KR100672017B1 - 철도차량 소음 예측방법 - Google Patents

철도차량 소음 예측방법 Download PDF

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KR100672017B1
KR100672017B1 KR1020050108487A KR20050108487A KR100672017B1 KR 100672017 B1 KR100672017 B1 KR 100672017B1 KR 1020050108487 A KR1020050108487 A KR 1020050108487A KR 20050108487 A KR20050108487 A KR 20050108487A KR 100672017 B1 KR100672017 B1 KR 100672017B1
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조준호
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 철도차량으로부터 발생하는 소음과, 이 철도차량 소음에 영향을 주는 소음영향성분을 고려하여 임의의 지점을 운행하는 철도차량에서 발생하게 되는 소음을 정밀하게 예측할 수 있도록 함은 물론 철도차량의 예측소음을 이용하여 철도차량의 소음에 대한 환경영향평가를 정확하게 수행할 수 있는 철도차량 소음 예측방법에 관한 것으로서, 철도차량에 의해 발생하는 소음의 크기를 예측하는 철도차량 소음 예측방법에 있어서, 철도차량에서 방사되는 소음을 측정하여 동력소음과 전동소음으로 분리하는 소음원 분리단계; 상기 분리된 동력소음과 전동소음으로부터 각각 단위 동력소음과 단위 전동소음을 연산하는 연산식을 도출하는 단위소음 연산식 도출단계; 수음점에서 취득되는 철도차량 소음의 크기에 영향을 주는 각 소음영향성분에 대한 소음영향치를 근거로 소음영향치 연산식을 도출하는 소음영향치 연산식 도출단계; 및 상기 단위소음 연산식 및 소음영향치 연산식을 근거로 해당 지역을 통과하는 철도차량에 대한 소음을 예측 연산하는 예측소음 연산단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
철도차량, 소음, 소음예측, 예측식, 환경소음

Description

철도차량 소음 예측방법{Method for predicting railway-vehicles noise}
도 1은 본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법에 적용되는 소음 예측식을 도출해내는 과정을 나타낸 플로우 차트.
도 2는 본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법에 대한 플로우 차트.
본 발명은 철도차량 소음 예측방법에 관한 것으로, 철도차량으로부터 발생하는 소음의 크기를 정밀하게 예측할 수 있도록 함은 물론 철도차량의 예측소음을 이용하여 임의의 지점을 운행하는 철도차량의 소음에 대한 환경영향평가를 정확하게 수행할 수 있도록 해 주는 철도차량 소음 예측방법에 관한 것이다.
철도차량이 주행할 때 발생하게 되는 소음의 크기를 예측하는 것은 철도차량 소음에 의한 환경영향을 평가하는데에 있어서 매우 중요한데, 종래의 철도차량 소음 예측방법에 적용되는 철도차량 소음 예측식은 열차의 편성특성, 선로조건 등을 고려하지 않고 임의의 기준거리에서 철도차량의 속도와 거리의 함수만으로 표현되기 때문에 소음 측정에 대한 정확성의 한계를 가지고 있다.
종래에 일반적으로 사용되어지던 소음 예측식은 하기의 [수학식 1]과 같이 표현된다.
Figure 112005065278210-pat00001
(여기에서, v : 열차의 속도)
상기한 [수학식 1]은 최고속도가 120Km/h를 나타내는 소위 무궁화 열차에 적 용되는 식으로서, 철도차량이 용접된 장대레일 구간을 56-126Km/h의 속도로 주행할 때 선로 중앙으로부터 7.5m 떨어진 수음점에서 측정한 소음도와 속도와의 관계를 나타내고 있다.
그런데, 상기한 종래의 [수학식 1]을 이용하여 철도차량에 대한 소음도를 예측하는 것은 하나의 열차에 연결되는 동력차와 객차의 개수에 따라 소음도가 달라지게 되는 점을 간과하였으므로 소음 예측에 대한 정확성이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 철도차량 소음 예측방법은 철도차량에 의한 소음이 열차편성에 따라 해당 지역을 통과하게 되는 철도차량의 총 량수에 비례하여 증가하게 되는 점을 고려하지 않음으로써 정확성이 매우 떨어지게 된다.
한편, 국내 철도소음에 대한 기준은 등가소음도(1시간 동안의 총 소음도)로 평가되는데, 등가소음도에 대한 예측식은 하기의 [수학식 2]와 같이 표현된다.
Figure 112005065278210-pat00002
(여기에서, Leq : 등가소음도(dBA), Lmax : 통과열차의 최고 소음도 평균치(dBA), n : 관련시간대의 통과 열차 수, Te : 1개 열차당 최고 소음도 지속기간(sec), T : 관련시간대의 시간(sec), γa : 기준거리에 대한 예측거리의 비)
상기한 [수학식 1]과 [수학식 2]에서 알 수 있는 것처럼 종래의 소음 예측식 은 열차의 편성조건이나 레일의 특성이 고려되지 않고 오직 속도만의 함수로 최고 소음도를 얻으며, 이렇게 얻어진 최고 소음도에 통과 열차 수 및 기준거리에 대한 예측거리만을 고려하여 등가소음도를 산출할 수 있도록 되어 있다.
따라서, 상술한 종래의 철도차량 소음 예측식은 선로특성이나 열차편성 정보 등을 고려하지 않고 단순한 측정데이터의 곡선적합식에 의해 최고 소음도 및 등가소음도를 산출하도록 되어 있기 때문에 그 정확성 및 예측기술의 한계를 가지고 있었다.
한편, 본 출원인은 전술한 바와 같은 종래의 철도차량 소음 예측방법보다 더 정확하게 철도차량에 의한 소음도를 예측할 수 있는 철도차량 소음 예측방법을 제안한 바 있다(특허출원 제 04-98792호).
그런데, 본 출원인에 의하여 제안된 철도차량 소음 예측방법은 철도차량에 의한 소음도에 영향을 끼치는 보정성분으로서 공기흡음, 운전조건, 분기기 등을 고려하였으나, 이 보정성분들이 철도차량의 소음도에 끼치는 영향이 적어서 어느 정도의 영향을 주는 것인지를 규명하는 데에 어려움이 있었다.
따라서, 전술한 바와 같은 종래의 철도차량 소음 예측방법은 철도차량의 소음에 의한 환경영향을 평가함에 있어서 그 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 철도차량으로부터 발생하는 소음과 이 철도차량 소음에 영향을 주는 소음영향성분을 고려하여 임의의 지점을 운행하는 철도차량에서 발생하게 되는 소음을 정밀하게 예측할 수 있도록 함은 물론 철도차량의 예측소음을 이 용하여 철도차량의 소음에 대한 환경영향평가를 정확하게 수행할 수 있도록 해 주는 철도차량 소음 예측방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법은, 철도차량에 의해 발생하는 소음의 크기를 예측하는 철도차량 소음 예측방법에 있어서, 철도차량에서 방사되는 소음을 측정하여 동력소음과 전동소음으로 분리하는 소음원 분리단계; 상기 분리된 동력소음과 전동소음으로부터 각각 단위 동력소음과 단위 전동소음을 연산하는 연산식을 도출하는 단위소음 연산식 도출단계; 수음점에서 취득되는 철도차량 소음의 크기에 영향을 주는 각 소음영향성분에 대한 소음영향치를 근거로 소음영향치 연산식을 도출하는 소음영향치 연산식 도출단계; 및 상기 단위소음 연산식 및 소음영향치 연산식을 근거로 해당 지역을 통과하는 철도차량에 대한 소음을 예측 연산하는 예측소음 연산단계;를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 단위소음 연산단계는, 서로 다른 거리의 수음점에서 측정된 각 측정값으로부터 각각 동력소음과 전동소음을 분리하는 수음점별 소음원 분리단계를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 단위소음 연산단계는, 서로 다른 속도를 갖는 철도차량에 대해서 측정된 각 측정값으로부터 각각 동력소음과 전동소음을 분리하는 속도별 소음원 분리단계를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 예측소음 연산단계는, 상기 연산된 단위 동력소음과 단위 전동소음을 근거로 1편성 열차의 전체소음을 연산하는 전체소음 연산단계;를 더 구비하여 이루 어지는 것을 특징으로 한다.
상기 예측소음 연산단계는, 일정시간 동안에 통과하게 될 모든 철도차량의 전체소음을 부가하여 등가소음도를 연산하는 등가소음도 연산단계;를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
철도차량에 대한 소음영향성분은 레일 이음매 성분과 풍속 성분, 수음점 방향 성분인 것을 특징으로 한다.
상기 레일 이음매 성분에 의한 소음영향 보정값은 1.4 내지 1.8 dBA 인 것을 특징으로 한다.
상기 풍속 성분에 의한 소음영향 보정값은 순행조건의 경우 레일로부터 수음점까지의 거리 10m 당 0.48dBA 값을 가지고, 역행조건의 경우 레일로부터 수음점까지의 거리 10m 당 -0.48dBA 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 수음점 방향 성분에 의한 소음영향 보정값은 레일과 수음점이 이루는 각도가 0°~12°사이인 경우 0.4~0.6dBA 값을 갖고, 12°~43°인 경우 1.4~1.8dBA 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 단위소음 연산단계에서 이용되는 단위 동력소음 연산식은 Ax+B의 1차식을 가지되, 기존선로를 통과하는 고속전철의 경우, A는 0.05 내지 0.08 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 70 내지 77 인 값을 갖고, 전후 동력형 디젤기관차 견인 열차의 경우, A는 0.1 내지 0.2 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 55 내지 61 인 값을 갖고, 디젤전기기관차 견인 열차의 경우, A는 0.07 내지 0.1 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 75 내지 80 인 값을 갖는 것 을 특징으로 한다.
상기 단위 소음 연산단계에서 이용되는 단위 전동소음 연산식은 Ax+B의 1차식을 갖되, 기존선로를 통과하는 고속전철의 경우, A는 -0.1 내지 -0.06 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 80 내지 100 인 값을 갖고, 전후 동력형 디젤기관차 견인 열차의 경우, A는 -0.08 내지 -0.06 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 80 내지 90 인 값을 갖고, 디젤전기기관차 견인 열차의 경우, A는 0.08 내지 0.1 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 60 내지 70 인 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법에 적용되는 소음 예측식을 완성해 나가는 과정을 나타낸 플로우 차트이고, 도 2는 도 1에서 완성된 소음 예측식을 이용하여 임의의 지점을 운행하는 철도차량 소음에 대한 환경영향평가를 실시하는 과정을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법은, 철도차량으로 방사되는 소음을 여러 지역에서 실제로 측정하여 취득한 많은 양의 데이터를 근거로 소위 소음 예측식을 결정하게 되고, 상기 소음 예측식에 근거하여 임의의 지점을 운행하게 될 철도차량으로부터 발생하게 되는 소음을 예측하여 환경영향평가에 이용하게 된다.
우선 도 1을 참조하여 철도차량으로부터 방사되는 소음을 실제로 측정하여 소음 예측식을 도출해내는 과정과 그 소음 예측식에 대해서 설명한다.
본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법에 적용되는 소음 예측식은, 우선 철도차량으로부터 방사되는 소음을 실제로 측정하기 위한 임의의 지점을 선택하게 된다(S10).
이어서, 레일위를 지나가는 철도차량으로부터 방사되는 소음을 실제로 측정(S12)하게 되는데, 철도차량 소음을 측정하는 수음점은 기준 위치(레일로부터 25m 지점)에서 철도차량 소음을 측정하고, 또한 수음점의 위치를 변경하면서 측정하게 된다. 또한 수음점의 위치는 동일하게 하면서 다양한 속도로 운행하는 철도차량으로부터 방사되는 소음을 측정하게 된다.
이어서, 상기 단계(S12)에서 실측된 철도차량의 소음으로부터 동력소음과 전동소음으로 분리하게 된다(S14). 여기서, 철도차량의 소음으로부터 동력소음과 전동소음으로 분리하기 위한 방법은 철도차량 소음 해석에서 일반적으로 사용되는 연산식을 이용하게 된다.
즉, 일반적으로 철도차량에서 방사되는 소음은 소음원의 종류에 따라 코사인음원 특성을 갖는 동력소음은 하기의 [수학식 3]으로 표현되고, 쌍극자음원 특성을 갖는 전동소음은 하기의 [수학식 4]로 표현되게 된다.
Figure 112005065278210-pat00003
Figure 112005065278210-pat00004
여기에서, W는 각 음원에 대한 음향파워이고, p는 각 음원에 대한 수음점에서의 음압을 나타내며, 아래첨자에 의해서 각각 코사인음원과 쌍극자음원으로 구분된다.
본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법에 적용되는 소음 예측식은 철도차량의 동력소음과 전동소음이 상기한 바와 같은 [수학식 3]과 [수학식 4]로 정의되는 것으로부터 출발하여 완성되게 된다.
이어서, 상기 단계(S14)에서 분리된 동력소음과 전동소음으로부터 각각 단위 동력소음과 단위 전동소음을 연산하는 연산식을 도출하게 된다(S16). 여기서, 단위 동력소음과 단위 전동소음에 대한 연산식 도출은 많은 양의 철도차량 소음 데이터를 근거로 일반화된 수학식을 유도해냄으로써 가능하게 된다.
이어서, 상기 단계(S16)에서 연산된 단위 동력소음과 단위 전동소음을 이용하여 1편성 열차에서 방사되는 전체소음을 연산하게 된다(S18). 여기서, 1편성 열차 전체소음은 동력차의 개수에 따른 총 동력소음과 객차의 개수에 따른 총 전동소음으로 부가 연산하여 가능하게 된다.
이어서, 상기 단계(S18)에서 연산된 1편성 열차 전체소음을 근거로 일정시간(예컨대, 1시간) 동안에 통과하는 모든 철도차량의 소음을 연산하는 등가소음도를 연산하게 된다(S20). 여기서, 철도차량 등가소음도는 일정시간 동안에 운행된 철도차량으로부터 방사되는 소음을 부가 연산하여 가능하게 된다.
상기한 등가소음도(Leq,1H)는 하기의 [수학식 5]와 같다.
Figure 112005065278210-pat00005
Figure 112005065278210-pat00006
(여기에서, SELE : 동력소음, SELR : 전동소음, n : 1시간 동안 통과한 철도차량의 총 량수, Cw : 풍속에 의한 보정성분(correction factor for wind effect), Cd : 방향 특성에 의한 보정성분(directivity factor))
전술한 바와 같은 과정으로 실제로 측정된 철도차량 소음으로부터 단위 동력소음과 단위 전동소음을 연산하는 연산식을 완성한 이후 이 완성된 단위소음 연산식을 근거로 철도차량 등가소음도를 연산하게 된다.
상기한 [수학식 5]에서 동력소음(SELE)과 전동소음(SELR)은 각각 하기의 [수학식 6]과 [수학식 7]로 구할 수 있다.
Figure 112005065278210-pat00007
(여기에서, SELe ,d : 관심위치에서의 단위 동력소음, ne : 동력차의 량수)
Figure 112005065278210-pat00008
(여기에서, SELr , d : 관심위치에서의 단위 전동소음, nt : 전체 철도차량의 객차 량수, Cc : 레일용접 효과에 따른 보정성분(effect of rail connection))
따라서, 전술한 바와 같은 동력소음 연산식과 전동소음 연산식에 의해 1편성 열차가 통과할 때의 총합소음은 하기의 [수학식 8]로 구할 수 있게 된다.
Figure 112005065278210-pat00009
상기한 바와 같은 철도차량의 속도에 따른 차종별 단위 소음성분 SEL은 기준점(소음원과 수음점까지의 거리가 25m 되는 위치)에서 하기의 [표 1]과 같이 정리된다.
구분 단위 동력소음 SEL e' (dBA) 단위 전동소음 SEL r' (dBA)
KTX
Figure 112005065278210-pat00010
Figure 112005065278210-pat00011
새마을 열차
Figure 112005065278210-pat00012
Figure 112005065278210-pat00013
무궁화 열차
Figure 112005065278210-pat00014
Figure 112005065278210-pat00015
(V : 철도차량의 속도)
상기한 [표 1]에 나타낸 바와 같이 철도차량의 종류에 따라 각 단위 동력소음과 단위 전동소음이 달라짐은 물론 철도차량의 속도에 따라서도 각 단위 동력소음과 단위 전동소음이 달라지는 것을 알 수 있다.
즉, 기존선로를 통과하는 고속전철(소위 KTX)과 전후 동력형 디젤기관차 견인 열차(소위 새마을 열차), 그리고 디젤전기기관차 견인 열차(소위 무궁화 열차)에 의해서 발생하게 되는 소음도는 철도차량의 차종과 속도에 따라서 매우 상이한 소음특성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 특히 상기 [표 1]에서 KTX 열차의 단위 동력소음과 전동소음은 KTX 열차가 전용선로가 아닌 기존 선로를 운행할 때의 소음도를 나타내는 것으로서 이하에서도 동일하게 적용된다.
상기한 바와 같이 단위 동력소음과 단위 전동소음은 1차식의 형태를 갖는데, 각 차종별 특성이나 동일한 차종이라 하더라도 해당 철도차량의 상태에 따라서 발생되는 소음의 크기는 서로 다르게 나타나게 되므로 상기 연산식에서 기울기와 y절편은 어느 정도의 오차를 인정할 수 있다.
따라서, 본 발명에 적용되는 단위 동력소음에 대한 연산식은 Ax+B의 1차식을 가지되, 기존선로를 통과하는 고속전철의 경우, A는 0.05 내지 0.08 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 70 내지 77 인 값을 갖고, 전후 동력형 디젤기관차 견인 열차의 경우, A는 0.1 내지 0.2 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 55 내지 61 인 값을 갖고, 디젤전기기관차 견인 열차의 경우, A는 0.07 내지 0.1 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 75 내지 80 인 값을 갖는 것으로 정리를 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 적용되는 단위 전동소음 연산식은 Ax+B의 1차식을 갖되, 기존선로를 통과하는 고속전철의 경우, A는 -0.1 내지 -0.06인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 80 내지 100 인 값을 갖고, 전후 동력형 디젤기관차 견인 열차의 경우, A는 -0.08 내지 -0.06 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 80 내지 90 인 값을 갖고, 디젤전기기관차 견인 열차의 경우, A는 0.08 내지 0.1 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 60 내지 70 인 값을 갖는 것으로 정리되는 것이 바람직하다.
한편, 전술한 바와 같은 철도차량의 단위 동력소음과 단위 전동소음으로부터 철도차량에 의한 소음도를 알아보고자 하는 관심위치에서의 단위 동력소음(SELe ,d)과 단위 전동소음(SELr ,d)을 연산할 수 있는데, 이에 대한 소음 예측식은 하기의 [표 2]와 같이 정리된다.
관심위치에서의 차종별 단위 소음성분 SEL(위치 d[m])
구분 단위 동력소음 SEL e ,d (bBA) 단위 전동소음 SEL r ,d (dBA)
KTX
Figure 112005065278210-pat00016
Figure 112005065278210-pat00017
새마을 열차
Figure 112005065278210-pat00018
Figure 112005065278210-pat00019
무궁화 열자
Figure 112005065278210-pat00020
Figure 112005065278210-pat00021
(d : 위치)
상기한 [표 2]에서 알 수 있는 바와 같이, 철도차량의 차종과 서로 다른 관심위치에서 각각 상이한 소음도를 나타내고 있음을 알 수 있다.
하기의 [그래프 1] 내지 [그래프 4]는 일예로서 소위 새마을 열차에 대한 관심위치에서의 소음도를 실측한 결과를 나타낸 것으로서, 동일한 구간(전의-전동구간)에서 수음점을 서로 다르게 위치하여 가면서 철도차량에 의한 소음도를 측정한 것이다. 다른 차종의 철도차량에 대해서도 동일한 방법으로 실측 가능하다.
Figure 112005065278210-pat00022
[그래프 1] 전의-전동구간(수음점 : 15m)
Figure 112005065278210-pat00023
[그래프 2] 전의-전동구간(수음점 : 25m)
Figure 112005065278210-pat00024
[그래프 3] 전의-전동구간(수음점 : 50m)
Figure 112005065278210-pat00025
[그래프 4] 전의-전동구간(수음점 : 100m)
새마을 열차는 전후 동력방식의 분산형 디젤동력방식의 열차로 국내에서는 주로 8량 및 16량 1편성으로 운행되고 있다. 16량 1편성의 경우는 총 4대의 동력차(엄밀한 의미로는 동력객차)가 편성되어 있다.
새마을 열차는 편성 량수가 KTX의 20량보다 적은 16량과 8량으로 유리하지만 그 발생소음이 약간 큰 것을 알 수 있다. 또한 무궁화 열차와 같이 동력이 집중된 방식이 아니고 분산된 방식으로 전체 소음에너지는 일정할지라도 최고소음도는 낮아서 주위 환경에 끼치는 영향은 상대적으로 적음을 알 수 있다.
상기한 [그래프 4]에서 알 수 있는 바와 같이 100m 정도에 이르면 대부분 암소음과 큰 차이가 나지 않을 정도로 많이 감쇠하는 것을 알 수 있다.
또한 열차의 소음에 대한 성분분석을 수행한 결과를 이용하여 기준위치인 25m 위치에서 속도별 실험식을 얻었으며 그 결과를 하기의 [그래프 5]와 [그래프 6]에 각각 나타내었다. 전동소음의 소음폭로레벨이 당해 속도구간인 110 - 120km/h 의 범위에서 속도에 비례하지 않고 비록 작은 기울기를 가지지만 반비례하는 결과를 나타내고 있다. 그러나 실제 총합소음의 속도에 따른 영향은 양의 기울기를 가짐을 알 수 있으며 이는 하기의 [그래프 7]에 나타낸 바와 같이 총합소음에 대한 속도관계에서 확인할 수 있다.
Figure 112005065278210-pat00026
[그래프 5] 새마을 단위 동력소음과 속도관계
Figure 112005065278210-pat00027
[그래프 6] 새마을 열차 단위 전동소음과 속도관계
Figure 112005065278210-pat00028
[그래프 7] 새마을 열차 소음과 속도와의 관계
이제 여기에 새마을 열차가 통과할 때 단위 동력소음과 단위 전동소음이 거리에 따라 감쇠하는 정도를 알기 위해 측정 데이터 및 분석데이터를 이용하여 실험식을 구성하였다. 하기의 [그래프 8]과 [그래프 9]에 그 결과를 나타내었다. 이들 그림에서 알 수 있는 것은 거리가 두배로 될 때에 단위 동력소음 및 단위 전동소음의 소음폭로레벨은 각각 2.84 dBA, 5.39 dBA 소음이 감쇠되는 것을 알 수 있다.
Figure 112005065278210-pat00029
[그래프 8] 새마을 열차 단위 동력소음 SEL의 거리 감쇠 특성
Figure 112005065278210-pat00030
[그래프 9] 새마을 열차 단위 전동소음 SEL의 거리감쇠 특성
이하에서는 철도차량에서 발생하는 소음에 영향을 주는 소음영향성분에 대해서 설명한다.
본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법에 이용되는 소음영향성분에는 레일의 이음매 효과와 기상 효과 그리고 지향 특성 효과 등을 예시할 수 있다.
1. 이음매 특성
차륜과 레일의 접촉에 의해 발생되는 전동소음은 분기기나 용접 부위의 레일 이음매에서 두드러지게 발생하게 된다.
다음의 [그래프 10]은 이음매가 양호한 구간에서의 소음도를 나타낸 것이고, [그래프 11]은 이음매가 불량한 구간에서의 소음도를 나타낸 것이다. 하기의 그림에서 총합소음은 공통으로 본 발명에 따른 소음 예측식에 의하여 연산된 소음도를 나타낸다.
Figure 112005065278210-pat00031
[그래프 10] 이음매 양호구간 소음도(김제-감곡구간, KTX 열차)
Figure 112005065278210-pat00032
[그래프 11] 이음매 불량구간 소음도(대구-지천 구간, KTX 열차)
상기한 [그래프 10]과 [그래프 11]에서 알 수 있듯이 철도차량이 이음매가 양호한 구간을 통과할 때보다 그렇지 않은 구간을 통과할 때 소음도가 현저하게 높아지게 되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 이음매의 특성에 따라 전동소음 및 그에 따른 전체 소음도의 증가분을 방사모델에 적용하여 분석한 결과, 수음점 위치별로 미세하게 다른 증가분을 나타내었으나 평균적인 전동소음에 대한 보정치는 1.6dBA인 것을 알 수 있었다. 따라서 본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법에 있어서는 [수학식5]에 상기한 평균치를 부가 연산하여 철도차량의 소음을 정밀하게 예측 연산할 수 있게 된다.
아래의 [표 3]은 수음점 위치별 이음매에 의한 단위 전동소음의 증가분을 나타낸다.
수음점 위치(m) 단위 전동소음(dBA)
12.5 1.3
15 1.9
25 1.6
50 1.6
75 1.3
100 1.8
평균 1.6
2. 기상 효과
하기의 [표 4]는 순방향 풍속이 작용하는 수음점에서 측정되는 소음도와 풍속이 고려되지 않은 수음점에서 측정되는 소음도를 대비하여 나타낸 것이다.
풍속에 의한 철도소음도
구분 바람 영향구간 소음 SEL(dBA) 바람 영향없는구간 소음 SEL(dBA)
측정위치 25m 95.3 93.3
측정위치 50m 92.2 88.8
측정위치 100m 89.0 83.5
측정위치 25m - 측정위치 50m 3.1 4.5
측정위치 50m - 측정위치 100m 3.2 5.3
측정위치 25m - 측정위치 100m 6.3 9.8
상기한 [표 4]에서 알 수 있는 바와 같이 소음전파를 보강하는 순행조건의 경우 총 75m 전파거리(측정위치 25m에서부터 100m까지의 거리)에서 바람없는 경우에 비해 소음도가 3.6dBA(바람 영향없는 구간 소음 SEL과 바람 영향구간 소음 SEL의 차이값) 높게 나타나는 것을 알 수 있고, 철도차량에 의한 소음도가 거리에 따라 매우 균일하게 작아지고 있다는 것을 알 수 있다. 이는 철도차량에 의한 소음도를 예측할 때 순행방향의 풍속이 존재하는 경우에 바람없는 조건에서의 소음도에 비해 +0.48 dBA/10m에 해당하는 보정치를 부가 연산하여 주는 것이 바람직하다는 것을 보여주는 것이고, 반대로 역행방향의 풍속이 존재하는 경우(Unfavorable condition)에는 -0.48 dBA/10m에 해당하는 보정치를 부가 연산하여 주는 것이 바람직하다는 것을 보여주는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법에서는 상기 [수학식 5]에 순행방향 또는 역행방향의 풍속에 맞도록 풍속에 의한 보정치를 부가 연산하게 된다.
3. 지향성분 효과
열차가 통과하며 발생하는 소음은 이상적인 점음원처럼 수직단면에서 원형으로 동일한 파워로 방사하는 것이 아니므로 레일답면으로부터 수음점의 높이에 따라 소음도가 다르게 된다. 그리하여 레일답면과 수음점이 이루는 지향각에 따른 철도차량의 소음도를 측정 분석하였고 그 지향각에 따른 보정값을 아래의 [표 5]에 나타내었다.
지향각(°) 보정값(dBA)
0.0 0.0
4.1 0.2
8.1 0.4
12.1 1.0
15.9 1.4
19.7 1.3
23.2 1.5
26.6 1.6
29.7 1.6
32.7 1.5
35.5 1.4
38.2 1.4
20.6 1.3
42.9 1.2
상기한 [표 5]에서 알 수 있는 바와 같이 레일기준으로 낮은 각도로 보이는 수음점의 보정값이 0.5dBA 수준이지만 12°~43°의 각도에 위치한 수음점의 경우는 30°근처에서 최대 1.6dBA를 보이고 대체로 다른 각도에서는 1.0dBA 이상의 보정을 해야 함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법에서는 상기한 지향성분 효과에 따른 보정값을 상기 [수학식 5]에 부가 연산하여 더욱 정밀한 철도차량의 소음도를 예측 연산할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 철도차량 소음 예측방법은 지표 효과와 방음벽 효과에 의한 보정치를 상기 [수학식 5]에 부가 연산하여 철도차량의 소음도를 예측 연산할 수 있다.
상기한 지표 효과에 의한 보정치는 영국에서 제안된 하기의 [수학식 9]에 의하여 보정치를 산출할 수 있다.
Figure 112005065278210-pat00033
: 1.0 < H < 6.0m
Figure 112005065278210-pat00034
: H ≤ 1.0m
Figure 112005065278210-pat00035
: H ≥ 6.0m
여기에서, H 는 지표면으로부터 수음점까지의 높이이고, I 는 반사성 지표비 율(즉, 대상지역 반사성 지표면적 / 전체면적)이며, d 는 관심위치(즉, 레일로부터 수음점까지의 거리)를 나타낸다.
상기한 방음벽 효과에 의한 보정치는 방음벽이나 건물 등 음원이 차폐되는 것에 의한 소음의 감쇠량을 고려하는 것으로서, 영국에서 제안된 하기의 [수학식 10] 내지 [수학식 12]에 의하여 산출할 수 있다.
음원이 보이는 경우
Figure 112005065278210-pat00036
: δ ≤ -0.5m
Figure 112005065278210-pat00037
: -0.5 ≤ δ ≤ 0m
음원이 반사성 방음벽에 가려지는 경우
Figure 112005065278210-pat00038
: δ ≥ 2.5m
Figure 112005065278210-pat00039
: 0 ≤ δ ≤ 2.5m
음원이 흡음성 방음벽에 가려지는 경우
Figure 112005065278210-pat00040
: δ ≥ 2.5m
Figure 112005065278210-pat00041
: 0 ≤ δ ≤ 2.5m
상기한 [수학식 10] 내지 [수학식 12]에서 δ는 하기의 [그래프 12]에 나타낸 바와 같은 경로차를 나타낸다.
Figure 112005065278210-pat00042
[그래프 12] 회절에 따른 감쇠량의 계산 도표
이어서, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 철도차량에 대한 소음도를 예측할 수 있는 연산식을 도출한 이후 임의의 지점을 운행하는 철도차량 소음에 대한 환경영향평가를 실시하는 과정에 대해서 설명한다.
우선, 철도차량에 의한 소음도를 예측하고자 하는 예측지점을 선택하여(S30), 해당 지역을 통과하게 되는 철도차량에 대한 정보를 취득하게 된다(S32). 상기 철도차량에 대한 정보는 몇 량을 갖는 열차인지 또는 차종이 무엇인지 또는 단위시간 동안에 몇 대의 열차가 통과하는지 등의 열차 편성 정보나 차량의 노후 정도에 관한 정보를 의미한다.
이어서, 전술한 바와 같이 연산되는 단위 동력소음과 단위 전동소음을 근거 로 각 1편성 열차에 대한 전체소음을 연산하게 된다(S34). 이때 철도차량의 소음도는 거리에 따라 서로 다른 소음도를 나타내기 때문에 원하는 관심위치에서의 소음도를 연산하게 된다.
이어서, 상기한 등가소음도 연산식을 이용하여 단위시간 동안에 해당 지점을 통과하는 철도차량에 대한 등가소음도를 연산하게 된다(S36).
이어서, 상기 등가소음도를 근거로 철도차량에 의한 소음 영향 평가를 실시하게 된다(S38). 예컨대, 관심위치에서 철도차량에 의한 소음도가 어느 정도인지를 판단하고, 방음벽을 건설해야 하는지 또는 건설하지 않아도 되는지를 판단하거나 방음벽을 설치해야 된다면 어느 정도의 높이를 갖는 방음벽을 설치하여야 하는지 등을 평가하게 된다.
전술한 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 예로서, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 그 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 각 차종에 따른 단위 동력소음과 단위 전동소음을 근거로 철도차량에 대한 소음을 예측 연산할 수 있도록 함으로써 매우 정밀한 소음 예측식을 도출할 수 있게 되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 철도차량에 대한 소음도를 근거로 관심위치에서 철도차량의 소음이 주위 환경에 어느 정도 영향을 끼치는 지를 매우 정밀하게 예측 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 철도차량에 의해 발생하는 소음의 크기를 예측하는 철도차량 소음 예측방법에 있어서,
    철도차량에서 방사되는 소음을 측정하여 동력소음과 전동소음으로 분리하는 소음원 분리단계;
    상기 분리된 동력소음과 전동소음으로부터 각각 단위 동력소음과 단위 전동소음을 연산하는 연산식을 도출하는 단위소음 연산식 도출단계;
    수음점에서 취득되는 철도차량 소음의 크기에 영향을 주는 각 소음영향성분에 대한 소음영향치를 근거로 소음영향치 연산식을 도출하는 소음영향치 연산식 도출단계; 및
    상기 단위소음 연산식 및 소음영향치 연산식을 근거로 해당 지역을 통과하는 철도차량에 대한 소음을 예측 연산하는 예측소음 연산단계;를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단위소음 연산단계는, 서로 다른 거리의 수음점에서 측정된 각 측정값으로부터 각각 동력소음과 전동소음을 분리하는 수음점별 소음원 분리단계를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단위소음 연산단계는, 서로 다른 속도를 갖는 철도차량에 대해서 측정된 각 측정값으로부터 각각 동력소음과 전동소음을 분리하는 속도별 소음원 분리단계를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예측소음 연산단계는,
    상기 연산된 단위 동력소음과 단위 전동소음을 근거로 1편성 철도차량의 전체소음을 연산하는 전체소음 연산단계;를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예측소음 연산단계는, 일정시간 동안에 통과하게 될 모든 철도차량의 전체소음을 부가하여 등가소음도를 연산하는 등가소음도 연산단계;를 더 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    철도차량에 대한 소음영향성분은 레일 이음매 성분과 풍속 성분, 수음점 방향 성분인 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 레일 이음매 성분에 의한 소음영향 보정값은 1.4 내지 1.8 dBA 인 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 풍속 성분에 의한 소음영향 보정값은 순행조건의 경우 레일로부터 수음점까지의 거리 10m 당 0.48dBA 값을 가지고, 역행조건의 경우 레일로부터 수음점까지의 거리 10m 당 -0.48dBA 값을 가지는 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 수음점 방향 성분에 의한 소음영향 보정값은 레일과 수음점이 이루는 각도가 0°~12°사이인 경우 0.4~0.6dBA 값을 갖고, 12°~43°인 경우 1.4~1.8dBA 값을 갖는 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
  10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위소음 연산단계에서 이용되는 단위 동력소음 연산식은 Ax+B의 1차식을 가지되,
    기존선로를 통과하는 고속전철의 경우, A는 0.05 내지 0.08 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 70 내지 77 인 값을 갖고,
    전후 동력형 디젤기관차 견인 열차의 경우, A는 0.1 내지 0.2 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 55 내지 61 인 값을 갖고,
    디젤전기기관차가 견인 열차의 경우, A는 0.07 내지 0.1 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 75 내지 80 인 값을 갖는 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
  11. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 소음 연산단계에서 이용되는 단위 전동소음 연산식은 Ax+B의 1차식을 갖되,
    기존선로를 통과하는 고속전철의 경우, A는 -0.1 내지 -0.06 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 80 내지 100 인 값을 갖고,
    전후 동력형 디젤기관차 견인 열차의 경우, A는 -0.08 내지 -0.06 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 80 내지 90 인 값을 갖고,
    디젤전기기관차가 견인 열차의 경우, A는 0.08 내지 0.1 인 값을 갖고, x는 해당 열차의 속도이며, B는 60 내지 70 인 값을 갖는 것을 특징으로 하는 철도차량 소음 예측방법.
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