 있다면 경량 바 닥충격음 저감을 위한 새로운 바닥마감재의 개발이 가능할 것으로 판단 된다. 4.2 고유진동수(f 0 ) 측정 결과와 간이측정 결과 비교 분석 D 실험실에서 실제 KS F 2868 완충재 동탄성계수 측정 방법에서 제시한 측정 방법으로 고유진동수 (F 0 )를 구하였고, 무게추를 활용한 간이측정방법으 로는 진동 측정 데이터 분석을 통해 고유진동수(F 0 ) 를 구하였다. 그 결과는 아래 Table 2와 같다. 두 실험 은 실험 방법 자체가 완전히 다른 측정 방법이다. KS 규격에 의한 실험은 시료를 하중판으로 누른 상태에 서 임팩트해머를 통해 측정한 파형으로 산출 하였지 만, 간이 측정 방법으로 측정한 결과는 바닥마감재 를 바로 가진하고 진동센서로 픽업한 데이터를 해석 하여 산출한 것이다. 이와 같은 결과는 사실 비교 분석이 불가능하다. 특히, KS 규격으로 측정한 강마루 7 mm의 경우는 고 유진동수를 구할 수 없는 수준으로 탄성이 발생하지 않았다. 하지만 간이 측정방법에서는 탄성이 발생하 였는데, 이는 누름판으로인해 하중이 추가된 상태에 서 하중판의 진동 응답을 측정하는 KS F 2868의 방법 과 누름판 없이 바닥마감재에 바로 부착된 진동센서 의 진동 응답을 측정하는 측정 방법에 의한 차이로 판단된다. 이 분석 결과를 통해 간이 측정방법을 기 존 동탄성계수 측정방법의 규격의 개선으로 할지 추 가 연구와 실험으로 새로운 간이 측정방법을 만들지 에 대해 향후 추가적으로 연구해 봐야할 것이다. 4.3 경량 바닥충격음 저감 성능 예측 가능성 검토 이 분석에서는 바닥마감재 3가지의 경량 바닥충 격음 저감성능과 무게추 간이 측정방법으로 측정된 진동 측정데이터를 통해 경량 바닥충격음 저감성능 Fig. 7. (Color available online) Measurement result of lightweight floor impact sound in D laboratory. Fig. 8. (Color available online) Measurement result of lightweight floor impact sound in Mock-up laboratory sejong. Table 2. Natural vibration value of simple measurement method. KS F 2868 Simple measurement method Laminate floor 7 mm-700 Hz Laminate floor + Butyl rubber 2 mm 1.6 Hz200 Hz Laminate floor + Memory form 6 mm 28.5 Hz575 Hz강민우, 오양기 한국음향학회지 제 42 권 제 6 호 (2023) 600 을 예측할 수 있는지에 대해 비교 분석하였다. 경량 바닥충격음 저감 성능 데이터는 Mock-up 실 험실에서 측정한 데이터만을 사용하였다. KS F 2868 로 측정된 동탄성계수 데이터는 탄성이 측정되지 않 는 데이터가 있어 이 분석에서는 제외하였다. Fig. 9 는 바닥마감재별 경량바닥충격음 저감성능을 주파 수분석한 것이다. 앞선 분석과 같이 바닥마감재의 두 께가 두꺼워 지고 탄성이 증가할수록 경량 바닥충격 음의 저감성능이 향상 됨을 확인했다. Fig. 10은 간이 측정 결과를 주파수분석한 것이다. 이 분석에서는 강 마루만 측정한 결과를 제외하고 두 가지 바닥마감재 가 같은 경향을 나타냈다. 탄성이 있는 하지재에 의 해 상부구조인 강마루의 진동 특성이 변화한 것으로 판단된다. 이 결과는 마감재에 탄성이 있는 재료가 추가됨에 따라 발생할 수 있는 상황으로 판단된다. Table 3은 경량 바닥충격음 저감성능 주파수분석 데이터와 간이 진동 측정 주파수 데이터를 서로 상 관분석한 것이다. 그 결과 강마루만 있을 때는 어느 저도 유의미한 결과를 보이는데 바닥마감재가 탄성 을 갖는 2가지 재료에서는 계수가 역전되는 결과를 보였다. 이와 같은 결과는 바닥과 시료 사이에 탄성 층이 있는 경우와 없는 경우로 구분할 수 있다. 이러 Fig. 9. (Color available online) Frequency band analysis of different value of lightweight floor impact sound. Fig. 10. (Color available online) Frequency bnad of simple measurement method. Table 3. Correlation value of lightweight floor impact sound reduction value and simple measurement method value. Laminate floor 7 mm Laminate floor + Butyl rubber 2 mm Laminate floor + Memory form 6 mm Correlation value 0.69-0.20-0.21 R 2 0.480.040.04 Fig. 11. (Color available online) Regression curve of Laminate floor 7 mm. Fig. 12. (Color available online) Regression curve of Laminate floor 7 mm + Butyl rubber 2 mm. Fig. 13. (Color available online) Regression cutve of Laminate floor 7 mm + Memory form 6 mm.공동주택 경량 바닥충격음 저감성능 예측을 위한 바닥마감재 간이측정 방법 연구 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.42, No.6 (2023) 601 한 결과로 미루어 볼 때 향후 간이 측정 방법은 진동 특성이 명확히 측정 될 수 있도록 바닥마감재의 부 착 방법과 진동센서의 부착 위치 등에 대해 고려가 필요하고, KS F 2868 측정방법을 활용한 바닥마감재 특성 측정 방법은 시료의 구성을 명확하게 하여 보 다 개연성 있는 방법으로 발전시켜나가야 할 것이다. 그에 대한 적절한 방법으로 ISO 16251-1 : 2014의 규 격에 의한 축소모형 실험과 이를 활용한 연구 Branco 와 Godinho [8] , Pereira et al. [9] 와의 비교 및 분석을 통해 이 연구의 문제로 지적할 수 있는 재현성과 타당성 에 대해 구체적인 측정 방법의 연구가 필요하다. 위 Figs. 11 ~ 13은 각 바닥마감재의 주파수대역별 경량 바닥충격음 저감성능과 간이측정 방법에 의한 주파수대역별 진동 측정 값을 상관성 분석한 결과 를 그래프로 나타낸 것이다. 이 분석을 통해 경량 바 닥충격음 저감성능을 예측 하는 방법을 검증하고자 하였다. 하지만 이 연구는 가장 초기단계의 논의를 제안하고자 실험한 것으로 실험 데이터 자체에 정 량적 분석과 재연성이 부족하지만 다양한 시도를 통해 연구의 가설을 검증하고자 한 분석으로 해석 할 수 있다. V. 결 론 이 연구에서는 향후 중요한 바닥 구성 재료가 될 수 있는 바닥마감재를 다양한 방향으로 개발하고 이 를 적용하여 경량 바닥충격음 저감성능을 파악하고 자 하였다. 특히 바닥마감재의 동탄성계수 및 진동 특성등을 조사하여 바닥마감재의 간단한 측정만으 로 경량 바닥충격음 저감성능을 예측할 수 있는지에 대해 가능성을 검토하고자 하였다. 첫 번째로 기존 강마루에 탄성이 있는 부틸고무 또는 메모리폼 등을 추가하여 경량 바닥충격음 저감성능을 측정한 결과 최대 19 dB 까지 저감성능을 확보 할 수 있었다. 두 번 째로 기존 KS 규격을 준용하여 동탄성 계수를 측정 하였으며, Tapping machine의 해머를 모방하여 만든 무게추로 간이 측정한 결과를 함께 분석하였다. 그 결과 특별한 연관성을 밝히지는 못했으나 부틸고무 나 메모리폼과 같은 탄성이 있는 재료가 강마루와 결합했을 때 특별한 변화를 확인할 수 있었다. 마지 막으로 바닥마감재별 경량 바닥충격음 저감성능과 간이 실험의 진동측정 주파수분석 결과를 서로 상관 분석하였다. 그 결과 강마루 하나만을 비교했을 때 는 0.6 이상의 의미 있는 결과를 확인하였으나 탄성 재료가 추가된 경우는 의미 있는 결과를 확인하지 못하였다. 이 연구는 단순히 바닥마감재에 대한 연 구가 많이 부족했음을 인지하고 향후 충분히 연구 가치가 있는 바닥마감재에 의한 경량바닥충격음 저 감성능과 진동 특성 파악을 통한 예측 가능성에 대 해 간단한 실험으로 확인해 보는 것에 한계가 있다. 향후 연구에서는 ISO 16251-1 : 2014의 규격을 근거 로 하여, 축소모형 활용 및 충격원 간편화 관점에서 다양한 측정 방법 모색 연구가 필요하고, 여러 가지 바닥마감재 및 다양한 바닥구조에서의 실험 결과를 통해 정량적인 결과를 도출할 수 있는 연구가 진행 되어야 할 것이다. 감사의 글 이 연구는 한국연구재단의 정부지원(과학기술정 보통신부)으로 진행 되었습니다. NRF-2020R1A2C10 15162. 이 논문은 2023년도 정부(교육부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (NRF-2022R1I1A1A01072221). References 1.J. O. Yeon, K. W. Kim, H. K. Shin, A. Y. Jung, and K. S. Yang, “Heavy-weight impact sound reduction by coverings in reduction by coverings in standard floating floor system” (in Korean), Proc. KSNVE Annual Spring Conf. 362-363 (2016). 2.M. W. Kang, N. S. Lee, K. W. Lee, and Y. K. Oh “Heavyweight impact sound reducing performance of slab integrated floor structure according to types of upper structure of existing apartment slab” (in Korean), J. Korean Soc. Living Environ. Sys. 22, 940-946 (2015). 3.M. W. Kang, D. H. Park, and Y. K. Oh. “Dynamic elasticity measurement of floor covering materials for estimating floor impact sound blocking performance” (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. Suppl. 2(s) 41, 11 강민우, 오양기 한국음향학회지 제 42 권 제 6 호 (2023) 602 (2022). 4.KS F 2868, Determination of Dynamic Stiffness of Materials Used Under Floating Floors in Dwellings, 2003. 5.ISO10140-1, Acoustics - Laboratory Measurement of Sound Insulation of Building Elements — Part1: Application Rules for Specific Products, 2021. 6.ISO 10140-3, Acoustics - Laboratory Measurement of Sound Insulation of Building Elements — Part3: Measurement of Impact Sound Insulation, 2021. 7.G. G. Song, Y. H. Kim, J. K. Ryu, and M. J. Kim “Analysis of heavyweight floor impact sound level with dynamic stiffness and thickness of EPS type resilient materials” (in Korean), Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng. 28, 713-720 (2018). 8.F. Branco and L. Godinho “On the use of lightweight mortars for the minimization of impact sound trans- mission,” Constr. Build. Mater. 45, 184-191 (2013). 9.A. Pereira, L. Godinho, D. Masteus, J. Ramis, and F. Branco “Assessment of a simplified experimental procedure to evaluate impact sound reduction of floor coverings,” Appl. Acoust. 79, 92-103 (2014). 10.KS F ISO 16283-2, Acoustics - Field Measurement of Sound Insulation in Buildings and of Building Elements — Part 2 : Impact Sound Insulations, 2017. 11.KS F ISO 717-2, 2020 Acoustics - Rating of Sound Insulation in Buildings and of Building Elements — Part 2: Impact Sound Insulation, 2019. 12.ISO 16251-1:2014, Acoustics - Laboratory Measurement of The Reduction of Transmitted Impact Noise by Floor Covering on A Small Floor Mock-Up— Part 1: Heavyweight Compact Floor, 2014. 13.KS F 2865, Laboratory Measurments of The Reduction of Transmitted Impact Sound by Floor Covering Materials Using Standard Light and Heavy Impact Sources,2020. 저자 약력 ▸강 민 우 (Min‑Woo KANG) 2013년 2월 : 목포대학교 건축학사 2016년 2월 : 목포대학교 건축학석사 2022년 2월 : 목포대학교 건축학박사 2022년 3월 ~ 현재 : 목포대학교 건축학과 Post-Doc. ▸오 양 기 (Yang‑Ki OH) 1984년 2월 : 서울대학교 건축학과 공학사 1986년 2월 : 서울대학교 대학원 건축학과 공학석사 1990년 2월 : 서울대학교 대학원 건축학과 공학박사 1991년 3월~현재 : 목포대학교 건축학과 교수한국음향학회지 제42권 제6호 pp. 603～616 (2023) The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.42, No.6 (2023) https://doi.org/10.7776/ASK.2023.42.6.603 pISSN : 1225-4428 eISSN : 2287-3775 †Corresponding author: Jongkwan Ryu ( jkryu@jnu.ac.kr ) School of Architecture, Chonnam National University, 77 Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju 61186, Republic of Korea (Tel: 82-62-530-1631, Fax: 82-62-530-1639) Copyrightⓒ2023 The Acoustical Society of Korea. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 주파수 및 시간 특성을 활용한 머신러닝 기반 공동주택 주거소음의 군집화 및 분류 Clustering and classification of residential noise sources in apartment buildings based on machine learning using spectral and temporal characteristics 김정훈, 1 이송미, 1 김수홍, 1 송은성, 2 류종관 3† (Jeong-hun Kim, 1 Song-mi Lee, 1 Su-hong Kim, 1 Eun-sung Song, 2 and Jong-kwan Ryu 3† ) 1 전남대학교 대학원 건축토목공학과, 2 Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat, Université de Lyon, France, 3 전남대학교 건축학부 (Received September 27, 2023; revised November 16, 2023; accepted November 20, 2023) 초 록: 본 연구는 주파수 및 시간 특성을 활용하여 머신러닝 기반 공동주택 주거소음의 군집화 및 분류를 진행하였다. 먼저, 공동주택 주거소음의 군집화 및 분류를 진행하기 위하여 주거소음원 데이터셋을 구축하였다. 주거소음원 데이 터셋은 바닥충격음, 공기전달음, 급배수 및 설비소음, 환경소음, 공사장 소음으로 구성되었다. 각 음원의 주파수 특성 은 1/1과 1/3 옥타브 밴드별 L eq 와 L max 값을 도출하였으며, 시간적 특성은 5 s 동안의 6 ms 간격의 음압레벨 분석을 통해 L eq 값을 도출하였다. 공동주택 주거소음원의 군집화는 K-Means clustering을 통해 진행하였다. K-Means의 k의 개수 는 실루엣 계수와 엘보우 방법을 통해 결정하였다. 주파수 특성을 통한 주거소음원 군집화는 모든 평가지수에서 3개로 군집되었다. 주파수 특성 기준으로 분류된 각 군집별 시간적 특성을 통한 주거소음원 군집화는 L eq 평가지수의 경우 9 개, L max 경우는 11개로 군집되었다. 주파수 특성을 통해 군집된 각 군집은 타 주파수 대역 대비 저주파 대역의 음에너 지의 비율 또한 조사되었다. 이후, 군집화 결과를 활용하기 위한 방안으로 세 종류의 머신러닝 방법을 이용해 주거소음 을 분류하였다. 주거소음 분류 결과, 1/3 옥타브 밴드의 L eq 값으로 라벨링된 데이터에서 가장 높은 정확도와 f1-score 가 나타났다. 또한, 주파수 및 시간적 특성을 모두 사용하여 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN) 모델로 주 거소음원을 분류했을 때 93 %의 정확도와 92 %의 f1-score로 가장 높게 나타났다. 핵심용어: 공동주택 주거소음, 주파수와 시간적 특성, 군집화, 분류, 머신러닝, 데이터셋 ABSTRACT: In this study, machine learning-based clustering and classification of residential noise in apartment buildings was conducted using frequency and temporal characteristics. First, a residential noise source dataset was constructed . The residential noise source dataset was consisted of floor impact, airborne, plumbing and equipment noise, environmental, and construction noise. The clustering of residential noise was performed by K-Means clustering method. For frequency characteristics, L eq and L max values were derived for 1/1 and 1/3 octave band for each sound source. For temporal characteristics, Leq values were derived at every 6 ms through sound pressure level analysis for 5 s. The number of k in K-Means clustering method was determined through the silhouette coefficient and elbow method. The clustering of residential noise source by frequency characteristic resulted in three clusters for both L eq and L max analysis. Temporal characteristic clustered residential noise source into 9 clusters for L eq and 11 clusters for L max . Clustering by frequency characteristic clustered according to the proportion of low frequency band. Then, to utilize the clustering results, the residential noise source was classified using three kinds of machine learning. The results of the residential noise classification showed the highest accuracy and f1-score for data labeled with Leq values in 1/3 octave bands, and the highest accuracy and f1-score for classifying residential noise sources with an Artificial Neural Network (ANN) model using both frequency and temporal features, with 93 % accuracy and 92 % f1-score. Keywords: Residential noise in apartment, Spectral and temporal characteristics, Clustering, Classification, Machine learning, Dataset PACS numbers: 43.55.Br, 43.55.Hy 603김정훈, 이송미, 김수홍, 송은성, 류종관 한국음향학회지 제 42 권 제 6 호 (2023) 604 I. 서 론 우리나라의 대표적인 주거공간인 아파트에서 발 생되는 소음관련 민원 중 바닥충격음에 대한 불만이 가장 많이 나타난다. [1] 환경부 산하 이웃사이센터에 서는 민원 상담과 24 h 동안의 측정을 통해 이웃 간의 분쟁해결을 하고자 노력하고 있으나, 바닥충격소음 으로 인한 민원 수는 매년 증가하고 있는 추세이 다. [2,3] 이웃사이센터에서는 조사원이 24 h 동안 녹음 된 소리를 듣고 음원 유형을 분류하여 층간소음 기 준의 초과여부를 판단한다. 이러한 과정은 많은 시 간이 소요되며 개인의 주관적인 판단을 수반하기 때 문에 자동화가 필요하다. 공동주택에서 발생되는 소 음원 중 저주파 대역의 음에너지가 지배적인 음원이 많기 때문에, 사람의 귀로는 정확하게 분류하기 어 렵다. 이에 따라, 시간에 따른 주거소음원의 종류와 레벨을 자동분석 하기 위해서는 머신러닝을 활용한 classification이 필요하다. 한편, 환경소음분야에서는 Environmental Sound Cla- ssification(ESC)를 위한 데이터셋 구축 [4] 과 DCASE challenge [5] 를 통해 Artificial Intelligence(AI)를 활용한 연구들이 진행되고 있다. 이를 통해 음향과 관련된 다양한 task(음향이벤트검출 등)에 대한 성능이 발전 되고 있다. 건축물 소음 분야에서도 층간소음 분류 를 위한 연구들이 일부 이루어졌으나, 각 연구마다 특정 층간소음 종류만의 데이터셋을 이용한 연구가 진행되었다. [6-8] 그러나, 층간소음 이외에 건축물의 실내공간에서 발생되는 다양한 주거소음원을 분류 하는 연구는 미흡한 실정이다. 층간소음을 포함한 실내 주거 소음은 환경소음과는 다르게 건축물의 바 닥슬래브와 벽 및 천장 등을 통해 전달되는 소음이 다. 이는 건축물의 성능에 따라 전달되는 소음이 다 르게 나타남을 의미하기 때문에 주거소음원의 데이 터셋을 구축하기 쉽지 않다. 하지만, 주거소음원 민 원을 해결하기 위해서는 주거소음원을 분류하기 위 한 데이터셋 구축이 필요한 실정이다. 공동주택 건축물의 물리적 개선방안에 대한 많은 연구들이 진행되었다. [9-14] 하지만, 건축물의 물리적 개선에도 불구하고 오래전에 건설된 실내 환경에서 발생되는 주거소음원에 대한 불만은 지속적으로 나 타나고 있다. 소음에 대한 주관적인 반응은 소음의 주파수 특성과 시간적 특성에 의해 다르게 나타나는 것으로 조사되었다. [15,16] Kim et al.의 연구 [17] 에서는 층간소음의 시간적 특성(충격, 변동, 정상음)에 따라 서 주관적 반응이 다르게 나타났다. 따라서, 심리적 인 관점에서 주거소음환경 개선을 위해서는 주거소 음원의 주파수 및 시간적 특성에 대한 조사가 필요 하며, 이러한 음향적 특성이 몇 개의 군집으로 분류 되는지 조사할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 주거소음원을 대상으로 구축한 데이터셋을 바탕으로 주파수 특성과 시간적 특성을 통해 주거소 음원을 군집화하였다. 본 연구는 공동주택에서 발생되는 주거소음원의 주파수 및 시간 특성을 분석하고, 머신러닝을 통해 주거소음원의 군집 분류를 진행하였다. 실제 거주지에서 발생되는 주거소음원은 거주자 가 발생시키는 소음이 아닌 다른 세대로부터 전달되 는 소음이 대부분이다. 이에 따라 측정 및 녹음을 통 해서 소음원의 종류를 파악하는데 한계점(사람이 직접 소음원을 듣고 판단하는 과정 등)이 있는 것으 로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 주거소음원을 분류함에 있어 1차적으로 음향 특성인 주파수와 시 간을 기반으로 음원의 종류를 군집화하고자 하였다. 또한, 군집화 결과를 바탕으로 거주지에서 발생되는 주거소음원을 관리하는 하나의 방안으로 주거소음 원의 군집 분류를 목적으로 진행하였다. 따라서, 본 연구의 연구 질문은 다음과 같다. 1. 주 거소음원은 주파수 특성과 시간적 특성에 의해 몇 개의 군집화가 나타나는가? 2. 주거소음원의 군집을 자동으로 분류하기 위해 어떠한 음원의 파라메타가 적절한가? II. 주거소음원 데이터셋 본 연구에서 사용된 주거소음원은 환경부 산하 층 간소음 이웃사이센터에 접수된 민원 현황을 대상으 로 데이터셋을 구성하였다. 2019년도 이웃사이센터 보고서 [18] 에 의하면 가장 민원이 많이 발생되는 소리 는 어린이 달리기 또는 걷기(69.2 %)였으며, 그 외 (12.6 %), 망치질 소리 (4.2 %), 가구 끄는 소리(3.5 %) 주파수 및 시간 특성을 활용한 머신러닝 기반 공동주택 주거소음의 군집화 및 분류 The Journal of the Acoustical Society of Korea Vol.42, No.6 (2023) 605 등의 순으로 민원이 발생되는 것으로 조사되었다. 이를 바탕으로 최종 수집된 주거소음원은 Table 1과 같이 바닥충격음(14종, 528개), 공기전달음(4종, 105 개), 급배수(3종, 42개) 및 설비소음(1종, 11개), 환경 소음(4종, 132개), 공사장 소음(20종, 240개)으로 총 46종류로 1,058개 이었다. 최종 수집된 주거소음원 의 정보는 길이 30 s, sampling rate 44,100 ms, monoral wav로 구성되었다. 본 연구에서는 배경소음이 낮은 곳에서 주거소음 원만을 녹음하여 주거소음원의 주파수 및 시간적 특 성 분석을 진행하고자 실제 주택과 유사하게 시공된 LH 주택성능 연구개발센터의 실증 주택에서 진행 하였다. 실증 주택 중 국내 공동주택에 가장 보편적 으로 보급된 뜬바닥 구조(슬라브 두께: 210 mm, 완충 재 30 mm, 경량기포콘크리트 40 mm, 마감모르타르 40 mm)와 평천장(석고보드 1장)의 형태를 가진 59 m 2 과 84 m 2 면적의 세대에서 녹음하였다. 수음지점은 ISO10052 간편법 [19] 과 Jeong과 Ryu [20] 을 참고하여 가 진 세대의 직하층에서 소음계(NL-52, Rion)를 통해 거실의 중앙지점과 거실 내 발코니 쪽의 벽에서 75 cm 이격 한 모서리 지점인 총 2개 지점에서 수음하였 다. 수음의 높이는 1.2 m였으며, 30 s 동안 녹음하였다. 본 연구에서 수집된 음원들은 거실공간에서 수음되 는 주거소음원을 대상으로 수집되었다. 거실공간에 서 수음되는 공기전달음의 경우, 옆 세대에서 발생되 는 소리보다 상부세대에서 발생되는 주거소음원의 소리가 크기 때문에 상부세대에서 스피커(SRS-X7, SONY)를 통해 재생하여 녹음되었다. 바닥충격음의 경우 성인(몸무게: 70 kg, 75 kg, 80 kg, 85 kg, 나이: 평 균 28세)과 어린이(몸무게: 17 kg, 22 kg, 24 kg, 나이: 평 균 7세)가 가진하였다. 제자리 뜀의 경우 가진 층의 중앙에서 가진하였으며, 달리기와 걷기의 경우는 거 실의 4개의 모서리와 중앙지점을 반복하여 가진하였 다. 리모컨, 골프공, 숟가락 떨어뜨리는 소리는 거실 의 중앙지점과 거실 내 발코니 쪽의 벽에서 75 cm 이 격 한 모서리 지점에서 가진 높이(20 cm, 100 cm)를 다 르게 하여 가진하였다. 망치질은 거실에서 내력벽과 비내력벽에서 모두 가진하였으며, 실내문 여닫는 소 리는 거실과 붙어있는 안방문을 대상으로 녹음하였 다. 의자끄는소리는 거실의 중앙에서 가진하였으며, 현관문 여닫는 소리는 상부세대의 현관문을 여닫는 소리를 녹음하였다. 공사장 소음, 교통 소음, 환경 소 음, 실외기 소음은 공동주택 파사드 차음성능 필터링 값(1/3 옥타브 밴드 50 Hz ~ 5k Hz) [21] 을 적용하였다. Table 1. Dataset of residential sound in apartment buildings. Noise sourcesNNoise sourcesN Floor impact noise Adult jumping 58 Air- borne noise Dog bark33 Adult running 47Metal24 Adult walking 52Piano24 Children jumping 18TV24 Children running 18 Plumbing and equipment noise Bath18 Chair dropping 46Shower4 Vaccum cleaner 23Washbowl10 Remote dropping 47Toilet10 Entrance close 24Outdoor11 Golf ball dropping 33 Environ- mental noise Traffic 40 km36 60 km36 Hammering54 80 km36 Indoor close26 Remote dropping 41Aircraft12 Spoon dropping 41Railway12 Construc tion noise Air compressor 12 Construc- tion noise Excavator stop 12 Asphalt finisher 12Forklift12 Batch plant 12Loader12 Breaker12Payloader12 Bulldozer12Piledriver12 Concrete mixer 12 Road roller 12 Concrete pumping 12 Stone crush 12 Concrete vibrator 12 Truck unloading 12 Earthauger12 Tunnel ventilation 12 Excavator loading 12 Vibrating roller 12Next >