219호 과학학술: 건축음향학

일상생활 속에서 종종 논란거리가 되는 층간소음 문제, 최근 지어져 여러 매체에서 다룬 롯데월드몰 콘서트 홀 간에는 공통점이 있다. 바로 건축음향학 기술이 쓰인다는 점이다. 이에 본보에서는 건축음향학이 무엇인지, 우리 생활에서 어떤 영향을 주고 있는지 알아보고자 한다.

건축 음향학과 생활에서의 쓰임

건축음향학이란

 건축음향학(Architectural Acoustics 또는 Building Acoustics)은 건축공간에서 발생되는 소리(sound)를 다루는 학문이다. 건물을 사용하는 데 있어서 소리로 인한 불편함이 없도록 건축적인 방법을 이용해 소리를 제어하는 방법을 연구하는 분야이다. 건축음향학은 크게 음악 공연장과 같은 대공간의 음향을 다루는 실내음향(room acoustics) 분야와 층간소음과 같은 건축물에서 발생되는 소음(noise)의 차단을 다루는 건물차음(sound insulation) 분야로 구분된다.

 실내음향 분야는 콘서트홀과 같은 음악 공간의 음향설계, 강의실의 음성명료도 제어, 체육관과 교통시설 과 같은 대공간 잔향설계 등에 활용된다. 다시 말해, 공간 활용에 적합한 최적의 음향 환경 조성을 목표로 음향학의 원리를 적용시키는 것이다. 실내음향은 실내에서의 음의 거동을 예측, 평가, 설계하는 분야로서 구체적인 내용으로는 음의 흡음, 반사 및 확산 이론, 실내음향의 측정 및 평가, 실내음향의 예측(시뮬레이션)과 음향공간의 설계 등을 다룬다.

 건물차음 분야는 건물 내외에서 발생하는 다양한 소음의 차단을 목적으로 하며 층간소음 같은 고체전달음(structure-borne sound)과 이웃집의 음악소리 같은 공기전달음(air-borne sound)의 제어와 관련이 있다. 소음 차단을 위해 건물차음 이론 및 설계, 고체전달음 제어, 진동 제어 및 소음의 측정 평가 등의 내용이 요구된다. 대표적인 층간소음인 아이들 뛰는 소리와 같은 바닥충격음은 음원(sound source)의 바닥가진, 건축구조물의 진동, 음 방사(sound radiation)의 절차로 발생되며 이를 원천적으로 해결하기 위해선 음향학뿐만 아니라 진동학적인 접근이 필요하다.

건축음향학 표1                                                                                                                                        ▲건축음향의 분야

 

 

건축음향의 꽃, 공연장의 음향설계

 올해 1월, 독일 함부르크의 엘프필하모니(Elbphilharmonie) 콘서트홀이 개관되었다. 이 공연장은 독일정부가 10여 년 간 건축과 음향설계에 공을 들여 건립한 최신 콘서트홀로서 개관식에 독일 총리가 참석하는 등 세계적인 관심을 받았다. 엘프필하모니 콘서트홀의 평면 형태는 빈야드(vineyard, 포도밭) 형식이며, 홀 전체의 벽체, 천장 등의 실내마감은 음의 확산을 유도하기 위해 다각형으로 움푹 파여진 요철을 갖는 패널(gypsum fiber panel)로 구성하였다(사진2참조). 음향이 매우 우수한 홀로 알려진 오스트리아 빈의 뮤직베리인잘(Musikvereinssal), 네덜란드 암스테르담의 콘서트헤보우(Concertgebow), 미국 보스턴 심포니홀(Boston symphony hall) 등과 같이 19세기 말 즈음에 건립된 고전 홀들의 특징을 살펴보면 평면 형태가 단순한 장방형인 슈박스(shoe-box type) 형태라는 점과 각종 문양들과 조각, 우물 격자와 같은 다양한 음의 확산 요소들이 실내 공간 곳곳에 배치되어 있어 자연스럽게 확산음을 유도한다는 점을 알 수 있다. 이와 같이 공연장 음향의 질은 공연장의 기본적인 평면 형태로부터 실내 마감 재료까지 다양한 건축 요소에 의해 결정된다.

공연장 음향설계의 기본 방향

 공연장은 콘서트, 오페라, 연극, 무용과 발레, 행사와 집회 등 다양한 형태의 공연이 행해지는 공간으로 이때 각각의 공연이 요구하는 공간의 음향 조건은 매우 상이하다. 따라서 다양한 공연을 진행하기 위해서는 다양한 음향 특성에 대한 공간적, 음향적 건축계획이 대단히 중요하다. 공연장의 음향 설계는 공연장의 용도에 적합한 음향 성능의 구현을 위해 음향 계획, 컴퓨터 시뮬레이션, 축척 모형(scale model) 실험 및 가청화(auralization) 등의 수법을 활용하며, 음향설계의 기본목표는 다음과 같이 설정한다.

㉠ 공간의 다양한 용도에 따른 최적 잔향시간의 확보

㉡ 실내 음압의 이상적인 분포 및 최적의 음향 특성 유도

㉢ 실내 음향 장애현상(echo, dead spot, hot spot 등)의 방지

 또한, 공연장의 실내 음향과 더불어 소음 제어가 중요하며 소음 및 진동의 원인이 되는 공조설비기계, 덕트, 배관, 냉각탑 등의 소음 및 진동을 최대한 저감시켜야 한다. 외부 교통 소음 제어를 위해 건물 주변에 인접해 있는 도로로부터의 교통 소음 및 진동을 고려하여 건물 내부로 전달되는 소음 및 진동이 기준치 이하가 되도록 차음 설계해야 한다.

공연장의 평면 형태

 앞서 언급한 세계 3대 유명 콘서트홀의 평면 형태는 슈박스 형태이다. 직사각형 형태인 슈박스 형태는 평행한 두 측벽에 의한 강한 반사음으로 잔향감과 공간감을 풍부하게 느낄 수 있으며, 콘서트홀 등 음악의 용도에 주로 사용되는 형태이다. 좁고 긴 형태일 경우 초기 측면 반사음이 양호하나 시각적으로 무대 위 음원과 후열 관객 측과 거리가 멀어지지 않도록 주의하여 설계해야 한다. 다목적 공연장으로서 국내에 많이 채택하고 있는 평면 형태는 팬 형태(fan type)이다. 팬 형태는 전체 객석에서의 음압차가 적어 비교적 균일한 음향 조건을 갖는 면적이 넓어지는 장점이 있으나, 음의 집중현상(focusing)이 생길 우려가 있다. 또한 측면 반사음이 객석 중앙으로 전달되기가 힘들어 잔향감이 적고 공간감을 얻기 힘든 형태이다. 이 밖에 전형적인 슈박스 형태와 팬 형태(fan type)에서 벗어나 측면 확산반사음과 평면디자인의 단조로움을 개선한 포도밭 모양의 빈야드 형태와 같은 기하학적인 평면형태의 공연장이 근래에 와서 많이 건립되고 있다. 또한 미국의 시거스트롬 아트센터(Segerstrom Orange County Performing Art Center, 1986)나 독일 뮌헨의 가슈타이크 필하모닉 홀(Philharmonie am Gasteig, 1985)같은 다양한 평면형태의 공연장이 점점 늘어가고 있다.

공연장의 잔향설계

 잔향(reverberation, 소리가 울리는 정도)이 적절한 공간에서는 근거리와 원거리에서 발생하는 음원 사이의 시간적 조화로 청취자들에게 공간감과 포근함을 느끼게 해준다. 한편 지나친 잔향을 가진 공간에서는 음이 발생하여 전달되는 동안 간섭과 중첩에 의해 충분한 음 감쇠가 일어나지 않게 된다. 따라서 음에너지의 중심 시간이 길어지고, 음의 도달 시간에 차이가 발생하여 결국 청취자에게는 음의 명료도 및 요해도가 저하되는 요인이 된다. 영국의 건축음향학자 마이크 바론(Mike Barron)에 의하면 오케스트라 음악은 약 1.8~2.2초, 오페라는 1.2~1.6초의 잔향시간(객석 만석 시 기준)이 필요하다. 그러므로 효과적인 실내 음향 설계를 위해서는 음향 파라미터 중 가장 기본적이면서 중요한 잔향 시간을 중심으로 기하학적 공간을 설계하고 마감 재료를 선정할 수 있도록 하여야 한다. 또한 다목적 공연장의 설계에 있어서는 건축 계획의 초기 단계에서부터 공간 음향의 다양한 취지에 맞도록 다양한 음향적 특성과 가변 형태에 대한 세심한 배려가 필요하다.

공연장 음향설계의 핵심: 확산설계(sound diffusion design)

 

실내음장은 음원으로부터의 직접음과 실내 표면으로 부터의 반사음으로 구성된다. 여기서 공간 조건에 영향을 크게 받는 반사음의 크기와 시공간적 특성에 따라 실내음장의 질이 결정된다. 확산현상(diffusion 또는 scattering)은 이러한 음의 반사의 일종으로 입사된 음에너지가 여러 방향으로 흩어지는 현상을 말한다. 또한 확산음(diffused sound 또는 scattered sound)은 요철 등의 벽면(확산면)에 의해 확산된 반사음을 말하며 평평한 벽체로부터의 경면반사음(specular reflected sound)과 상반되는 의미이다. 확산현상의 의미를 수음자 측면으로 보았을 때 수음점으로 입사되는 반사음의 방향 분포로도 정의될 수 있다.

공연장 등 실내 공간의 확산 성능은 공간의 규모, 형태와 같은 건축 요소로부터 실내 표면에 설치되는 단위 확산체와 같은 실내마감 요소 등 다양한 변수에 의해 영향을 받게 된다. 따라서 실내공간의 확산설계는 초기 건축설계부터 최종 인테리어 마감까지 고려할 사항이 매우 많고 다양하다. 기존 공연장에 적용된 확산체를 중심으로 확산설계 시 고려되어야 할 평면설계 및 공간부위에 관한 내용을 정리하면 다음과 같다.

1) 평면: 정통적인 콘서트 홀의 형태인 슈박스 형태 보다는 빈야드 형태의 평면이 보다 많은 확산음을 유도할 수 있다. 다양한 각도로 각 객석 단을 구분하는 벽이나 난간에 의해 측면반사음이 확산되어 홀 전체에 고루 분포된다. 대표적인 홀이 베를린 필하모니 홀과 시거스트롬 홀이다.

2) 오케스트라 쉘과 캐노피: 독일 음향학자 슈뢰더가 제안한 QRD(Quadratic Residue Diffuser)를 수직 또는 수평으로 혼합 배치한 사례(메이어호프 콘서트 홀)와 QRD를 경사면에 설치한 사례(시거스토롬 아트센터)가 있다. 이 방법은 무대공간에서 근접한 반사면으로부터의 강한 반사음으로 인한 음의 왜곡 현상을 확산체 설치로 감소시킬 수 있다. 아직 확산체 효과에 대한 정량적인 평가는 없었으며 연주자들의 선호도 평가 결과 확산체가 설치된 무대공간을 보다 선호하는 것으로 나타났다. 무대공간에서의 확산 효과는 아직 명확치 않다

3) 측벽: 공연장에서 확산체가 가장 많이 적용된 부위로서 확산체의 크기와 종류뿐만 아니라 설치 위치 또한 다양한 사례가 많다. 기본적인 요철 처리는 다각형의 단위 확산체를 일정한 간격으로 배치한 사례(게반트하우스: 상부측벽, 대돌렌 콘서트 홀: 1층 측벽)와 측벽전면을 비교적 큰 크기로 요철 처리한 사례(NHK 홀, 베나로야 홀), QRD와 유사한 작은 홈의 배열로 이루어진 사례(하마리큐 홀: 1층 측벽, 도쿄 오페라 홀: 피트 옆 측벽) 등이 있다.

4) 천장: 많은 양의 삼각뿔, 반구 등의 다양한 확산체를 객석 천장 전면에 설치한 사례(베토벤할레, 쿄토 콘서트 홀)가 있으나 천장 부위의 수많은 확산체가 얼마나 확산성능을 발휘하는지는 의문이다.

5) 후벽: 통상 에코현상을 배제하기 위해서 후벽면을 흡음처리한 설계가 많으나 흡음재 대신 확산체를 설치하여 반사음에너지의 감소 대신 확산음을 유도한 사례가 있다(카네기 홀).

19세기 사빈(Sabine)의 잔향이론이 발표된 이후 실내공간에서의 반사, 흡음현상에 대한 메커니즘은 많은 연구들에 의해 밝혀지고 있다. 하지만 콘서트홀 등 공연 공간에서 매우 중요하게 여겨져 왔던 확산현상에 대한 이해는 아직 부족 한 것이 현실이다. 아직까지 확산체 또는 확산면이 설계된 실제 실내음장에서의 확산성능 평가 방법은 아직 미흡하다. 이에 따라 공연장 내부의 각 공간부위의 확산설계에 대한 세부적인 정보 또한 부족하다. 다시 말해, 어떤 형태의 확산체를 얼마나 많이 그리고 어느 부위에 설치를 해야 하는지에 대한 궁금증은 여전히 남아있다.

 

건축음향 사진 1

건축음향 사진 2        ▲ (위 사진1) 엘프필하모닉 홀 ⓒhttps://www.elbphilharmonie.de/en/

▲(아래 사진2) 벽체재료   ⓒhttps://www.elbphilharmonie.de/en/

 

 

공동주택 층간소음의 공학적 해결방안

 

국민 대다수가 거주하고 있는 공동주택에서의 실내 환경 중 최근 가장 크게 문제시되고 있는 바닥충격음은 정온한 거주환경 조성을 위해 해결하여 할 중요한 대상으로 인식되고 있다. 최근 바닥충격음에 의한 살인과 방화사건 등은 주로 바닥충격음 규제 기준 시행(2003년) 이전에 건립된 건물들로서 현재 슬래브 두께(210mm)규제 기준 보다 얇은 슬래브 두께를 갖는 공동주택에서 발생되고 있다. 또한 최근 층간소음에 대한 관심과 정온한 환경에 대한 입주자들의 요구가 상당한 수준으로 높아졌지만 신규 공동주택의 경우 입주자들의 요구를 충족시키지 못하는 경우도 발생하고 있다. 이는 여전히 바닥충격음에 대한 저감기술과 연구개발이 필요하다는 점을 보여주고 있다.

현재 공동주택에서 가장 문제시되고 있는 아이들이 뛰는 소리와 같은 중량 바닥충격음의 음향적 특성을 살펴보면 짧은 시간에 음이 감쇠되는 충격음(impulsive sound)이라는 점과 저주파(low-frequency) 대역의 음이 지배적이라는 큰 특징이 있는데 이러한 이유로 바닥충격음의 에너지를 획기적으로 저감하기엔 한계가 있다. 공동주택의 바닥충격음은 건축구조, 바닥 두께 및 면적, 완충층, 실내공간의 음향모드와 잔향시간 등에 의해 그 물리적 크기가 결정된다. 바닥충격음은 상부층 바닥의 충격 가진으로부터 바닥마감층(완충재+경량기포콘크리트+모르타르+바닥마감재), 구조 슬래브, 천장 또는 벽체를 통해 전달되는 고체 전달음으로서 이러한 고체음 전달경로의 진동 또는 음향에너지의 차단이 중요하다.

공동주택 바닥충격음의 물리적 크기를 결정하는 영향요소로는 크게 건축구조와 관련된 건축구조 형태 및 슬래브 두께, 실내공간과 관련된 실의 크기와 음향모드 및 잔향 시간, 바닥 마감층과 관련된 바닥충격음 완충재 등이라 할 수 있다.

(1) 건축구조 및 슬래브 두께

바닥충격음은 충격원의 바닥 가진(Base Excitation)에 의한 구조진동 소음으로서 건축물의 구조적 특성을 지배적으로 받게 된다. 기본적으로 슬래브의 두께, 구속 조건, 면적, 바닥마감층 등에 의해 바닥판의 고유진동수가 결정되며. 이는 바닥충격음의 공진주파수와 크기를 결정하는 데 주요한 요소가 된다. 건축구조 형태(벽식, 무량판, 라멘구조)에 따라 바닥판의 고유진동수와 진동 거동이 상이하며 슬래브 두께에 의한 진동가속도레벨을 보면 두께가 증가함에 따라 진동가속도레벨이 감소하고 공진주파수가 저주파 대역으로 변화하는 것으로 조사되었다.

(2) 실의 크기 및 음향모드

바닥충격음은 최종 전달되는 수음실의 특성에 영향을 받게 된다. 실의 크기에 따른 바닥판의 고유진동수 변화뿐만 아니라 실에 존재하는 음향모드의 변화가 바닥충격음 수치 영향을 미치게 된다. 실의 크기에 따른 중량충격음 수치를 보게 되면 실의 크기가 작은 침실의 경우 바닥충격음 수치가 거실보다 큰 것으로 조사되었다. 또한 바닥 면적이 커짐에 따라 중량바닥충격음 수치가 감소하는 것으로 나타났는데 이는 바닥면적의 증가에 따른 고유진동수와 변화와 실의 크기 증가에 따른 음향모드의 변화가 동시에 영향을 미쳤기 때문이다.

(3) 실의 잔향시간 및 천장구조

실내에서의 잔향 정도에 따라 바닥충격음 수치는 차이가 발생한다. 흡음재로 잔향시간을 임의로 조절하여 바닥충격음을 측정한 결과 실의 잔향 조건에 따라 2dB의 편차가 발생한 실험 결과가 발표된 바 있다.

실의 천장구조도 바닥충격음에 영향을 미치는 요소이다. 상부층 바닥슬래브에서 방사된 바닥충격음은 천장을 통해 하부층으로 전달되는데 일반적으로 천장 상부 공기층에 의해 음의 증폭현상이 발생된다. 이는 천장상부 공기층이 에어스프링(air-spring)의 역할을 하여 천장면의 공진을 유도하였기 때문이다.

(4) 바닥충격음 완충재

구조슬래브 상부 바닥마감(완충재+경량기포콘크리트+모르타르+마감재)을 구성하는 요소인 바닥충격음 완충재는 현재 많은 건설사에서 바닥충격음 저감 대책으로 활용되고 있다. 이는 완충재를 이용해 구조슬래브와 상부 마감층을 분리시키는 뜬바닥구조(floating floor)를 이용한 것으로서 완충재로는 흔히 스티로폴으로 불려지는 EPS(Expanded Poly-Styrene) 계열과 고무류로 불리는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 계열 완충재가 주로 사용되고 있다. 이와 같은 완충재는 가벼운 물체의 충격음인 경량충격음에는 효과가 있으나 아이들이 뛰는 충격원과 같은 중량충격원 저감에는 한계를 가지고 있다. 바닥완충재는 주로 100Hz 미만 주파수에서 중량충격음을 증폭시키는데, 이는 바닥판의 고유진동수와 충격원의 충격력 스펙트럼과 연관이 있다. 국내에 보편적인 면적으로 보급되는 공동주택의 바닥판의 고유진동수가 중량충격원의 충격력이 가장 큰 저주파수 대역과 일치하여 바닥판을 공진시키기 때문이다. 완충재를 시공하기 전 맨슬라브의 진동 특성과 완충재 등 최종 바닥마감이 완료된 바닥판의 진동 특성은 상이하다. 따라서 기본적으로 바닥충격음에 유리한 구조 및 평면 등의 건축설계를 실시하고 이에 대한 구조체의 진동특성을 조사 한 후 그 구조에 적합한 완충재를 선정하는 것이 바람직하다.

바닥충격음은 상부층 바닥판의 충격 가진에 의한 구조진동소음으로서 현재 보편적으로 활용되는 뜬바닥구조에 활용되는 완충재만으로는 충분한 바닥충격음 저감에 한계가 있다. 따라서 바닥충격음에 저감에 가장 크게 영향을 미치는 건축구조를 개발하고 보급하는 것이 급선무일 것이다. 이후, 바닥판의 진동 특성에 따른 적합한 완충재의 설계 기술이 필요하며 수음실의 음향모드, 잔향, 천장 및 벽체 등의 영향을 최소화하는 기술이 개발되어야 할 것이다.

공동주택에서의 바닥충격음 문제는 쾌적한 거주환경 조성을 방해하고 심각한 사회문제를 유발하는 대상으로 인식되고 있다. 이에 정부는 바닥충격음의 법적 규제 기준을 시행하고 공동체 생활문화 보급에 노력하고 있다. 학계와 연구계에서는 바닥충격음을 저감시킬 수 있는 근본적인 저감 기술을 개발함은 물론, 규제 기준 시행과 공동주택 층간소음 관리 규약 등의 정부의 관리방안을 면밀히 검토를 하는 등 궁극적으로 정온하고 쾌적한 거주 공간 조성을 위해 학문적·기술적 기여를 해야 할 것이다.

 

류종관 / 전남대학교 건축학부 부교수

작성자: khugnews

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