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예술의 전당 오페라 극장의 건축음향 설계

A Study on the Architectural Design for

Opera Theater of Seoul Arts Center

이국현・박영지・김남돈・김재수원광대학교 건축공학과

1. 서론

과거 현재와 같은 음향 설계 기술이 부족했던 1993년도에 개관한 예술의 전당 오페라 극장은 규모나

디자인 면에서 우리나라를 대표함에도 불구하고 천장․벽면을 통한 음의 충분한 확산부족 등 음향적 만

족도가 그리 높지 않았다. 이렇게 유지되어 오던 오페라 극장은 2007년 12월 공연 중 화재로 인해 내

부 인테리어 대부분을 리모델링 해야 될 필요성이 대두 되었다. 따라서 오페라 극장의 음향적 만족도

를 높이기 위해 본 연구에서는 리모델링 시 초기 설계단계에서부터 음향시뮬레이션을 이용하여 객석,

벽체, 프로세니움 아치의 형태 및 재료 변경을 통해 최적화 된 오페라 극장의 개선안을 제시하였다.

이러한 연구는 향후 이와 유사한 오페라 극장의 리모델링 시 유용한 자료로 사용될 것으로 사료된다.

2. 측정방법 및 개요

2.1 연구대상 오페라 극장의 개요

본 연구대상 오페라 극장의 음향 특성은 규모, 평면형태, 체적, 실내표면과 마감 재료 등에 영향을

크게 받는다. 대상 오페라 극장의 형태 및 제원은 Fig 1, 2 및 Table 1, 2와 같다.

Table 1. 대상 오페라극장의 제원

장소 구분 오페라 하우스

제

원

면 적 약 2,444㎡

체 적 약 52,000㎥

길 이 79m

폭 70m

천정고 40m

좌석수 2,305석

(a) 평면도 (개선전) (b) 평면도 (개선후)

(c) 단면도 (개선전) (d) 단면도 (개선후)

Fig 1. 오페라 극장의 평 ․ 단면도

- 2 -

(a) 1층 평면도 (b) 2층 평면도

Table 2. 대상 오페라 극장의 개선전․후 마감 재료

장소

구분개선전 개선후

마

감

재

료

벽 체

프로세니움 GRC FG보드 3겹 도장

발코니벽 GRC GRC 위 우드베니어

측 벽 GRC+Fabric FG보드 3겹

후 벽 텍텀 슬립형 유공흡음판넬

발코니

전 면 GRC GRC 위 도장

천 장 GYP FG보드 2겹 위 우드베니어

무 대벽 체 콘크리트 위 수성페인트 콘크리트 위 수성페인트

바 닥 목재 플로링 단풍나무 플로링

객 석바 닥 콘크리트 위 카페트 코르크 타일

의 자 객석 의자 객석 의자

오케스트라피트 목재 플로링 리브형 FG보드

천 장 GRC GRC 위 도장

(a) 음의 분포 (개선전) (b) 음의 분포 (개선후)

Fig 2. 천장 개선에 따른 음의 분포 변화

Fig 2.을 보면 개선 전은 천장이 오목하여 모든 객석으로 골고루 음의 확산이 안되는 반면, 개선 후

는 프로세니움 아치의 형태 변화를 통해 보다 더 음이 모든 객석에 골고루 확산되게 하였다.

2.2 Computer simulation 개요

연구대상 오페라 극장의 음압분포 및 실내음향 파라메타의 예측분석은 음선추적법(Ray-tracing method)

과 허상법(Image model method)에 의한 3차원 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하였으며 사용 프로그램은 Odeon

4.21이다. 음향시뮬레이션에서 확산방법은 Lambert Method, 음선수는 4,010개, Impulse Response 길이는

1,000ms, Transition Order는 3으로, 각 좌석별 음향평가지수는 모두 만석시를 기준으로 평가하였다.

시뮬레이션 방법은 ISO에서 제안하는 무지향성 음원을 무대부 바닥면으로부터 1.5m 높이에, 수음점은

오페라 극장의 평면이 대칭 형태이므로 실의 중심을 기준으로 그리드(Grid)를 설정해 모두 20개를 선

정하여 1.2m 높이에 위치하였다.

위의 내용을 바탕으로 한 음원 및 수음점의 위치는 Fig 4.와 같다.

- 3 -

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번 10번 11번 12번 13번 14번 15번 16번 17번 18번 19번 20번 평균

수음점

SPL(dB)

125Hz 250Hz500Hz 1000Hz

2000Hz 4000Hz

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번 10번 11번 12번 13번 14번 15번 16번 17번 18번 19번 20번 평균

수음점

SPL(dB)

125Hz 250Hz500Hz 1000Hz

2000Hz 4000Hz

(a) 개선전 (b) 개선후

11

96.0

94.0

92.0

90.0

88.0

86.0

84.0

82.0

80.0

78.0

76.0

74.0

72.0

70.0

68.0

66.0

64.0

SPL at 500 Hz > 98.0

< 62.0

11

96.0

94.0

92.0

90.0

88.0

86.0

84.0

82.0

80.0

78.0

76.0

74.0

72.0

70.0

68.0

66.0

64.0

SPL at 500 Hz > 98.0

< 62.0

(c) 개선전. 음압레벨 분포도(500Hz) (d) 개선후. 음압레벨 분포도(500Hz)

Fig 5. 개선전,후 주파수 별 평균 음압레벨(dB)

(c) 3층 평면도 (d) 4층 평면도

Fig 4. 대상 오페라극장의 각 층 평면도 및 수음점의 위치

3.분석 및 고찰

3.1 음압레벨 (SPL)

음의 세기를 나타내는 음압레벨은 실의 형태와 내부공간의 구성에 따라 매우 중요한 의미를 갖으며,

객석의 균등한 음압분포는 소리의 직접음과 초기반사음 에너지의 양에 따라 결정된다. 연구대상 오페

라 극장을 대상으로 20개 수음점에서 주파수별 음압레벨(dB)은 Fig 5.와 같다.

Fig 5.를 보면 평가의 기준이 되는 500Hz에서 음압레벨이 개선전은 58.4dB, 개선후는 58.1dB 으로 나

타났으며, Table준편차는 개선전은 1.75dB, 개선후는 1.68dB로 나타났다. 따라서 개선후의 경우 표준

편자가 0.1dB정도 줄어 보다 더 모든 객석에서 균일한 음압레벨을 보일 것으로 판단된다.

3.2 잔향시간 (RT)

잔향시간은 울림의 양에 대한 가장 중요한 평가지수이며 정상 상태의 음이 60dB 감쇠하는 데까지 소

요되는 시간으로 정의된다. 대상 오페라 극장을 최적 잔향시간Table를 통해 알아 본 잔향시간(sec)은

Fig 6.과 같다.

- 4 -

0

1

2

3

4

5

6

7

1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번 10번 11번 12번 13번 14번 15번 16번 17번 18번 19번 20번 평균

수음점

RT(sec)

125Hz 250Hz500Hz 1000Hz

2000Hz 4000Hz

0

1

2

3

4

5

6

7

1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번 10번 11번 12번 13번 14번 15번 16번 17번 18번 19번 20번 평균

수음점

RT(sec)

125Hz 250Hz500Hz 1000Hz

2000Hz 4000Hz

(a) 개선전 (b) 개선후

11

2.70

2.55

2.40

2.25

2.10

1.95

1.80

1.65

1.50

1.35

1.20

1.05

0.90

0.75

0.60

0.45

0.30

T30 at 500 Hz > 2.85

< 0.15

11

2.70

2.55

2.40

2.25

2.10

1.95

1.80

1.65

1.50

1.35

1.20

1.05

0.90

0.75

0.60

0.45

0.30

T30 at 500 Hz > 2.85

< 0.15

(c) 개선전. 잔향시간 분포도(500Hz) (d) 개선후. 잔향시간 분포도(500Hz)

Fig 7. 개선전,후 주파수 별 500Hz의 잔향시간(RT)

Fig 6. 적정 잔향시간 범위

Fig 6.를 보면 실의 체적과 사용 목적에 따른 500Hz 최적 잔향시간은 1.67초로 나타났다. 위의 내용

을 바탕으로 20개의 수음점에서 파악한 주파수별 잔향시간(sec)은 Fig 7.과 같다.

Fig 7.을 보면 음향설계의 기준이 되는 500Hz의 잔향시간은 개선전 1.57초, 개선후 1.71초로 나타났

다. 따라서 개선전보다 개선후의 경우 오페라 극장의 최적 잔향시간을 더욱 더 만족하여 오페라 공연

시 적합한 음의 울림을 갖게 된다. 이러한 이유는 마감재료의 변경과 프로세니움 아치의 형태 변화를

주어 음이 확산되었기 때문인 것으로 판단된다.

3.3 음성명료도 (D50)

회화의 명료도에 관한 지수중 강연을 대상으로 하는 D50은 음의 발생이 중지한 후 50ms이내의 직접음 및 초기

반사음이 직접음을 보강하는 명료도를 좋게 하는 것으로, 음과 총에너지의 비인 Definition 또는 Deutlichkeit

를 말한다. 연구대상 오페라 극장을 대상으로 20개 수음점에서 주파수별 음성명료도(%)는 Fig 8.과 같다.

- 5 -

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번 10번 11번 12번 13번 14번 15번 16번 17번 18번 19번 20번 평균

수음점

D50(%

)

125Hz 250Hz

500Hz 1000Hz2000Hz 4000Hz

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번 10번 11번 12번 13번 14번 15번 16번 17번 18번 19번 20번 평균

수음점

D50(%

)

125Hz 250Hz

500Hz 1000Hz2000Hz 4000Hz

(a) 개선전 (b) 개선후

11

0.90

0.85

0.80

0.75

0.70

0.65

0.60

0.55

0.50

0.45

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

D50 at 500 Hz > 0.95

< 0.05

11

0.90

0.85

0.80

0.75

0.70

0.65

0.60

0.55

0.50

0.45

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

D50 at 500 Hz > 0.95

< 0.05

(c) 개선전. 음성명료도 분포도(500Hz) (d) 개선후. 음성명료도 분포도(500Hz)

Fig 8. 개선전,후. 주파수 별 음성명료도(D50)

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번 10번 11번 12번 13번 14번 15번 16번 17번 18번 19번 20번 평균

수음점

C80(dB)

125Hz 250Hz

500Hz 1000Hz2000Hz 4000Hz

-10

-8

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-4

-2

0

2

4

6

8

10

1번 2번 3번 4번 5번 6번 7번 8번 9번 10번 11번 12번 13번 14번 15번 16번 17번 18번 19번 20번 평균

수음점

C80(dB)

125Hz 250Hz

500Hz 1000Hz2000Hz 4000Hz

(a) 개선전 (b) 개선후

11

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

-2.5

-3.0

-3.5

-4.0

-4.5

-5.0

-5.5

-6.0

C80 at 500 Hz > 2.5

< -6.5

11

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

-2.5

-3.0

-3.5

-4.0

-4.5

-5.0

-5.5

-6.0

C80 at 500 Hz > 2.5

< -6.5

(c) 개선전. 음악명료도 분포도(500Hz) (d) 개선후. 음악명료도 분포도(500Hz)

Fig 9. 개선전,후의 주파수 별 음악명료도(C80)

Fig 8.을 보면 음향설계의 기준 주파수인 500Hz에서 개선전 D50 평균이 40.1%, 개선후 46.8%로 나타

났다. 일반적으로 음악 홀의 경우 음성명료도(D50)은 강연 55～60%, 음악 30～40%가 권장된다. 따라서

개선후의 경우 오페라 공연시 더욱 더 명료하게 음성을 들을 수 있을 것으로 판단된다.

3.4 음악명료도(C80)

음악에 대한 명료도지수(Clarity Index)인 C80은 콘서트홀에서 음악에 대한 명료도를 나타내기 위한

지수로 너무 클 경우 연주음이 너무 건조하고 딱딱해져 충분한 음량과 음색으로 이를 감상하기 어려워

진다. 연구대상 오페라 극장을 대상으로 20개 수음점에서 주파수별 음악명료도(C80)는 Fig 9.과 같다.

- 6 -

Fig 9.를 보면 음향설계의 기준 주파수인 500Hz에서 개선전 1.01dB, 개선후 1.98dB로 나타났다. 일반

적으로 500Hz에서 포크음악, 현대 대중음악, 재즈 등의 음악적 명료도 범위인 +4/-2dB의 범위를 개선

전․후 모두 만족 하고 있어 악기 연주 및 공연시 음색이 풍부하고 충만한 음악을 감상 할 수 있을 것으

로 사료된다.

3.5 음성전달지수(RASTI)

음성전달지수는 실내에서 음성의 전달에 따른 이해도(Speech Intelligibility)를 나타내고자 하는 주

관지수이다. 연구대상 오페라 극장을 대상으로 20개 수음 점에서 주파수별 음성전달지수(%)를 파악한

결과는 Fig 10.과 같다.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

수음점

RASTI(%)

개선전

개선후

11 11

(b) 개선전. 음성전달지수

분포도(500Hz)

(c) 개선후. 음성전달지수

분포도(500Hz)

Fig 10. 개선전,후. 수음점에 따른 음성전달지수

Fig 10.을 보면 정량적인 음성전달 평가지수인 RASTI는 개선전 평균값이 54.2%, 개선후 평균값은 54.6%

로 나타났다. 이러한 결과를 Table 9.에 비교해 보면 “Fair (노력하면 들을 수 있다.)”에 해당되어 무

대에서 발생하는 음원이 개선 전․후 모두 객석에서 왜곡되지 않고 잘 들을 수 있을 것으로 판단된다.

Table 9. RASTI 평가기준

RASTI(%) 평가 척도

0~32 Bad (전혀 알아듣지 못한다.)

32~45 Poor (잘 알아듣지 못한다.)

45~60 Fair (노력하면 들을 수 있다.)

60~75 Good (잘 들린다.)

75~100 Excellent (아주 편하게 들을 수 있다.)

3.6 Echo 발생 유·무 검토

대상 예술의 전당 오페라 극장과 같은 대규모 공간은 음의 반향(Echo)에 의한 결함이 생길 우려가 있

으며 이에 대한 검토가 필수적이다. 직접음이 들린 뒤 반사음이 들리는 것을 반향(Echo)이라 하고, 잔

향과 구분한다. 말은 짧은 음의 연속이므로, Echo가 있으면 명료도가 현저하게 저하하고, 음악도 리듬

을 틀리게 하여 연주를 불가능하게 한다. 그러므로 Echo는 실내음향 장애 중 가장 치명적인 것이다.

반사음의 시간 지연이 적은 경우는 직접음보다 10dB정도 강해도 분리되어 들리지 않을 뿐 아니라 오히

려 직접음이 들린 뒤 반사음이 들리는 반향(Echo)현상이 발생한다.

이러한 Echo에 대한 검토를 수행하기 위해 본 연구에서는 모든 수음점을 대상으로 Echo 분석을 실시

하였으며, 본 논문에서는 에코에 가장 취약한 반사면이 맞 닿는 16번 수음점을 나타내었다. 개선 전·

후 Echo를 검토해 본 결과는 Fig 11.과 같다.

- 7 -

Energy curve at 500 Hz

0.00 3.50Seconds rel. direct sound

20.00

100.00

SPL dB

First Late reflection

Energy curve at 500 Hz

0.00 3.50Seconds rel. direct sound

30.00

100.00

SPL dB

First Late reflection

Last Early reflection

개선전 개선후

Fig 11. Echo 발생 유·무 검토(16번 수음점)

Fig 11.을 보면 개선전 16번 수음점에서는 Echo가 발생 하였으나, 개선후는 일정하게 음이 감쇠하면

서 Echo가 발생하지 않았다. 따라서 개선후의 경우 Echo와 같은 음향적 결함이 발생하지 않아 모든 좌

석에서 보다 더 양호한 음향성능을 확보 할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 화재로 인한 리모델링 단계에 있는 예술의 전당 오페라 극장을 대상으로 컴퓨터 시뮬레이

션을 통하여 리모델링 전․후의 음향 성능을 평가해 보았다.

컴퓨터 시뮬레이션 결과 객석, 벽체, 프로세니움 아치의 형태 변경 및 재료 변경을 통해 물리적 음향

평가지수인 잔향시간, 음성명료도, 음성전달지수, Echo발생여부 등이 개선전보다 개선후에 더 만족할

만한 음향성능을 보임을 알 수 있다. 또한 잔향시간의 경우는 프로세니움 아치의 형태 변경을 통해 충

분한 확산으로 적정 잔향시간에 매우 만족할 만한 음향성능을 보였다. 따라서 향후 예술의 전당 오페

라 극장이 개선안에 맞게 리모델링 된다면 충분한 음량감, 확산감, 음의 명료성을 갖는 우수한 오페

라 극장이 될 것이라고 판단된다.

이러한 연구는 향후 이와 비슷한 오페라 극장의 건축음향 설계시 유용한 자료로 활용될 수 있을 것으

로 사료된다.

5. 참고문헌

1. 김재수 : 건축음향설계(3차 개정판), 세진사, 2007. 2

2. 김재수, 양만우 : 건축음향 설계 방법론 도서출판 서우, 2001.9.

3. 국정훈, 박영지, 김재수 : “타원형 평면을 갖는 교회의 건축음향설계” 대한환경공학회 학술발표대회, 2006. 11. 2

4. 주덕훈, 김재수 : “음향시뮬레이션을 이용한 실내체육관의 음향성능 개선” 대한환경공학회 학술발표대회,

2007.5.3

5. 서정석, 김재수 : “G 이벤트홀의 건축음향설계” 대한환경공학회 학술발표대회, 2004.11.5

6. 국정훈, 정은정, 정철운, 김재수 : 중·고등학교 음악실의 음향특성에 관한 연구, 2006.11.2 대한환경공

학회 추계학술발표대회

7. 김남돈, 주덕훈, 김재수 : “G예술회관 대공연장의 건축음향 설계” 한국 소음진동 공학회 학술 발표대회,

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8. Heinrich Kuttruff; Room Acoustics, Elsevier Applied Science, 1991

9. Leo Beranek; Concert and Opera Halls, Acoustical Society of America, 1996

10. Michael Barron; Auditorium Acoustics and Architectural Design, E & FN SPON, 1993

11. Yochi Ando; Dennis Noson, Music and Concert Hall Acoustics, Academic Press, 1997