도로 ANC 도입을 위한 기초 연구 및 최적 운영을 위한 교통소음 예측 모델 개발

Abstract

생활수준 향상, 교통수요 증가 등에 따라 도로교통소음은 이제 일상생활 주변에서 누구나 쉽게 접할 수 있는 환경문제로 인식되고 있으며, 이로 인해 많은 민원과 분쟁이 지속되고 있다. 도로교통소음의 방지대책으로 기존에는 방음벽 설치나 저소음포장 위주의 수동적인 방법을 이용하였다. 그러나, 지속적인 교통량 증가 및 소음에 대한 사람들의 민감도 증가로 방음벽 연장도 증가하고 점차 대형화되고 있다. 이는 도시미관을 저해하고 대형화에 따른 안전성 문제를 야기하는 원인을 제공한다. 따라서, 최근에는 도로교통소음 제어를 위해 수동적인 방법에서 능동적인 방법으로의 전환을 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 그 중 능동형 소음저감장치(ANC)는 대표적인 소음제어 기술이라고 할 수 있다. 현재까지 ANC 기술은 자동차, 이어폰 등 주로 정형적인 소음이 발생되는 분야에 적용되고 있다. 그러나, 도로교통소음은 다양한 환경에서 발생하는 복합적인 소음의 특성을 보이고 있다. 따라서, ANC를 이용한 도로교통소음 제어를 극대화하기 위해서는 실시간으로 발생하는 차량주행 소음을 예측하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 소음원 모델 개발, 수음점 위치 및 환경에 따른 감쇠계수 개발, 소음원의 주파수 특성에 따른 수음점의 음압 보정을 위한 보정계수 개발을 통해 수음점에서의 도로교통소음 예측 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 ISO 9613-2의 소음 전파 이론을 기본으로 하고 있다. 모델 개발을 위한 현장실험은 pass-by 측정 방법과 NCPX 측정 방법을 이용하였다. 개발된 모델의 검증을 위해 고속도로(2개 구간), 일반국도(4개 구간)에서 pass-by 측정 방법을 이용한 현장실험을 진행하였다. 모델의 적합도 분석 방법으로는 ISO 9613-2에서 제시하고 있는 총 음압오차(±3dB(A)) 분석과 다양한 분야에서 예측된 값의 정확도 분석에 많이 활용되고 있는 평균절대백분율오차(MAPE) 통계분석기법을 이용하였다. 먼저, 모델의 총 음압허용오차 적합도 분석 결과, 수음점 위치 5m-1.2m(거리-높이)에서는 평균 88.6%의 허용오차 기준 적합률이 나왔으며, 7.5m-1.2m(거리-높이)에서는 평균 91.6%의 적합률이 산출되어 개발된 소음 예측 모델이 비교적 적합한 것으로 판단되었다. 평균절대백분율오차(MAPE)의 적합도 분석 결과는 대부분의 경우에 수음점 위치 5m-1.2m와 7.5m-1.2m에서 사람이 민감하게 반응하는 500∼4,000Hz의 주파수 대역에서는 MAPE가 10%미만으로 매우 정확한 예측이 이루어지는 것으로 나타났다. 두 가지의 적합도 분석 결과 제시된 모델이 양호한 것으로 판단하였다. 마지막으로 제시된 모델을 이용하여 다양한 조건에서 ANC의 이론적 성능평가를 분석하였다. 그 결과, ANC를 이용하여 모든 주파수 대역에서 소음을 제어할 경우, 평균 소음저감량은 61dB(A)이상(평균 저감율 약 77%)으로 나타났다. 그러나, 현실적으로 모든 주파수 대역의 소음제어가 불가능하다면 소음을 제어하고자 하는 특정 주파수 대역을 설정하여 제어하는 것도 ANC의 효율을 극대화하는 방법일 수 있다. 특히, 사람의 귀에 민감한 주파수 대역을 집중적으로 제어하는 것도 중요한 부분이 될 수 있다. 본 연구는 개별차량에 대한 도로교통소음 예측 모델을 개발한 것으로 향후 군집차량에 대한 모델로의 확장연구가 필요할 것이다. 또한, 도로교통소음 분야에 개발되는 실제 ANC 장비의 현장적용을 통한 검증연구가 필요하다.