소음줄여조
CIVIL capstone
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 노이즈 캔슬링 활용 대중교통 소음공해 저감 방안_지하철을 중심으로
영문 : Measures to reduce noise pollution in public transportation using noise cancelling_ focusing on subways.
과제 팀명
소음줄여조
지도교수
박도원 교수님
개발기간
2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 토목공학부·과 20168600** 송** (팀장)
서울시립대학교 토목공학부·과 20168600** 김**
서울시립대학교 토목공학부·과 20168600** 박**
서울시립대학교 토목공학부·과 20168600** 안**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
중저속으로 운행되는 도시철도의 경우 차륜과 레일의 마찰에 의한 전동음이 가장 주요한 성분이다. 이와 같은 소음은 차륜과 차량의 연결부를 통해 직접 전달되거나 터널 벽면에 반사되어 차량 내부로 전달된다. 그중 터널의 벽면에 반사되어 차량 내부로 전달되는 소음을 줄이기 위해서 터널 노이즈 캔슬링 기술을 사용한다.
개발 과제의 배경
위의 표는 서울의 각각 호선 별 평균 소음도를 측정한 결과다. 특히 5호선의 경우가 평균소음도가 큰 것을 알 수 있는데, 2018년 소음 과다 발생으로 인해 중점적으로 관리하는 5호선 충정로-서대문 구간의 경우 터널 모니터링을 통한 소음측정결과 최대 95.3dB에 이르는 것으로 나타났다. 최근 2021년 5월에 측정된 자료는 U자형 구간, 커브 구간 등 급격한 방향전환이 일어나는 구간에서 철도의 법정 소음기준치 60~70dB을 훨씬 뛰어넘는 120db, 130db에 육박한 적도 있을 정도로 심각하다. 이런 문제의 원인은 서울 1기 지하철 이후 건설된 노선은 모두 콘크리트도상 궤도 시공방법 중 하나인 STEDEF시스템을 적용했기 때문이다. 당시에는 주로 지하구간이 많은 도시철도에서 자갈궤도를 대신하는 선진 공법으로 주목받았다. 서울 5호선은 STEDEF시스템이 국내에서 최초로 도입된 노선이기도 하다. 문제는 STEDEF시스템으로 시공되면 이미 매립되어 있는 방진패드의 마멸·변형·손상 여부를 육안으로 확인하기 어렵다는 것이다. 시공 당시에 방진패드의 보수 등을 충분히 고려하지 않은 탓이다. 유지보수에 많은 비용과 인력이 투입되어야 하는 자갈 궤도에 비해 콘크리트 도상 자체를 Maintancs Free 개념으로 이해했기 때문이다. 허나 보수에 방진상자, 방진패드 등 구성품을 교체하기 위해서는 결국 콘크리트 블록을 도상에서 다시 빼내야만 하고, 이는 개·보수에 상당한 시간을 필수로 하나 야간 늦은 시간까지 운영하는 우리나라 지하철 특성상 일일이 변형된 방진상자들을 찾아 교체하고, 이미 만들어진 터널의 구조변경이나 도상을 변경하기란 사실상 불가능에 가깝다. 이러한 시간, 비용, 인력의 문제를 한꺼번에 해결하며 소음을 줄이는 방법으로 최근 떠오르는 노이즈캔슬링기술을 제안하고자 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
목표
차량이 소음이 심한 구간을 지나갈 때 차량의 접근을 적외선 센서로 인식해서 자동으로 역위상의 소음을 출력하는 회로를 작성한다. 그리고 모형에 실제로 적용해서 소음저감의 효과가 있는지 확인한다.
내용
1) 5호선 아차산 - 광나루역 구간의 소음을 녹음한다. 2) 센서에 인식되면 스피커에서 자동으로 변환된 음원의 주파수를 출력하는 회로를 작성한다. 3) 모형을 제작하여 정해진 위치에서 소음을 발생시키고 소음 저감의 효과가 있는지 확인한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
노이즈 캔슬링을 이용한 소음 저감 기술
1. 해외 사례
독일 미래형 2층열차 Ideenzug (2017, 연구단계) 독일철도(Die Bahn, DB)가 바이에른 뉘른베르크에서 공개한 Ideenzug는 쾌적한 승차환경을 가장 큰 지향점으로 삼아 노이즈캔슬링 즉 능동소음제거기술을 적용해 차량 내 소음을 잡겠다고 소개한다. 덕분에 승객은 한밤중에 침대에 누운 것처럼 조용한 환경에서 여행을 만끽할 수 있다. 그렇지만 열차는 아직 연구단계이며 적용되지 않았다. 노이즈 캔슬링과 관련해서 자동차, 도로 등은 이미 적용단계이지만 철도 분야에서는 적용할 계획만 있을 뿐 적용된 사례가 없었다.
2. 국내 사례
1) 이어폰, 헤드폰의 ANC(Active noise canceling) ANC의 기본적인 원리는 마이크로 소리를 수음하고, 이를 프로세서를 통해 디지털 데이터로 변환하고 역 위상의 파장을 만들어내는 디지털 데이터를 생성한 뒤, 스피커를 통해 소음의 역 위상의 음파를 출력해 소음을 상쇄하는 구조이다. 원리상 규칙적이고 지속적인 소음이 아니라면 상쇄하기 어려워 사람의 대화 같은 불규칙한 소음은 상쇄하기 어려운 경향이 있으나, 반대로 헬기의 로터음, 엔진음, 노면 마찰음 등의 규칙적인 소음을 차단하는데 탁월한 효과를 보인다. 크게 피드백과 피드포워드 방식으로 나뉘는데, 전자는 마이크 모듈이 내장되어있고 후자는 외부로 마이크가 드러나 있다. 피드백 방식의 경우 정밀하고 고성능의 소음 차단이 가능하고, 피드포워드 방식은 음질에 미치는 영향이 적어 보다 단순하고 기기의 부피를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 둘 모두 일장일단이 있기에, 둘의 장점을 적절히 활용한 하이브리드 방식을 사용하는 경우가 많다. 작년 3분기에는 퀄컴에서 Adaptive Active Noise Canceling을 가능하게 해주는 프로세서인 QCC5144의 개발을 공개했으며, 이에 따라 처리속도의 큰 발전으로 일상에서 접할만한 불규칙적인 소음을 상당히 잘 차단하는 모습을 보인다.
2) 전자식 도로교통 소음 저감 기술 2015년에 한국건설기술연구원에서 주로 자동차의 실내음, 헤드폰, 덕트 등에 적용되어오던 기술인 능동형 소음 저감 기술을 도로에서 발생하는 교통 소음을 저감하기 위하여 적용하는 연구를 진행하였다. 도로교통 소음은 엔진음, 타이어와 포장면의 마찰음, 배기음 등으로 구성되어 다양한 주파수 대역을 가지며, 이에 역 위상 주파수 소음원을 발생하여, 상쇄를 통해 도로 소음을 저감 시키고자 하였다. 해당 연구에서는 제시된 능동형 소음 저감 기술을 통해 도로분야의 기존 방음벽이 가지고 있던 경관 저해나 생태계 교란 문제를 해결하면서도 방음시설의 효율을 높이고자 한 것에 의의가 있지만, 개방된 공간에 적용하는 방향으로 연구가 진행되어 하울링에 의해 유의미한 소음저감 효과를 보기 힘들었다.
3) 로드 노이즈 액티브 컨트롤(Road-noise Active Noise Control, RANC) 해당 기술은 자동차 내부에 설치된 노이즈 캔슬링 기술로 헤드폰에 적용된 기술처럼 한정된 공간인 자동차 내에 전달되는 외부 소음을 차단하는 데 초점을 맞추고 있다. 원리는 먼저 가속도 센서가 진동의 전달 경로에 위치해 노면소음을 유발하는 진동을 취득하고, 이렇게 취득한 진동 정보를 DSP로 보내면 DSP가 이 진동을 분석해 실내로 유입되는 소음을 예측하고 그에 반대되는 위상의 음파를 만들어낸다. 그렇게 반대 위상의 음파가 실내로 전파되고 노면소음과 만나 소음이 상쇄된다는 것이 이 기술의 골자다. 그러나, 이 기술이 옵션으로 제공되는 자동차의 소유주들은 자동차는 흡음재를 애초에 많이 쓰고 엔진 기술과 미션의 발달로 크게 소음에 대한 불편이 없었기에 이 기술로 인한 소음저감을 크게 체감하지 못하고 있다고 한다.
- 기술 로드맵
현재 국내의 철도에 대한 소음저감 기술은 도상이나 궤도 이음 및 차량의 교체에 중점을 맞추고 진행하고 있어 노이즈 캔슬링을 이용한 소음 저감 기술은 개발이 멈춰있는 상태이거나 혹은 거의 진행되지 않고 있다.
1) 국토교통과학기술진흥원(이하 KAIA)
KAIA에서는 2040년까지 철도 관련 기술에 대한 로드맵을 제시하고, 미래 철도기술 발전 방향을 안전성, 지속가능성, 수송효율성, 편리성, 경제성으로 나누어 제시했다. 이 중 편리성에 관한 중점추진 기술로 편의 및 쾌적성 향상 기술을 발전시킬 것을 제안했으며, 특히 승차감, 소음진동 개선 등 쾌적한 서비스를 제공하는 인간 중심형 철도를 해당 추진기술의 정의로 삼았다.
2) 전자식 도로교통 소음 저감 기술(한국건설기술연구원)
해당 연구는 전자식 소음 저감 기술을 활용하여 도로 상에서 기존 방음벽의 취약한 소음대역인 저주파 대역의 소음을 저감시켜 3~7dB(A) 정도의 소음을 저감 할 수 있다. ANC 기술과 방음패널 산업과의 융합에 따른 소음 저감의 시너지 효과가 예상되며 더불어 기존 방음벽 대비 예산 절감을 기대할 수 있다고 전한다. 해당 연구는 오픈된 공간인 도로의 소음을 저감시키는데 집중하였으며, 추후 폐쇄된 공간인 터널형 소음제거 기술을 개발하기 위한 상용화 과제를 수주할 예정이고 또한, 더 나아가 능동형 소음 저감 기술을 융합한 기능형 방음벽 및 건축 등의 신규 시장에 진입할 예정이며, 이를 기반으로 교통뿐만 아니라 학교 등의 정온 환경 구현 기술을 개발할 예정이라 한다.
시장상황에 대한 분석
- 기존 기술 조사 및 비교
- 시장성 분석
노이즈 캔슬링 기술은 주로 일본의 SONY, 독일의 젠하이저와 미국의 BOSE 같은 음향기기 회사에서 개인용 헤드 마운트 기기에 적용하여 음악이나 기타 오디오 미디어를 청취할 때 외부의 소음을 차단하는 용도로 사용되어왔다. 그러나, 이 기술이 차량, 방음벽이나 터널 등에 적용되어 소음공해를 줄이는 기술은 세계적으로도 거의 개발 및 진척이 이루어지지 않고 있다. 그렇기에 중소벤처기업부나 기사, 해외 유명 음향기기 회사의 사업계획서나 취재기록을 찾아봐도 노이즈 캔슬링으로 소음공해를 줄이는 기술의 시장 규모 파악이 불가능할 정도였다. 허나 조금만 다른 분야로 넘어가서 소음의 저감에 관여하는 기술의 시장 중 가장 큰 규모인 방음재의 전 세계 시장은 2016년 103억 8,000만 달러에서 연평균 성장률 5.83%로 증가하여, 2021년에는 137억 8,000만 달러에 이를 것으로 전망될 정도로 매우 큰 것을 알 수 있었다. 그렇다는 것은 노이즈 캔슬링 기술이 소음저감 시장 중 꽤나 블루오션에 해당하는 기술이라는 것을 추측할 수 있다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
노이즈캔슬링 기술을 개발하면서 다양한 연구 방향성, 가능성 및 적용성을 제시할 수도 있어 기술 진보에도 도움이 될 것으로 추측된다. 기존의 소음 저감을 위한 기술들과 결합하여 더욱 효과적으로 소음을 줄일 수 있을 것으로 추측된다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
소음진동에 대한 지속적인 노출로 청각 기능의 저하 및 손실의 위험이 있을 거라는 예측은 국내•외의 여러 연구로 밝혀져 왔다. 따라서 본 과제에서 수행하는 노이즈 캔슬링을 이용한 지하철 소음 저감 기술은 흡음재와 철도의 구조적 문제를 개선하지 못하고 있는 지금 이 시기에 필요한 기술이라 판단된다. 전철에서 소음으로 인한 민원이 자주 발생하는데 소음을 줄임으로써 승객들과 거주자들에게 삶의 편안함과 불만을 줄일 수 있으며 또한 민원이 줄어들어 직원들의 업무 효율이 향상될 것으로 예측된다. 소음․진동을 포함한 역사의 환경개선을 통하여 철도의 이미지에 대한 유의미한 개선이 기대된다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정 및 추진체계
설계
설계사양
제품의 요구사항
개념설계안
가. 지하철 소음 녹음 및 녹음된 음원의 역위상 구하기
▶ 지하철 내부에서 5호선 아차산 - 광나루역 구간의 소음을 녹음한다. ▶ 녹음한 소음을 위상 변환 프로그램을 이용해 역위상을 생성하고 실제로 프로그램상에서 상쇄 효과가 일어나는지 확인한다.
▶ 회로 작성 시 극성을 반대로 하면 역위상의 음원을 출력하기 때문에 실험을 진행할 때는 이 방법을 사용하며 소음 측정기를 통해 실제 효과가 있는지 시험한다.
나. 적외선 센서 적용
▶ 열차가 지나가는 순간만 작동할 수 있도록 아두이노를 활용해서 물체가 지나갈 때 저장된 음원이 자동으로 재생되는 회로와 코드를 작성하고 이론대로 물체가 센서를 통과할 때 음원이 출력되는지 실험한다.
다. 차량 모형 제작
▶ 소음측정기가 모형에 들어갈 정도로 충분히 크게 제작한다. ▶ 아두이노 스피커의 음량보다 모터의 음량이 더 작도록 유의한다. 실험 후 모터의 소음이 예상보다 클 때, 모터를 제거하고 무동력으로 실험을 진행한다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
가. 측정방법
▶ 실제 지하철이 터널을 통과할 때의 형상을 재현하기 위해, 아크릴로 터널을 만들어 실험을 진행한다. 아크릴은 내부의 차량이 통과하는 것을 관찰하기 위해 투명한 재질의 그것을 사용한다. ▶ 동일한 조건에서 원래의 음원만을 재생했을 때와 역위상의 음원을 같이 재생했을 때를 각각 3회씩 스마트폰의 소음측정기 앱을 통하여 측정하여 비교한다.
나. 실험 데이터 및 결과분석
▶ 실험 결과 원래의 음원을 재생했을 때의 평균소음의 평균은 56.6dB, 노이즈 캔슬링을 적용했을 때의 평균소음의 평균은 54.2dB로 2.4dB(4.2%) 감소했다. ▶ 원래의 음원을 재생했을 때의 최대소음의 평균은 75.7dB, 노이즈 캔슬링을 적용했을 때의 최대소음의 평균은 72.5dB로 3.2dB(4.2%) 감소했다. ▶ 이러한 결과를 통하여 노이즈 캔슬링을 적용했을 때 2~3dB(4.2%)의 소음저감 효과가 있다는 것을 확인할 수 있었다.
상세설계 내용
가. 설계도
나. 실제 모형
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
모형을 통한 시험에서 노이즈캔슬링을 적용했을 때 2~3dB(4.2%)의 소음저감 효과가 있다는 것을 확인했다. 본 과제는 실외 공간에 노이즈캔슬링을 적용하였기 때문에 모든 소음이 상쇄되지는 않았다. 터널의 벽면에 소음이 반사되는 위치를 정확히 구한다면 더 높은 소음저감 효과가 있을 것이라고 기대한다. 본 과제는 터널 벽면에 설치한 스피커를 통하여 노이즈캔슬링을 하므로 다른 지하철 내부의 소음을 저감하는 기술과 연계한다면 보다 나은 효과를 낼 것으로 기대한다.
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
