자동차정비소, 자동차학과, 자동차정비기사 등 자동차정비사업 요점정리 7. 리프트 관리 5

7. 리프트 관리 5

 

5. 소음 및 진동 방지관리

가. 소음의 방지

(1) 소리가 인체에 미치는 영향
가) 귀의 구조
귀는 바깥에서부터 크게 외이(Outer or external ear), 중이(Middle ear) 및 내이
(Inner ear)로 나누어진다. 외이는 귀 바퀴 이개(Pinna)와 외이도(External auditory
canal)로 구분된다. 중이는 외이도의 내측 끝을 이루고 있는 고막과 내이의 사이
에 존재하는 공간을 말하며 고막(Tympanic membrane; eardrum), 중이강 유양돌
기 및 이관으로 구분 된다. 내이 또는 미로는 청각에 관여하는 와우 평형에 관여되
는 반규관 및 두 구조물을 연결하면서 평형에 관여하는 전정 등 세 가지 구조물로
나눌 수 있다.

귀의 구조

나) 소리 크기와 인체 영향
데시벨(decibel, dB) 단위는 기준음의 세기와의 비를 대수 값으로 변환한 것이다.
이때 기준음의 세기는 1,000 Hz의 최소가청음인 10-12 W/m2을 사용한다. 인간의
귀는 0부터 120dB까지 상당히 다양한 범위의 소리를 들을 수 있으며 이는 아주 작
은 소음에서부터 통증을 느낄 정도의 소리까지 다양하다.

표 1-9. 각종 소리의 음압

소리의 크기와 인체영향

(2) 소음의 방지대책
공장소음방지의 최선의 방법은 기계설계 및 제작과정에서 대책을 강구하는 것이다.
그러나 많은 경우에 이 방법은 현실적으로 기대하기 힘들며 더욱이 경우에 따라서는 일
단 완성된 기계에 대해서 소음방지대책을 강구하는 것이 더욱 효과적이고 경제적일 수
도 있다. 예컨대 소음 감소를 위해서 7000마력인 보일러용 펌프의 효율을 1내지 2퍼센
트 감소시킨 경우에 이를 가동하기 위한 추가 년간 전력비용은 상당한 것이다. 이러한
경우에는 펌프를 일단 설치하고 소음방지 대책을 강구하는 것이 훨씬 경제적일 수 있다.
소음방지가 필요하다고 인정된 때에는 우선 소음이 주로 발생되는 기계와 이 소음이
전달되는 경로를 확인해야 한다. 다음 단계로서 소음방지대책을 강구한다. 기계소음은
기계의 진동하는 부품에 의해서 직접 대기 중으로 발산되기도 하고, 이 진동이 기계의
다른 부분을 진동시켜서 이차소음을 발생시키기도 한다. 더욱이 기계구조물의 고유 진
동수가 그 구조물에 가해지는 소음이나 진동 주파수와 일치할 때는 발생소음이 크게 증
폭될 수도 있다.
소음방지법으로서는 아래의 다섯 가지 기본방법을 들 수 있다.
① 흡음
② 차음
③ 진동차단
④ 진동댐핑
⑤ 소음기(silencer)
이 방법들은 각각 독립된 것으로서 효과적인 소음방지는 이들의 적당한 조합사용에
의해서 이루어질 수 있다.

가) 흡음
재료의 흡음률은 다음과 같이 정의된다.

일반적으로 부드럽고 다공성표면을 갖는 재료는 높은 흡음률을 갖는다. 흡음재료
로 천정과 벽을 처리한 경우에 음파가 이들 면에서 반사될 때마다 일정 비율의 소음
에너지가 흡수되어 궁극적으로 소멸된다. 흡음재료의 사용은 일차적으로 실내 소음
도를 낮추기 위한 것이지만, 소음방지대상 기계주위에 시멘트 벽 등을 사용하는 경
우에는 기계를 접한 차음 벽 안쪽을 흡음재료로 처리함으로써 차음하고자 하는 소
음도를 낮추어서 차음 벽의 차음효과를 상대적으로 높일 수 있다.

흡음재료에 의한 소음 흡수의 물리적 원리는 [그림 1-55]와 같다.

 

즉 흡음판에 입사하는 음향에너지(energy)의 일부가 흡음재료 내부에서의 점성
마찰(viscous friction)에 의해서 열로 손실되고 나머지가 다시 반사되는 것이다.
따라서 재료의 흡음률 α는 식에서 정의된 바와 같이 전체 입사되는 음향 에너지
에 대한 손실 에너지의 비로 정의된다. 이 흡음률은 같은 재료라 할지라도 주파수
에 따라 다르며 <표 1-10>은 흔히 쓰이는 건축 재료들의 흡음률을 주파수의 함수
로서 보여준다.

 

대표적인 건축재료의 흡음률

 

흡음재료에 의한 내부처리방법은 주로 작업장 내에서의 소음원과 주음정 사이의
거리와 작업장의 기하학적 구조에 달려있다. 작업장내의 소음은 크게 두 성분을 구
성된다. 하나는 소음원으로부터 직접 오는 소음이고 또 하나는 벽에 부딪쳐 반사되
어 오는 소음이다. 직접 오는 소음은 소음원으로부터의 거리가 2배 증가함에 따라
서 6dB감소한다. 일반적으로 소음원에 가까운 거리에서는 반사되는 소음에 비해서
직접 오는 소음이 압도한다.
반면에 소음원에서 충분히 먼 거리에서는 반사되는 소음이 압도하게 된다. 이에
대한 한 가지 예가 [그림1-56]에 나타나 있다.
이 그림은 일반적인 기하학적 구조를 가진 작업장 내에서 단일 소음원에 의한 소
음도를 소음원으로부터의 거리의 함수로 보여준다. 여기서 일반적인 기하학적 구조
라 함은 가장 긴 벽의 길이가 천장 높이의 5배 이내인 작업장을 말한다.

소음원으로부터의 거리에 대한 음압레벨 변화

이 그림의 곡선들에 붙여진 숫자들은 다음과 같이 정의되는 실내의 전체흡음력
을 나타낸다.

여기서,
Si = i번째 면의 면적
di = I번째 면의 흡음 계수
또한 이 그림의 점선은 직접음이 거리의 두배 증가에 따라서 6dB씩 감소함을 나
타낸다. 이 그림에서 소음원에 가까운 거리에서는 거리 증가에 따라서 전반적으로
음압이 감소하여서 직접음이 지배적임을 나타내는 반면에, 소음원으로부터 먼 위
치에서의 거리 증가에 관계없이 음압이 거의 일정하여서 반사음이 지배적임을 나
타낸다. 흡음재에 의한 벽면처리는 반사음감소를 목적으로 한 것이다. 따라서 작
업과 내부의 흡음처리는 일반적으로 소음원으로부터 먼 곳에서 주로 효과가 있음
을 의미한다. 벽면의 흡음처리에 의한 반사음 감소효과는 다음 식에 의해서 예측
할 수 있다.

 

여기서 A1과 A2는 각각 흡음처리 전과 후의 실내 전체흡음력으로서 흡음력 계산
식에 의해서 결정된다. 이 식은 실내 평균흡음계수가 0.3이하인 경우에 근사적으
로 적용될 수 있으며, 실제의 많은 경우가 이에 해당한다. [그림1-57]은 흡음처리
에 의한 반사음 감소효과를 그래프로서 나타낸 것이다.

유리섬유와 암면 같은 섬유성 재료들은 넓은 주파수범위에서 좋은 흡음특성을 갖
는 장점이 있으나, 부식과 훼손 등 내구성 면에서는 약한 단점이 있다. 이를 파괴
하기 위해서 이들 재료를 합성수지 필름(film)을 싸는 방법을 흔히 쓴다. 이 경우
에 고주파 소음의 흡음이 영향을 받는 경향이 있으나 저주파 흡음특성은 오히려 개
선될 수 있다.
훼손의 가능성이 심한 경우에는 유공판 (perforated panel)으로써 흡음재의 앞면
을 보호할 수 있다. 유공판의 재료로서는 철판, 알미늄판, 합판 등 여러 가지를 쓸
수 있다. 유공판의 일차적인 목적은 소음을 내부의 흡음재로 통과시키는 것이기 때
문에 재료의 종류에 따른 차이는 일반적으로 무시할 수 있다. 유공판의 소음투과특
성을 결정하는 요소는 개공율과 구멍의 크기 및 배치방법이다.
30% 정도의 개공율은 소음을 거의 완전히 통과시킨다. 동일한 개공율에 대해서는
몇 개의 큰 구멍을 주는 것 보다 많은 작은 구멍을 균일하게 분포시키는 것이 일반
적으로 더욱 효과적이다. 

 

흡음판은 벽이나 천정에 직접 부착시킬 수도 있으나 이 그림에서와 같이 백스페
이스(backspace)를 두고 설치하면 저주파 흡음특성을 흡음재 본래의 그것보다 증
가시킬 수 있다. 흡음판은 일종의 영구 시설물이기 때문에 그 형태의 선정과 설치
방법에 신중을 기해야 한다.
[그림 1-59]는 흡음판 설치의 다른 예로서 실내공간에 매다는 방법을 보여준다.
이 방법은 천정의 조명시설이나 크레인장치 등 때문에 흡음판을 직접 부착시킬 수
없는 경우에 대단히 유용하다.

나) 차음
기계소음 방지의 손쉬운 방법은 기계주위에 차음벽을 설치하여서 소음전파를 차
단하는 것이다. 차음벽의 차음효과는 투과율에 의해서 정해진다.
소음투과율은 다음과 같이 정의된다.

즉, 투과손실은 입사소음의 소음도(dB)와 투과소음의 소음도의 차이로서, 재료의
차음효과를 통상적인 데시벨의 개념으로써 나타낸다.
고체벽을 통한 음파의 투과는 입사음파에 의한 벽의 강제진동에 의해서 이루어
진다.

고체벽을 통한 소음투과

즉 입사음파에 의한 대기압력 변화에 의해서 벽이 진동하는 것이다. 일반적이 개
념으로서 무거운 벽은 입사음파에 의한 진동진폭이 작아서 높은 투과손실이 기대된 다. 또한 입사음파에 의해서 벽 한쪽에서 발생한 진동이 벽 내부를 통과해서 다른
면으로 전달되는 과정에서 진동에너지 일부가 손실된다. 이러한 에너지손실은 입사
음파의 주파수의 함수로 주어진다.
위에서 논술한 벽의 무게와 주파수의 영향은 재료의 투과손실을 결정하는 일차
적인 요소들이다. 벽의 다른 특성을 무시할 때 투과손실은 다음과 같이 주어진다.

여기서
W = 벽의 표면무게(lb/ft2)
f = 주파수(Hz)
벽의 무게를 두 배로 증가시키거나 주파수를 두 배로 증가시키면 투과손실은 각
각 6dB 증가 한다. 그러나 실제로는 무게증가에 의한 효과는 4내지 5dB정도이다.
● 강성과 댐핑
투과손실은 재료의 굽힘 강성과 내부 댐핑에 의해서도 영향을 받는다. 특히 저
주파소음의 투과손실은 주로 강성에 의해서 결정되어서 강성이 두 배로 증가되
면 투과손실은 6dB정도 증가한다. 또한 이 주파수 범위에서는 주파수의 옥타브
밴드가 증가함에 따라서 투과손실증가를 위해서는 재료의 강성을 가능한 한 높
여야 한다. 저주파소음에 대해서는 재료의 무게와 내부 댐핑은 중요하지 않다.
● 공진 현상
강성에 의해서 투과손실이 결정되는 저주파 성분보다 높은 주파수에 대해서는
차음벽의 공진현상에 의해서 투과손실에 변화가 생긴다. 차음벽은 일종의 판넬
이므로 판넬에 존재할 수 있는 고유 진동모드의 주파수에서 입사한 소음과 공진
한다. 차음벽이 공진하는 경우에는 공진주파수의 소음은 거의 그대로 투과한다.
특히 이러한 공진주파수는 차음벽의 구조에 따라서 다를 수 있기 때문에 차음벽
의 투과손실 특성은 대단히 복잡해진다. 차음벽의 소음투과 손실을 결정하는 요
소들에 대한 이제까지의 논술을 종합하면 다음과 같다.
① 차음벽 재료의 강성
저주파소음의 투과손실을 결정하는 요소이다. 강성을 두배 증가시키면 투과
손실은 6dB정도 증가한다.
② 차음벽의 무게

중간이상 주파수소음의 투과 손실을 결정한다. 이론에 의하면 무게를 두배 증
가시키면 투과손실은 6dB증가하나, 실제로는 4내지 5dB증가한다.
③ 내부댐핑
차음벽 내부에 발생하는 진동파의 진폭을 억제하며 고주파 성분에 더욱 효
과가 크다.
④ 공진현상
처음 판넬의 고유 진동수에서 발생한다. 대체로 100Hz이상 주파수에서 일어
나며, 공진 주파수의 소음성분은 거의 손실됨이 없이 투과한다. 차음벽의 공
진현상에는 본질에서 논술한 것 이외에도 파동의 합치(wave coincidence)현
상이 있는데, 실제로는 이 현상이 본 절에서 논술한 공진현상보다 더 중요할
수 있으나 개념이 복잡하기 때문에 여기서는 논술을 피한다. 이들 공진현상
에 의한 소음투과는 투과손실을 구하는 식에 의해서 결정되는 투과손실에 대
한 차음벽 무게의 효과를 제한하는 큰 요소이므로 차음벽 설계 시에 반드시
고려되어야 한다.
⑤ 소음의 주파수
소음의 주파수를 차음벽의 차음효과를 결정하는 또 하나의 요소이다. 일반적
으로 차음벽의 무게나 내부 댐핑에 의한 차음효과는 주파수가 증가함에 따라
서 증가한다. 그러나 공진현상의 효과는 일반적으로 고주파에서 더욱 크기 때
문에 고주파소음의 차단을 방해한다.
두 가지 이상의 재료를 사용한다면 투과손실계산은 좀 더 복잡해지지만 기본 원
리는 동일하다. 잘 설계된 밀폐식 차음벽은 60dB까지의 투과손실을 기대할 수 있
어서 특별히 문제가 되는 소음 발생기계에 개별적으로 설치할 수 있다. 많은 차음
밀폐실의 경우에 최저 공진주파수는 대상기계의 문제가 되는 주파수보다 낮다. 이
경우에 처음효과는 주로 재료의 무게에 의해서 결정되며 투과손실을 구하는 식의
사용으로서 충분하다. 그러나 작은 차음밀폐실의 경우에는 문제가 되는 주파수가
벽의 공진주파수 보다 낮을 수 있다. 따라서 차음밀폐실의 설계에는 적절한 주파
수 범위가 고려되어야 한다.
실제로는 차음 밀폐실에 의한 차음효과는 재료의 투과손실 특성 이외에도 여러
가지 요소들에 의해서 영향을 받는다. 진동, 댐핑, 구조물의 연결방법들이 그 예이
다. 또한 차음효과에 영향을 준다. 따라서 차음실 설계 시에 재료의 투과손실 데이
터의 이용은 위에서 논술한 제반 기타 요소들을 고려해서 적절히 선택되어야 한다.
작업장에 잇대어서 차음실(사무실 등)을 설치할 때 벽의 차음효과는 다음 식으 로 구할 수 있다.

여기서,
NR = 차음 효과(dB)
TL = 벽에 사용된 재료의 투과손실(dB)
Sw = 차음벽 면적
R = 차음실 내부의 실내상수

차음효과를 구하는 식은 특정기계를 밀폐식 차음벽으로 쌓는 경우에 그 효과를
예측하는 데도 이용될 수 있다. 이때 Sw는 차음벽의 전체면적을 나타낸다. 그러나
경우에 따라서는 완전 밀폐식 차음벽사용이 곤란할 수 있다. 실제로 발전기, 콤프
레서, 분쇄기 등과 같이 무인가동 되는 기계를 제외한 대부분의 산업기계들은 원
료의 운반과 작업원의 접근 필요성 등 때문에 완전 밀폐식 차음벽 사용이 불가능
하다. 이 경우에는 문제가 되는 기계와 소음방지가 필요한 지역 사이에 방음벽을
설치함으로써 10내지 20dB정도의 소음감소 효과를 기대할 수 있다. 방음벽은 특
히 넓은 옥외지역을 특정 소음원으로 부터 보호하고자 할 때 효과적으로 이용 된
다. 차음 재료의 투과손실특성에 의해서 차음효과가 결정되는 차음밀폐실과는 달
리, 부분 방음벽의 효과는 주로 모서리에서의 음파의 회절현상에 의해서 제한된
다. 충분한 무게(대체로 4lb/ft2이상)의 재료를 사용하는 한 재료의 투과손실은 회
절효과에 비해서 무시할 수 있다. 따라서 방음벽의 효과는 회절효과만을 고려해서
Fresnel수에 의거한 이론적 공식에 의해서 계산할 수 있다.

방음벽

이 식은 주위에 반사체가 없고, 또한 방음벽의 길이가 충분히 길어서 방음벽 위
에서만 회절이 일어나는 이상적인 경우에만 적용가능하다.
이러한 경우에도 방음벽의 효과는 대체로 20dB서 제한된다. [그림 1-62]는 공장
내의 기계 소음에 대한 방음벽 설치의 한 예를 보여준다.