항공기 소음측정 및 소음저감

왜 배우는가: 항공기 소음은 공항 주변 주민 민원과 공항 개발 갈등의 중심에 있어 실무에서 소음영향도 산정, 소음대책지역 지정, 저감대책 수립을 함께 다뤄야 한다. 기술사 시험에서도 측정 단위와 소음대책지역 기준, 저감 대책을 묶어 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제135회 2교시 5번, 제108회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

항공기 소음측정은 공항 주변에서 이착륙 항공기의 소음을 측정 단위로 정량화하고, 이를 소음영향도로 환산해 소음대책지역을 정하고 저감대책을 세우는 일련의 활동이다.

• 항공기 소음
• 등가소음도(Leq)
• 가중등가소음도(Lden)
• 웨클(WECPNL)
• 소음영향도
• 소음대책지역
• 저소음운항절차
• 배경소음

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 비행기가 지나갈 때마다 달라지는 시끄러움을 하나의 숫자로 바꾸어 지역 전체의 피해 정도를 비교하는 것이다. 사람이 느끼는 시끄러움은 소리의 세기뿐 아니라 밤에 들리는지, 얼마나 자주 들리는지에도 따라 달라진다. 그래서 측정값을 그대로 쓰지 않고 시간대와 횟수를 반영한 단위로 환산한다.

정식 정의는 다음과 같다. 항공기 소음측정은 공항소음 관리 및 피해지원 등에 관한 기준에 따라 측정기간, 측정지점, 측정기기를 정하고 항공기 통과 때마다 소음도를 기록하여 등가소음도 등 평가 단위를 산출하는 절차다. 이 측정 결과로 소음영향도를 산정하고 구역별 소음대책지역을 지정한다.

등가소음도(Leq) 는 임의의 측정시간 동안 변동하는 소음의 에너지를 같은 시간 동안의 정상소음 에너지로 환산한 소음도다. 항공기처럼 소음이 간헐적으로 생기는 경우에도 한 시간 또는 하루 전체의 소음 크기를 하나의 값으로 나타낸다.

소음도 는 소음계의 청감보정회로(A특성)를 거쳐 얻은 지시치다. 한국의 측정은 A특성을 기본으로 한다.

배경소음 은 대상 소음이 없을 때 그 장소의 소음이다. 측정 결과를 해석할 때 배경소음보다 충분히 커야 대상소음 값이 유효하다. 같은 항공기 소음이라도 배경소음이 낮은 지역에서 주민 불만이 더 크게 나타난다는 연구도 있다.

웨클(WECPNL) 은 운항되는 매 항공기의 최고소음도를 에너지 평균한 값에 일일 평균 운항횟수를 주간, 야간, 심야 시간대별로 가중하여 산출한 소음도다. 야간과 심야 운항에 더 큰 가중치를 두어 수면 방해를 반영한다.

가중등가소음도(Lden) 은 하루를 낮, 저녁, 밤 시간대로 나누어 가중한 등가소음도다. 국내 소음대책지역 구역 기준은 이 값으로 정해진다.

소음영향도 는 항공기로부터 발생되는 소음도에 운항횟수와 운항시간대를 고려하여 국토교통부령의 산정방법으로 구한 값이다. 소음측정값과 운항 자료를 결합한 평가량이다.

3. 등장 배경과 필요성

항공기는 다른 교통수단보다 높은 고도에서 빠르게 이동한다. 그래서 측정지점에서 느끼는 소음이 시간에 따라 크게 변한다. 항공기가 접근할 때는 고주파 흡입소음이 주로 들리고, 머리 위를 지나 멀어질 때는 저주파 배기소음이 주로 들린다. 이 특성 때문에 짧은 순간 값만으로는 피해를 설명하기 어렵다.

공항 주변 주민 민원은 집약적이고 피해 지역이 넓다는 특징이 있다. 그래서 국가는 측정과 평가의 기준을 법으로 정하고, 피해가 큰 지역을 구역별로 나누어 방음·냉방 지원과 주민지원을 제공한다. 이를 위해 소음영향도를 조사하고 소음대책지역을 지정·고시하는 제도가 필요하다.

평가 단위는 나라마다 다르다. 국제민간항공기구(ICAO)와 미국연방항공국(FAA)은 PNL, WECPNL, Ldn 등을 사용하며, 전 세계적으로 통일된 단위는 없다. 일본은 최고 A가중소음도를 바탕으로 한 WECPNL 근사식을 쓰고, 유럽에서는 등에너지 원리와 A가중음압레벨을 쓰는 방식으로 옮겨가는 추세다. 국내는 Lden 기준을 법으로 정해 사용한다.

측정 결과의 신뢰도도 중요하다. 소음계는 KS C IEC 61672-1의 클래스 2 이상 성능이어야 하며, 측정기능은 A특성과 느림(Slow) 동특성으로 설정한다. 측정 기기 관리와 주기적 정도검사가 있어야 측정값으로 지역을 나눌 수 있다.

가중등가소음도 79dB(A) 이상 이면 제1종 구역이며, 이 기준이 소음대책 지원의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

항공기 소음은 발생원, 전파, 수음점(주민 위치)의 세 요소로 나눠 본다. 발생원은 엔진 흡입·배기 소음과 팬·압축기 소음, 기체 공력 소음이다. 전파 단계에서는 거리 감쇠와 대기 흡수, 지면 효과가 작용한다. 수음점에서는 운항 횟수와 시간대에 따라 주민이 느끼는 피해가 달라진다.

흡입 소음과 배기 소음은 항공기 위치에 따라 지배 주파수가 달라진다. 접근할 때는 엔진 흡입 소음(2 kHz 이상)이 주로 들리고, 측정점 위를 지나 멀어질 때는 팬 배기 소음(500 Hz 이하)이 주로 들린다. 이 차이 때문에 한 번의 통과 소음도 시간에 따라 변한다.

위 표는 발생원을 나눈 것이다. 설명 문장은 발생원별 원인을 이어 쓴 것이다. 소음 저감 대책은 발생원 단계, 전파 단계, 수음점 단계 중 어디에 적용하는지로 분류한다.

원리는 음향 에너지의 누적으로 설명한다. 한 번의 통과에서 얻은 최고 소음도를 시간에 따라 에너지 평균하고, 운항 횟수와 야간 가중치를 곱해 하루 소음 지표를 만든다. 웨클(WECPNL)과 가중등가소음도(Lden)가 이 방식을 따른다.

• 측정점을 정하고 배경소음을 먼저 측정한다.
• 항공기 통과마다 최고 소음도와 지속 시간을 기록한다.
• 시간대별 운항 횟수를 집계하고 가중치를 적용한다.
• 에너지 평균으로 일일 소음영향도를 산정한다.
• 등고선을 그려 소음대책지역 구역을 나눈다.

소음영향도 산정식의 기호는 다음과 같다. L_{den}은 가중등가소음도(dB(A)), L_i는 i번째 시간대의 등가소음도(dB(A)), N_i는 그 시간대의 운항 횟수, T는 기준 시간이다. 에너지 평균은 L = 10\log_{10}\left(\frac{1}{T}\sum N_i\, 10^{L_i/10}\right) 형태로 쓴다. 계산 예로 주간 운항 횟수와 각 통과의 소음도를 위 식에 대입하면 하루 평균 소음도를 구할 수 있다. 실제 법정 산정은 야간 가중치를 더한 값을 쓴다.

소음영향도는 에너지 평균과 운항 횟수 가중으로 산정한다

5. 관련 법령·기준·표준

소음대책지역의 구역 기준은 「공항소음 방지 및 소음대책지역 지원에 관한 법률 시행령」 제2조에 있다. 예상 소음영향도 기준은 가중등가소음도 기준으로 제1종 구역이 Lden 79dB(A) 이상, 제2종 구역이 Lden 75dB(A) 이상 79dB(A) 미만, 제3종 구역이 Lden 61dB(A) 이상 75dB(A) 미만이다. 구역 지정은 장래 항공수요를 기준으로 하며, 법 제5조에 따라 국토교통부장관이 지정하고 5년마다 소음영향도를 조사한다.

측정 기준은 「공항소음 관리 및 피해지원 등에 관한 기준」 제12조와 제15조에 있다. 소음계는 KS C IEC 61672-1 클래스 2 이상을 쓰며, 주파수 특성은 A특성, 동특성은 Slow로 설정한다. 측정 기간은 원칙적으로 연속 7일이며, 측정점 높이는 지상 1.2m~1.5m로 한다.