궤도 근접 저상 방음벽 기술 개발(I)railway.or.kr/Papers_Conference/201402/pdf/KSR2014A041.pdf · 의 차륜에서 발생하는 전동소음이다[1]. 고층 공동주택에서

2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A041

궤도 근접 저상 방음벽 기술 개발(I)

Technology Development for Low Height Barrier to Near Railways (I)

홍병국*†, 윤제원*, 장강석*, 김영찬*

Byun Kuk Hong*†,Je Won Yoon*, Kang seok Jang*, Young Chan Kim*

Abstract With the increase of high-rise apartments near the railroad after the new railway construction, complaints have begun to arise. Though a barrier is generally used to reduce railway noise, it is not enough to help apartments higher than fifth floor. It is most effective to install soundproof facilities near the noise source. However, this method still did not apply in the railway field and a systematic study was not even conducted. In this study, we developed a technique where the barrier was installed close to the rail track height, less than 1m, to reduce the rolling noise from the wheels of the train and rails. For step 1, the development of a low height barrier was carried out overseas technology survey, near field sound analysis and performance analysis was carried out for the material and height of the barrier. Keywords : Near, Low Height Barrier, Insertion Loss 초 록 철도건설 이후 철도변에 인접한 고층 공동주택의 증가로 지속적인 민원이 제기되고 있으나, 철도소음 저감을 위해 적용되는 방음벽은 5층이상 공동주택의 철도소음을 저감하기에는 역부족이다. 소음을 저감하기 위한 가장 효과적인 방법은 소음원 근접에 방음시설물을 설치하는 것이 가장 효과적이다. 그러나 철도 현장에서는 아직까지 이러한 원리를 적용해 방음시설물을 설치하여 소음을 저감하기 위한 체계적인 연구가 진행되지 않았다. 본 연구에서는 철도 소음원 중 레일과 차륜에서 발생하는 전동소음을 높이 1m 미만의 방음벽을 궤도 근접에 설치하여 철도 소음을 저감하는 궤도 근접 저상 방음벽 기술을 개발하고자 한다. 궤도 근접 저상 방음벽 개발을 위한 1단계로 국외기술현황, 근접음장해석 및 소재, 저상 방음벽 높이에 따른 음향성능시험을 수행하였다. 주요어 : 근접, 저상방음벽, 삽입손실

1. 서 론

현재 우리나라는 좁은 국토, 수도권 인구 집중 및 역세권 개발로 인하여 철도건설 후 철

도노선 인근에 건설되는 고층 공동주택, 주상복합건물이 나날이 증가하면서 지속적인 철도

소음에 대한 민원도 증가하고 있다. 철도소음 저감을 위해 적용되는 방음벽은 5층이상 공동

주택의 철도소음을 저감하기에는 역부족이다. 소음을 저감하기 위한 가장 효과적인 방법은

소음원 근접에 방음시설물을 설치하는 것이 효과가 가장 크다. 그러나 국내의 철도 현장에

서는 아직까지 이러한 원리를 적용해 방음시설물 설치하여 소음을 저감하기 위한 시도, 체

계적인 연구가 진행되지 않고 있다. 따라서 소음원 근접에 방음시설물을 설치하여 주거지역

의 저소음 환경을 구현하기 위한 연구가 절실히 필요하다.

† 교신저자: 유니슨테크놀러지㈜([email protected])

* 유니슨테크놀러지㈜

본 연구에서는 철도 소음원 중 레일과 차륜에서 발생하는 전동소음을 높이 1m 미만의 방

음벽을 레일 근접에 설치하여 철도 소음을 저감하는 궤도 근접 저상 방음벽 기술을 개발하

고자 한다. 궤도 근접 저상 방음벽 개발을 위한 1단계로 국외기술현황, 근접 음장 해석 및

소재, 저상 방음벽 높이에 따른 음향 성능 분석을 수행하였다.

2. 본 론

2.1 국외 기술 현황

2.1.1 소음저감 원리

현재 국내외에서 사용되어 온 방음벽은 대부분 흡음형과 반사형 방음벽으로서 방음벽의

높이를 이용하여 소음의 전파 경로를 차단하여 저감하는 단순한 형태의 방음시설물을 대부

분 사용하고 있다. 국내와 같이 철도변에 고층 공동주택이 위치하는 경우에는 방음벽 높이

보다 높은 층(가시선 상부)의 공동주택은 방음벽에 의한 소음저감 효과를 기대할 수 없다.

디젤 동력 차량을 제외하면 200km/h 미만으로 주행하는 열차의 주요 소음원은 레일과 열차

의 차륜에서 발생하는 전동소음이다[1]. 고층 공동주택에서 전동소음의 영향을 저감하기 위

해서는 Fig.1과 같이 궤도 근접에 방음벽 설치하여 발생 소음을 차단 또는 흡음하는 것이

가장 효과적이다.

Fig. 1 The scheme of rolling noise propagation path

2.1.2 국외 연구 동향

일본에서는 근접 방음벽의 높이를 0.5m, 0.9m의 경우에 대하여 1/20 차량 축소 모형과 상

업노선에서 80km/h로 운행하는 열차에 대한 소음저감 성능시험을 수행하였으나, 상용화 사

례는 보고되지 않았다[2]. 유럽의 경우 1996년 열차의 대차를 가리는 휠커버의 연구의 시작

으로 근접 저상 방음벽의 형상, 성능에 대한 연구가 진행되었다[3~4]. 또한 연구 결과를 바

탕으로 상업 노선에 시험 설치하여 운영하고 있다. 유럽에서 시험 운영되고 있는 저상 방음

벽의 높이는 0.55~0.8m로 1m 미만으로 개발하였다. Table 1은 유럽에서 개발된 근접방음벽

의 종류와 설치 위치를 나타낸 것이다[5].

2.1.3 제약사항

저상 방음벽은 궤도에 근접해 설치되기 때문에 자갈도상의 경우 침목교체, Ballast

cleaning(자갈치기)과 같은 선로 유지보수와의 충돌문제와 겨울철 운행중인 차량에서 떨어지

는 낙빙에 의해 발생하는 자갈비산으로 인한 저상 방음벽의 파손문제가 발행할 수 있다. 또

한 선로 유지보수 요원들의 작업중 대피, 열차 비상시 승객을 안전하게 대피하도록 장애가

없어야 한다. Fig.2와 같이 유럽이 경우 이러한 문제를 해결하기 위해 저상 방음벽에 기구

학적인 장치를 적용해 선로 유지보수 작업시 방음벽을 이동하여 선로 유지보수가 가능하게

하였으며, 방음벽에 사다리 또는 계단을 설치하여 유지보수 요원과 열차 비상시 승객들의

대피를 가능하도록 하였다.

Table 1 Type of Low height barrier in Europe

Nation Product Name

Product Maker

InstalledLength

Installed Location Product Images

Austria Noise Breaker ART 200m Tullnerfeld

Melk

German Zblock 3a Hering International 300m

Celle Bingen Garßen

Finland Soundim Soundim 60m Kytömaa

Sweden Zblock 3a Zblock International 3.5km Umeå

Ornsköldsvik

German INN-DB Tuxbel 150m Rhöndorf

German Mono

Silenzio Forte

Hering International 50m Bonn

Fig. 2 Low height barrier applied to rail maintenance and evacuate the passengers in Europe

2.2 궤도 근접 저상 방음벽 개발을 위한 연구

2.2.1 국내 건축 및 차량한계

궤도 근접 저상 방음벽을 개발하기 위해서는 무엇보다 설치 위치 및 높이의 선정이 가장 중

요한 요소이다. 저상 방음벽을 열차에 근접하여 설치 할수록 소음저감효과는 커지지만, 열차

의 주행 안정성 및 안전사고를 대비하여 선로 중앙에서 일정 거리를 이격해서 설치해야 한다.

국내의 철도건설 기준에는 건축한계를 규정하여 제시하고 있다. 국내 철도의 건축한계는 선로

중앙에서 2.1m로 규정되어 있다. 이 기준은 규정된 거리 안쪽으로는 어떠한 구조물도 설치할

수 없다는 것을 의미한다. 자갈도상의 경우 Ballast cleaning(자갈치기) 작업 반경이 건축한계를

초과하기 때문에 유지보수를 고려하면 선로 중앙에서 2.6m 이격된 거리에 저상 방음벽을 설치

하는 것이 가장 합리적이다. 그러나 설치 위치가 열차에서 멀어질수록 소음저감 효과는 저감

되기 때문에 건축한계 내에 설치하되 선로 유지보수 시와 충돌이 발생하지 않는 구조적인 형

상을 적용해야 한다. Fig.3은 국내 철도의 건축한계와 건축한계 내에 설치되는 근접 저상 방음

벽의 설치 예시를 나타낸 것이다.

Fig. 3 Construction limits of domestic and installation example of low height barrier

2.2.2 근접음장해석

궤도 근접 저상 방음벽의 형상을 설계하기 위해서는 열차와 저상 방음벽 사이에서 발생하는

음장특성을 파악해야 한다. 이를 위해 열차 종류별 방사소음의 수치적 모델을 이용하여 음장

특성과 저상 방음벽 설치에 따른 삽입 손실을 예측하였다. Table 2는 근접음장해석 시 입력한

열차 차종별 음원을 나타낸 것이다. 차종별 음원은 선로 중앙 7.5m 높이 1.2m에서 측정된 데

이터를 사용하였다. Table 3은 방음벽 설치 유무와 흡음재 적용에 따른 삽입손실 결과를 예측

한 것이다. 방음벽의 높이는 1.0m, 방음벽의 설치 위치는 국내 건축한계 2.1m를 적용하였으며

음원의 높이는 0.5m를 적용하였다. 지하철, 무궁화호, 새마을호의 음원 높이를 같게 하여 계

산한 결과 각 열차의 주파수 특성이 다르기 때문에 방음벽의 삽입손실(IL)도 다르게 나타났다.

무궁화호의 삽입손실이 가장 크게 나타났고, 전철이 가장 작게 나타났다. 흡음재의 영향은 원

거리 음장에서는 세 종류의 열차 모두 나타나지 않았으나, 열차 위치 근처에서는 위치별로 차

이가 있으나 최대 3dB의 차이를 보였으며 500Hz 이상의 대역에서 나타났다. 방음벽과 열차

사이에서 방음벽으로부터의 반사음으로 인하여 객실의 실내 소음이 증가하였다. 무궁화 열차

가 반사음의 영향을 가장 많이 받았으며 흡음율이 높은 소재를 적용하면 반사음에 의한 객실

내 소음을 방음벽 설치전과 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 향후 실제 차량, 선로 조건 등 실

제 철도 환경과 유사하게 모델링하여 예측할 경우 보다 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로

판단 된다.

Table 2 Frequency characteristics of input source

Train type Saemaul: 135km/h Mugunghwa: 106km/h Subway train: 70km/h

Frequency characteristics

Table 3 Acoustic analysis results of barrier and absorbing material installed before and after

Train type Without barrier With barrier With barrier and absorbing material

Subway train 70km/h

Mugunghwa 106km/h

Saemaul 135km/h

2.2.3 음향소재 및 방음벽 높이별 음향성능 시험

무향실에서 측정을 통해 근접 저상 방음벽의 높이 및 소재별 삽입손실 평가를 수행하였다.

실내 시험용 저상 방음벽의 높이는 0.8m, 1.0m이며, 각 높이별로 적용되는 방음 소재는 강체,

폴리에스터 50T, 흡음엣지(250*250*250mm)를 적용하여 높이와 소재별로 삽입손실을 측정하였

다. 소음측정을 위한 마이크로폰은 기준 마이크로폰을 제외한 총 13채널을 운영하여 측정하였

다. 저상 방음벽의 길이는 4.0m로 제작하였으며, 소음이 발생하는 대차부의 높이는 서울지하

철의 1:1, 차량 상부(객차부) 길이는 1/5, 높이는 2/5로 축소하여 제작하였다. Fig.4는 측정 단

면 및 측정 전경을 나타낸 것이다.

(a) (b) (c) (d)

Fig. 4 Location of noise source and microphone for the measurement(a,b,c) and photo of test facility(d)

건축한계에 설치된 흡음 특성이 없는 강체의 경우 근접음장해석 결과와 동일하게 차량 하부

에서 발생하는 소음이 저상 방음벽에 반사되어 객차부의 실내소음이 증가하였다. 그러나 흡음

재 부착후 흡음 성능이 높은 흡음 엣지의 경우 반사 소음이 저감되는 것으로 나타났다. 따라

서 저상 방음벽의 형태를 I형으로 설계할 경우 객차 실내로 반사되는 소음을 저감하기 위해서

는 흡음율이 높은 소재를 적용해야 한다. Fig.5는 저상 방음벽 설치전과 방음벽의 높이가 1m

일때 객차에 전달되는 소음의 주파수 특성을 나타낸 것이다. 방음벽의 높이 0.8m의 경우는 흡

음율에 따른 삽입손실의 차이가 뚜렷하지 않았으나, 1.0m의 경우는 주파수별 삽입손실 차이가

뚜렷하게 나타났다. 또한 흡음율이 높을수록 철도 소음의 특성인 400~2kHz 대역의 삽입손실이

크게 나타났다. Fig.6은 P11 지점에서 높이 1.0m 방음벽의 소재별 삽입손실을 나타낸 것이다.

(a) Rigid body (b) Polyester (c) Edge

Fig. 5 Measurement results of frequency characteristics for reflected noise by absorbing material

(a) Barrier height 0.8m (b) Barrier height 1.0m Fig. 6 Measurement results of insertion loss by absorbing material

3. 결 론

궤도 근접 저상 방음벽을 기술을 개발하기 위한 1단계로 국외 연구동향과 설치를 위한 국

내 철도환경의 제한치수를 결정하였다. 또한 근접 저상 방음벽 설치에 따른 열차와 방음벽

과의 근접음장해석을 통하여 음장특성을 파악하였으며, 서울지하철 차량의 축소 모형을 제

작하여 방음소재 및 방음벽의 높이에 따른 음향성능시험을 수행하여 궤도 근접 방음벽 형상

설계를 위한 데이터를 확보 하였다. 본 연구의 최종 목표인 성능검증 및 상용화를 위해 2단계로 형상설계 및 방음소재 적용에 대한 연구를 진행하고 있다.

철도소음원 근접에 설치되는 궤도 근접 저상 방음벽 이용하면 철도소음의 제어가 가능하

며, 운행선의 소음민원과 방음시설물 설치에 제약을 받아온 지역에서 유용하게 사용될 수

있다.

후 기

본 연구는 국토교통과학기술진흥원에서 주관하는 ‘철도 선로변 지속가능 저소음화 기술개발’중 ‘궤도 근접 저상 방음벽 기술 개발’연구비 지원에 의해 수행되었습니다.

참고문헌

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[2] Yukie Ogata, Kiyosh Nagakura(2012) Noise Reduction Effect of Low Barriers Installed Adjacent to

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[3] F. Koussa, J. Defrance, P. Jean, P. Blanc-Benon(2013) Acoustic performance of gabions noise barrier:

Numerical and experimental approaches, Applied Acoustics 74, pp. 189~197.

[4] F. Koussa, J. Defrance, P. Jean, P. Blanc-Benon(2012) Transport noise reduction by low height sonic

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[5] E. S. Romano, J. Oertli(2012) Rail Dampers, Acoustics Rail Grinding, Low Height Noise Barriers-A

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