1. 서 론
최근 삶의 질 향상에 대한 관심이 고조되어 환경소음문제가 심각해지고 있으며 주거환경의 소음제어에 대한 요구가 크게 증가하고 있다. 이에 따라 흡음율이 우수한 건축자재에 대한 연구와 흡음율 측정에 관한 연구가 증가하고 있다.1,2) 또한 전 세계적으로 산업자원의 수급불안정 및 기후환경변화에 따른 온실가스 감축에 대한 관심 증대로 부산물 재활용에 대한 관심이 높고 특히 국토가 좁고 천연자원이 부족한 우리나라는 모든 자원을 최대한 절약하며 사용해야 하고 각종 산업 부산물을 효율적으로 재이용하는 기술이 필요하다. 골판지는 자원을 활용하여 포장용재 등으로 사용하고 있는데 난연성능, 흡음성능 등을 개선한다면 실내건축용재로의 적용도 가능하다.
흡음은 음이 가지고 있는 에너지를 소실 또는 감소시키는 과정으로, 다공성재료가 갖는 공극에서의 마찰에 의한 흡음, 강벽과 판이나 막 사이에 공기층을 두고 판이나 막의 진동에 의한 흡음, 그리고 공명기를 이용한 흡음기구 등을 이용한다.1,2) 다공질형 흡음은 고주파수대역에서 흡음효과가 우수한 반면, 자체강도가 약하다. 판진동에 의한 흡음은 저주파수 영역의 흡음율이 증가하나 흡음효과가 비교적 작은 편이며, 단일공명기에 의한 흡음은 좁은 주파수대역에서 높은 흡음효과가 나타난다.
골판지는 라이너지(linerboard) 사이에 주름 모양의 골심지(corrugating medium)를 붙인 판지로서 만든 판지의 구성에 따라서 편면 골판지, 양면 골판지, 이중 양면 골판지, 삼중 양면 골판지 등이 있으며 골심지의 트러스 구조로 타 종이에 비해서 두께가 현저히 커서 휨강성과 내구성이 높은 수준이다. Meng 등3)은 샌드위치 패널을 이용하여 양면 골판지와 같은 구조에서 표면과 골에 구멍을 각각 뚫은 후 흡음성과 음향투과손실을 연구한 바 있다.
골판지의 표면에 천공을 하여 음을 입사시키면 표면의 구멍과 골판지 주름 사이에 형성된 공간이 공명기로 작용하여 특정한 주파수영역에서 음에너지의 손실이 커지게 된다. 이를 단일공명기(Helmholtz resonator)라고 하는데, 공진현상이 발생하는 주파수영역은 공명기의 크기, 목의 길이와 표면적으로 조절할 수 있다. 이때 골판지 표면에 다양한 직경의 천공을 하면 공명이 발생하는 공명주파수가 복수로 발생하게 되며 이를 다중공명기라고 한다. 골판지 표면의 라이너지는 두께가 얇기 때문에 천공가공이 용이하고 직경의 크기가 다른 천공을 다양하게 함으로서 다중공명기를 조성하면 넓은 주파수범위에서 흡음성이 개선될 것이다.
본 연구에서는 일차적으로 삼중 양면 골판지를 사용하였으며 이 골판지에 한 가지 종류의 천공을 하여 공명기를 만들어 흡음성능을 측정하는 것을 목표로 기초연구를 실시하였으며 전달함수법으로 수직입사흡음율을 측정하고 무천공 골판지의 흡음성능과 비교하였다. 또한 무천공과 천공의 골판지에 대하여 음향투과손실계수를 측정하여 비교하였다. 이를 통하여 골판지의 흡음성능과 투과손실을 파악하고 무천공과 천공의 차이를 분석하였다. 본 연구가 앞으로 계속 진행되면 다양한 골판지를 결합하여 두께를 달리한 골판지를 제조하고 표면에 다양한 천공을 하여 다중공명기를 조성한 후 내화 및 소수성을 부여함으로서 골판지의 실내건축용재로 이용이 가능하도록 연구를 진행할 계획이다.
2. 재료 및 방법
2.1 골판지 제조와 천공
사용된 삼중 양면 골판지는 평량 1,800 g/m2, 두께 150 mm, 3개의 A골로 조성된 골판지였으며, 표면과 이면 라이너지는 각각 440 g/m2의 평량을 나타내었다(Fig. 1). 이 골판지는 ㈜대영포장에서 모두 국산 OCC를 이용하여 제조되었고 본 연구에서 흡음율과 음향투과손실 측정에 사용되었다.
골판지를 공명흡음체로 사용하는 경우, 골판지의 표면에서 타공 구멍의 직경, 표면 라이너지의 두께, 타공 구멍 면적율, 공동의 크기를 좌우하는 층간 라이너보드와의 거리 그리고 온도에 따라 변화하는 음속 등에 따라 공명이 일어나는 주파수가 변화한다.4-7) 본 연구에서는 타공 구멍 직경 0.23 cm, 표면골판지의 두께 0.1 cm, 골심지가 부착된 두 번째 라이너지와의 거리(층간 거리) 0.45 cm의 조건으로 99 mm 직경의 원반시험편을 제작하였으며 무천공, 직경 0.23 cm의 천공 12개, 21개, 45개, 그리고 89개를 천공하여 개구율 1.01%, 1.77%, 3.78% 그리고 7.48%의 개구율로 각각 천공하였다. 천공작업은 직경 0.23 cm의 송곳을 이용하여 실시하였으며, 원반시험편은 워터제트(water jet)를 이용하여 정확히 잘라서 이용하였다. 천공 시에는 천공의 깊이에도 변화를 주었으며, 표면 라이너지만 천공한 경우(1단계 천공), 두 번째 라이너지까지 천공한 경우(2단계 천공), 세 번째 라이너지까지 천공한 경우(3단계 천공)로 구분하여 흡음시험을 실시하였다.
2.2 전달함수법 흡음율 측정
흡음율 측정은 Fig. 3과 같이 B＆K 사의 impedance tube, pulse 분석장치 그리고 스펙트럼 분석장치를 이용하여 전달함수법(transfer function method)으로4-7) 100-1,600 Hz의 주파수범위에서의 흡음율을 측정하였다. 흡음율 측정 시, 임피던스 튜브를 사용하는데 임피던스 튜브 직경의 주파수 제한으로 고주파수영역은 29 mm, 저주파수영역은 99.0 mm의 두 직경에서 흡음율을 측정하는데 본 연구에서는 직경 99 mm의 임피던스 튜브를 이용하여 100-1,600 Hz 구간의 주파수변화에 따른 흡음율 변이를 측정하였다.
측정 시 외부조건은 온도, 상대습도, 기압이 각각, 28.7℃, 54%, 1075.25 hPa이었고 음속, 공기밀도 그리고 음향임피던스는 각각 348.29 m/s, 1.172 kg/m3, 408.2 Pa/(m/s) 이었다.
2.3 전달함수법 투과손실측정
차음재는 재료표면에서 음을 반사 또는 흡수하여 음이 표면의 반대방향으로 통과를 막거나 저감하는 작용을 한다.2,8-13) 차음성능을 나타내는 지표로 음향투과율, 음압레벨차, 음향투과손실 등이 있으며 음향투과손실을 많이 사용한다.
음향투과손실은 재료를 통과하기 전의 입사파와 재료를 통과한 후의 반사파의 비율로 측정한다. 본 연구에서는 Fig. 3의 흡음율 측정장치에서 흡음율 측정용 임피던스 튜브를 Fig. 4와 같은 B＆K 사의 음향투과손실 측정용 임피던스 튜브로 교체하고 마이크로폰 중간 부분에 재료를 설치하고 양단을 밀봉한 후 white noise를 발생시켜 증폭기로 증폭한 후 스피커로 발음하고 입사파와 투과파를 pulse 분석장치와 스펙트럼 분석장치를 이용하여 전달함수법으로 측정, 분석하여 음향투과손실을 계산하였다. 측정 시, 직경 99 mm의 임피던스튜브를 이용하여 100-1,600 Hz 범위의 주파수대역에서 투과손실을 측정하였으며 측정 시 외부조건은 온도, 기압이 각각, 28℃, 1017.5 hPa이었다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 전달함수법에 의한 흡음율 측정
Fig. 5에는 전달함수법으로 구한 골판지의 100 Hz에서 1,600 Hz의 주파수범위에서의 흡음율을 나타내고 있다. 무천공 골판지는 700 Hz 부근에서 50% 정도의 흡음율을 나타내며 전반적으로 평균흡음율 36% 정도이다.
골판지에 구멍을 뚫어서 천공 골판지로 만든 경우에 천공과 골판지 사이의 공간이 단일공명기로 작용하여 특정 주파수영역에서 공명흡음효과가 나타나게 된다. 이때 공명흡음이 나타나는 주파수는 공동크기, 천공직경, 표면 라이너의 두께와 같은 변수들에 의해 결정되는데 본 연구에서 구멍직경 0.23 cm, 라이너지의 두께 0.1 cm, 라이너지 간의 거리 0.45 cm이었으며, 개구율은 Fig. 2와 같이 구멍수를 달리했을 때 12개의 경우 1.01%, 22개의 경우 1.77%, 44개의 경우 3.78% 그리고 89개의 경우 7.48%의 수치를 각각 나타내었다.
개구율 변화에 따른 공명주파수 변화는 크지 않았으며 천공의 깊이와 크기에 의해 공명이 일어나는 주파수대역에서 흡음성능이 크게 증가하였다. Figs. 6-9에서 전체주파수범위에서의 흡음율 산술평균치는 40%정도인데 공명이 일어나는 주파수부근에서는 0.9까지 증가하여 무천공 골판지의 두 배 이상의 높은 흡음율을 나타내었다. 공명주파수부근에서 흡음율이 증가하는 비율은 천공의 형태와 동공에 충전하는 다공질재료의 유무와 물성 등에 따라 변화하는데 본 연구에서 개구율 3.78%와 7.48%의 경우, 800 Hz 부근에서 90% 이상의 높은 흡음율을 나타내었다.
Figs. 10-13에는 구멍직경 0.23 cm, 목의 두께 0.1 cm, 층간 거리 0.45 cm, 구멍 개수 89개의 경우의 천공에서 3개의 중간층에서 첫 번째 층까지의 천공과 비교하기 위하여 7.48%의 개구율로 천공이 관통하는 중간층의 개수를 변경하여 변화시켰을 때의 흡음율을 나타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 구멍의 개수를 동일하게 하고 관통하는 중간층의 수가 늘어남에 따라 또한 증가하는 중간층의 천공의 직경이 증가할수록, 즉 동공의 크기가 증가함에 따라 공명 흡음이 발생하는 주파수가 800 Hz (Fig. 9)에서 1,400 Hz(Fig. 13)까지 변화하는 현상을 확인할 수 있다. 천공 개수를 달리했을 때와 마찬가지로 흡음 성능은 공명이 일어나는 주파수부근에서 크게 증가하였다. 측정주파수 범위 내에서의 산술평균흡음율이 40% 정도인데 가장 깊이 천공한 Fig. 13의 경우, 공명이 발생하는 1,400 Hz 부근에서는 거의 100%에 가까운 흡음율을 나타내었다.
Fig. 10.
Sound absorption coefficient curves (4 replications) for 7.48% perforated corrugated board. Surface and second liner boards were perforated by the hole diameter of 0.23 and 0.1 cm, respectively.
Fig. 11.
Sound absorption coefficient curves (4 replications) for 7.48% perforated corrugated board. Surface and second linerboards were perforated by the hole diameter of 0.23 cm.
Fig. 12.
Sound absorption coefficient curves (4 replications) for 7.48% perforated corrugated board. Surface, second, and third linerboards were perforated by the hole diameter of 0.23, 0.23 and 0.1 cm, respectively.
Fig. 13.
Sound absorption coefficient curves (4 replications) for 7.48% perforated corrugated board. Surface, second, and third linerboards were perforated by the hole diameter of 0.23 cm.
본 연구에서 천공의 개수를 조절하여 개구율을 변화시키고 관통하는 중간층의 개수를 변경하고, 구멍의 크기를 변화시킨 경우 공명이 발생하는 주파수는 천공의 개구율보다는 천공이 통과하는 중간층 개수에 따라서 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 골판지의 두께와 천공 수 그리고 구멍의 크기 등을 조절하면 원하는 주파수대역에서 높은 흡음율을 나타내는 능동제어형 고흡음성 흡음형 방음벽 제조가 가능할 것으로 사료되었다.
한편, 사무실이나 강의실 등에 주로 사용되는 천정용 석고보드는 소음저감계수(noise reduction coefficient, NRC)가 0.30 전후의 수치를 나타내는데 본 연구에서 적용한 개구율 7.48%의 천공골판지의 경우에 0.35를 나타내어 석고보드보다 우수한 수치를 나타내었다. 본 연구에서 구한 소음저감계수는 직경 99 mm의 임피던스 튜브에서 250, 500, 1,000 Hz 및 2,000 Hz의 수치를 구하고, 이들로 계산을 해야 하지만, 1,600 Hz까지만 측정이 가능함으로 인해, 1,600 Hz에서의 수치를 외삽하여 2,000 Hz의 흡음율 수치를 구하고 4개 주파수의 흡음율 수치를 산술평균하여 구한 수치이다.
3.2 전달함수법에 의한 음향투과손실 측정
Figs. 14-16에서는 무천공 골판지와 천공골판지의 투과손실을 나타내고 있다. 골판지에서 골판지의 표면과 이면을 완전히 통과하는 천공을 하게 되면 천공 부분으로 음이 통과하여 차음성능이 극도로 저하하여 측정이 무의미하게 된다. 본 연구에서 사용한 골판지는 3단으로 구성되어 천공을 하지 않은 경우와 표층만 천공한 경우, 두 번째 내부 라이너지까지 천공한 경우의 투과손실을 측정한 결과를 나타내고 있다.
Fig. 15.
Sound transmission loss curves (3 replications) for surface linerboard perforated corrugated board (7.48% open area).
Fig. 16.
Sound transmission loss curves (3 replications) for surface and the second linerboard perforated corrugated board (7.48% open area).
본 연구에 사용한 골판지는 비중이 낮고 두께가 얇아 투과손실은 전반적으로 적은 수치를 나타내었다. 주파수에 따라서는 주파수가 증가할수록 손실이 커지는 경향을 나타내었다. 골판지의 투과손실은 1,000 Hz 이하에서는 10 dB 정도의 수치를 나타내어 차음 효과를 기대하기 어려웠다. 1,000 Hz 이상의 주파수영역에서는 약간 수치가 증가하여 20-30 dB 정도의 수치를 나타내었다. 직경 0.23 cm의 천공이 적용되면 투과손실이 다소 감소하였다. 1,000 Hz 이하에서는 10 dB 정도의 수치를 나타내고 1,000 Hz 이후부터 투과손실이 증가하였으나 20 dB 정도의 수치를 나타내어 전반적으로 낮은 수치를 나타내었다. 음향투과손실의 평균치는 무천공골판지는 17.08 dB이었으며 7.48% 개구율의 표면 라이너지 천공 골판지 음향 투과 손실은 11.84 dB이었고, 두 개 라이너지의 천공은 7.55 dB이었다.
4. 결 론
무천공과 천공한 골판지의 흡음성능과 음향투과손실을 전달함수법으로 측정, 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 골판지에 조성한 천공이 골심지에 의해 형성한 공간에서 공명기로 작용하여 특정주파수영역에서 흡음율이 증가했다.
2) 음향투과손실은 측정주파수범위에서 무천공은 10-25 dB의 투과손실을 나타내었으며 천공에 의해 투과손실이 감소하였다.
3) 천공 골판지는 공명흡음이 일어나는 주파수를 조절가능하며 흡음성능이 우수하여 흡음재로의 적용이 가능할 것으로 사료되었다.
앞으로 골판지에 대한 연구가 진행됨에 따라 골판지 천공의 직경, 층간 거리, 그리고 라이너지의 두께 등의 변수를 조절함으로 능동적으로 소음을 제어하는 골판지의 능동제어 흡음체로서의 가능성이 높아질 것으로 기대되었다.
