소음계 동특성과 소음원별 적용

왜 배우는가: 소음계의 지시값은 시간가중 특성에 따라 달라지므로, 동특성을 모르면 같은 소음을 두고 서로 다른 값을 읽게 된다. 실무 측정 기준이 Fast 또는 Slow를 지정하는 경우가 많아 특성 선택의 근거를 묻는 문제가 반복해서 출제되는 이유가 된다.

출제 이력: 제137회 1교시 10번, 제92회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

소음계의 동특성은 지시값이 시간에 따라 변하는 음압을 따라가는 응답 속도를 정하는 시간가중 특성이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 시간가중 특성: 지수 시간평균으로 지시값의 응답 속도를 정하는 설정이다.
• Fast 특성: 응답이 빨라 시간변동을 상세히 나타내는 특성이다.
• Slow 특성: 응답이 느려 지시값의 변동을 완화하는 특성이다.
• 시간상수: 지수 평균의 감쇠 속도를 나타내는 시간 값이다.
• 등가소음도(Leq): 시간가중 특성과 무관하게 정의되는 에너지 평균 지표이다.

2. 개념 풀이

소음계의 동특성은 마이크로폰이 받은 음압의 제곱을 지수 함수 가중으로 시간평균한 뒤, 그 값을 데시벨 지시값으로 바꿔 표시하는 방식의 응답 특성이다. 이 평균이 과거 값을 얼마나 오래 반영하는지를 정하는 값이 시간상수(τ)이며, 시간상수가 작을수록 지시값은 음압의 변화를 빠르게 따라간다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$L(t) = 10 log₁₀ [ (1/τ) ∫_{-∞}^{t} (p(ξ)/p₀)² e^{-(t-ξ)/τ} dξ ]$

여기서 L(t)는 시각 t의 지시 음압레벨(dB), p(ξ)는 시각 ξ의 음압(Pa), p₀는 기준음압(20μPa), τ는 시간상수(s)이다. 적분 안의 지수항이 과거 음압의 기여를 줄이므로, 최근 음압이 지시값에 가장 크게 반영된다.

원리는 지수 감쇠에 있다. 음압이 갑자기 커지면 지시값은 시간상수 단위로 목표 수준에 접근하고, 음압이 갑자기 작아지면 지시값도 같은 방식으로 천천히 내려간다. 따라서 Fast 특성은 음압 변화를 거의 그대로 따라가고, Slow 특성은 변화를 평균하여 완만한 곡선으로 보여준다. 짧은 펄스 신호에 대해서는 Slow 특성의 지시값이 작게 나타나는데, 이 차이도 같은 원리에서 나온다.

현행 IEC 61672에서 정의하는 시간가중 특성은 Fast와 Slow 두 가지이다. Fast 특성의 시간상수는 125ms이다. Slow 특성의 시간상수는 1s이다. 두 시간상수의 비가 8 대 1이므로 Fast 특성의 응답 속도는 Slow 특성의 약 8배 수준이다.

시간가중 특성은 소음의 크기를 보정하는 값이 아니라 지시값이 반응하는 속도를 정하는 설정이다.

구 규격 IEC 60651의 Impulse 특성은 상승 시간상수 35ms이다. 이 특성은 순간음에 빠르게 반응하였고 감쇠는 매우 느렸다. 현행 규격에서 Impulse 특성은 제외되어 일부 계측기에만 구형 기능으로 남아 있다. 따라서 충격성 소음의 피크값은 Impulse 지시값으로 대체하지 않고 피크 측정 기능으로 따로 측정하는 것이 기본이다.

등가소음도(Leq)는 시간가중 특성과 무관하게 정의된다. Leq는 측정 시간 동안의 음압 에너지를 평균한 값이므로 Fast와 Slow 중 무엇을 선택해도 Leq의 정의는 바뀌지 않는다. 다만 적분형 소음계에서는 시간가중 특성이 지시 표시 방식을 바꾸므로, 측정 기준이 요구하는 설정을 답안에 함께 적어야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

환경소음과 작업장 소음은 시간에 따라 크기가 계속 변한다. 이 변동을 순간값 그대로 지시하면 지침이 빠르게 흔들려 값을 읽기 어렵다. 그래서 소음계는 지시값을 완만하게 만드는 시간가중 특성을 두었고, 이를 통해 사람이 읽을 수 있는 안정된 값과 변동 양상을 함께 얻는다.

초기 소음계는 아날로그 지침으로 값을 표시하였으므로 응답 속도 조절이 필수 기능이었다. 최신 디지털 표시기는 직전 1초 동안의 최대 실효값을 보여 주어 지침이 떨리는 문제를 크게 줄였다. 그러나 측정 목적에 따라 Fast와 Slow 중 무엇을 쓸지는 여전히 측정 조건으로 남아 있다.

규격의 변천도 이 특성의 배경이다. 2003년 이전에는 지수형 소음계와 선형 적분형 소음계의 규격이 따로 있었다. 2003년 이후 두 형식은 IEC 61672로 통합되었으며, 현행판은 2013년에 발행된 Ed. 2.0이다. 이 통합으로 Impulse 특성은 현행 규격에서 빠지게 되었다.

충격성 소음은 특성 선택에 따라 지시값이 달라지는 대표적인 경우이다. 해머 타격이나 프레스 타격처럼 짧은 충격음은 Slow 특성에서 지시값이 작게 나오므로, 같은 음을 Fast로 측정하느냐 Slow로 측정하느냐에 따라 평가 결과가 달라진다. 이 차이를 설명하는 것이 동특성 주제의 출발점이다.