가청화를 이용한 G 과학관의 음향 성능평가에 관한 연구

A Study on the Evaluation of Acoustic Performance for

G Science Museum Using Auralization

이경재・정인모・김대군・김재수원광대학교 건축학부

1. 서 론

국내 공연장의 경우 오페라하우스와 같은 전문공연장 보다는 강연 및 집회활동, 연극과 음악회 등이

가능한 다목적 홀의 수요가 늘고 있는 실정이다. 이러한 다목적 홀은 그 특성상 음성과 음악의 명료

도에 대한 음향성능이 동시에 요구되기 때문에 건축음향설계에 대한 충분한 검토와 계획이 필수적 이

라고 할 수 있다. 그러나 지금까지 음향설계는 물리적 음향 특성을 만족하는 데 만 국한되어 홀의 음

향 특성에 대한 주관적 반응에 대한 만족도 여부는 평가되지 못했다. 이러한 관점에서 본 연구에서는

선행 연구된 연구 결과를 토대로 반사판 유․무에 따른 가청화 실험을 실시하여 음향 성능에 대한 만족

도 및 주관적 반응을 조사하고자 하였다. 이렇게 분석된 자료는 향후 다목적 홀 음향설계의 기초 자

료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

2. 실험방법 및 개요

2.1 가청화 음향 시뮬레이션

가청화(可聽化)는 홀의 설계단계에서 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 음향설계를 한 뒤 객석의 수음점에서

구한 임펄스 응답(Impluse Response)과 무향실에서 녹음한 원음(Dry Source)을 합성연산

(Convolution)하여 컴퓨터상에서 개관 후 공연이 되었을 때 음향상태를 직접 들어 볼 수 있는 시스템

이다. 기존의 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 건축음향설계는 건축가에게 설계단계에서는 많은 도움을 주

었지만 실제 개관했을 경우 어떤 소리로 들릴 것인가에 대한 신뢰성은 거의 없었다. 그러나 가청화를

통해 설계단계에서 홀이 건립된 후 음장을 직접 체험할 수 있으며, 발주자와 설계자가 홀 형태의 결

정, 마감재료의 선택, 음원의 지향성 등 각종 조건들의 변화에 따른 상황을 실제의 음으로 직접 들어

봄으로써 홀에서 요구하는 음향상태를 결정하는데 이용된다.

↓Envelop [ID=29] Ch. 1 Pa/s X1= Y1= X2= Y2= 0.000 1.250e-04 10.229 -1.651e-04

-0.015

-0.010

-0.005

0.000

0.005

0.010

0.015

홀의 임펄스 응답 무향실에서 Dry Source 녹음

↳ 합성연산(Convolution) ↵↓

무향실 청취 헤드폰 청취

그림 1. 가청화 프로세스

2.2 G 과학관의 개요

G 과학관은 개관예정이며, 주목적은 강연과 공연에 있다. 이러한 다목적 홀의 음향특성은 규모, 평면

형태, 용적, 실내표면과 마감재료 등에 영향을 크게 받으며, G 과학관의 제원과 실내모습은 표 1, 그

림 2.와 같다.

표 1. G 과학관의 제원

구분 제원 구분 제원

체적case 1 10,833㎥ 길이 43.5m

case 2 7,091㎥ 폭 26.22m

천정고 24m 온․습도 27℃, 66%

※ Case 1. : 반사판 미설치, Case 2. : 반사판 설치

1

1

23

45

67

8

1

(a) G 과학관의 3D모델링 (b) G 과학관의 실내 모습

그림 2. G 과학관의 모습

선행연구 결과와 음향시뮬레이션을 통한 Case 1,2. 실내음향 특성 비교는 표 2.와 같다.

표 2. Case 1,2 실내음향 특성 비교(500Hz)

RT(sec) SPL(dB) D50(%) C80(dB) RASTI(%)

case 1 1.40 62.1 41.5 0.7 55.4

case 2 1.52 72.0 30.4 -1.0 49.1

표 2.에서 보면 무대 가동반사판의 설치가 된 Case 2.의 경우 Case 1.보다 잔향시간이 0.12초 길게

나타나 훨씬 더 잔향감이 있을 것으로 사료된다. 또한 음성명료도, 음악명료도, 음성전달지수는 무대

가동반사판 설치 유․무에 따라 Case 1.은 강의나 극장에 적합한 음향 성능을 보이며, Case 2.는 실내

악, 오페라 공연에 적합한 음향 성능을 보였다.

2.3 청감평가를 위한 평가어휘 조사

실내음향 특성을 정확하게 평가하기 위해 Beranek, Barron등에 의해 연구되어진 내용을 바탕으로

대상 공간의 주관적인 효과를 대변할 수 있는 어휘들을 물리적인 파라메타들과 연관지어 찾고자 하였

다. 음향 평가에 사용된 어휘와 물리적인 파라메타와의 관계를 분석한 것은 표 3.과 같다.

표 3. G 과학관의 음향성능 구성요소

사용된 어휘 주관적 요소 물리적 요소

건조하다/충만하다 음의 울림 잔향시간(RT)

먼곳에서 연주하는 느낌이다/가까운곳에서 연주하는 느낌이다

음의 친밀감초기지연시간

(ITDG)

작게 들린다/크게 들린다 음의 크기 음압레벨(SPL)

탁하다/명료하다 음의 명료성명료도(D50,C80)

둔하다/선명하다 음의 선명함

날카롭다/부드럽다 음의 포근함 저음비(BR)

음이 한쪽으로 치우친다/음이 균형있다

음의 균형 공간감(IACC)

한쪽으로 집중된다/넓게 확산된다 음의 확산감

이렇게 추출된 평가어휘를 바탕으로 미국의 심리학자 Osgood에 의해 제안된 의미분별법(SD; Method

of Semantic Differential)을 이용한 청취 실험에 사용되어질 설문지는 표 4.와 같이 구성하였다.

Dry Source 음원 Case 1 가청화음원 Case 2 가청화음원

강 의 음 성

표 4. 주관적 반응을 평가하기 위한 평가시트

항 목 별

평 가

음의 울림(잔향감)(Reverberance)

음의 친밀감(Intimacy)

음의 크기(Loudness)

음의 명료성(Intelligibility)

음의 선명함(Clarity)

음의 포근함(Warmth)

음의 균형(Balance)

음의 확산감(Envelopment)

2.4 청감평가를 위한 음원의 구성

G 과학관 다목적 홀의 청감 실험에 사용될 평가 가청화 음원은 공연의 목적 외에도 음악의 사용과

더불어 각종 집회활동 및 강연이 중요한 점을 고려하여 CD 및 Odeon Sample에서 추출하여 표 5.과

같이 구성하였다.

표 5. 가청화 음원의 구성

음원번호 음원종류

1 강의음성

2 테너

3 기타

4 바이올린

5 성악(소프라노)

6 피아노

7 트럼펫

8 박수소리

이러한 청취실험 음원은 반드시 잔향음이 없는 무향실에서 녹음한 Dry Source를 사용해야 한다. 이

러한 이유는 음이 실내에 울려 퍼지는 감등의 음향적 인상은 초기 반사음의 영향이 큰데 약간의 잔향

음이 포함되어도 가청화시 음의 견본을 들음으로써 희망하는 음장을 정확히 결정하기 어렵기 때문이

다. 본 연구에 사용된 Dry Source를 Case 1,2. Coll Edit Pro 2.1로 분석한 음원형태는 그림 3.과

같다.

테 너

기 타

바 이 올 린

성 악 (소프라노)

피 아 노

트 럼 펫

박 수 소 리

그림 3. 가청화 음원형태 비교

그림 3.에서 보면 Dry Source는 잔향음이 없어 깨끗하지만 홀의 공간적 정보를 반영한 가청화 음원

은 소리에 잔향감과 공간감이 포함되어 있음을 알 수 있다. 또한 Case 1.보다 Case 2. 음원형태의

폭이 길어진 이유는 벽면, 천장에 반사판을 설치하여 잔향시간과 음압레벨이 높아졌기 때문이다.

2.5 청감 평가방법 및 실험

청감실험은 헤드셋을 이용해 동시에 6명씩 진행하였으며 청감시 일정한 음량을 유지하기 위해 헤드

엠프를 사용하였다. 피험자로 선정한 21명은 남성 16명과 여성 5명으로 이루어졌으며, 정상적인 청력

을 가진 20대의 신체 건강한 대학생 및 대학원생을 대상으로 실시하였다. 청감평가를 실시하기 전에

음향에 대한 이해를 돕기 위해 평가시트를 사전에 나누어 주고 충분한 설명과 함께 음원을 들려준 뒤

실험에 참가하도록 하였다.

음원의 제시과정은 그림 4.와 같으며 순서대로 8개의 음원을 Case 1.과 Case 2.로 나누어 들려주어

평가를 하게 하였다. 그림 5.는 청감평가 실시 장면이다.

그림 4. 음원의 제시과정

그림 5. 청감실험 장비 및 실험장면

3. 분석 및 고찰

3.1 각 평가어휘에 대한 평균적 반응 항목

G 과학관의 Case 1,2.의 평가를 각 항목별 응답결과를 정리한 결과는 다음 그림 6.과 같다.

1

2

3

4

5

6

7

울림 친밀감 크기 명료성 선명함 포근함 균형 확산감

강의 테너 기타 바이올린 소프라노 피아노 트럼펫 박수소리

(a) Case 1 평균적 반응

1

2

3

4

5

6

7

울림 친밀감 크기 명료성 선명함 포근함 균형 확산감

강의 테너 기타 바이올린 소프라노 피아노 트럼펫 박수소리

(b) Case 2 평균적 반응

그림 6. Case 1,2 각 어휘에 대한 평균적 반응

Case 1 Case 2

그림 6.을 보면 Case 1.는 잔향시간이 짧기 때문에 평균 반응치가 “명료성”은 4.2～4.9, “선명함”은

4.1～4.7으로 높게 나타나 강연이나 연설과 같은 음성정보 전달목적에 적합하다고 나타났다. 그러나

Case 2.는 잔향시간이 확보되어 평균 반응치가 "명료성“, ”선명함“은 Case 1.보다 다소 낮게 나타났지만, 다

른 항목은 “울림”은 4.8～5.4, “크기”는 4.7～5.3, “포근함”은 3.6～4.6, “균형”은 3.8～4.7, “확산감”은 4.

9～5.1로 Case 1.보다 높게 나타나 강연보다는 음악공연의 목적에 적합하게 평가결과가 나타났다.

3.2 G 과학관의 Case 1,2 비교 분석

가청화를 실시한 G 과학관의 전체적인 인상을 알아보기 위해 각 평가 어휘별로 8개 음원 전체에 대

한 Case 1,2. 빈도분석결과 정규분포곡선도는 그림 7.과 같다

그림 7. Case 1,2 빈도분석 (정규분포곡선)

Case 1,2.의 정규분포곡선을 비교해보면 Case 1.의 경우 “친밀감”, “명료성”, “선명함”이 높게 나타

나 강연 시 음성정보 전달에 매우 뛰어난 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한 Case 2.의 경우

“울림”, “크기”, “포근함”, “균형”, “확산감”의 항목이 높게 나타나 실내악, 오페라 공연에 적합한 음

향 성능을 나타내고 있다.

4. 결론

G 과학관의 경우 반사판 유․무에 따른 음향성능을 시뮬레이션을 통해 비교한 뒤 가청화 청감실험을

실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

Case 1.은 잔향시간이 짧기 때문에 평균 반응치가 “명료성”은 4.2～4.9, “선명함”은 4.1～4.7으로 높게 나

타난 반면 “울림”은 3.3～3.6, “크기”는 3.5～3.8로 낮게 나타났다. 그러나 Case 2.는 잔향시간이 확보되어

평균 반응치가 “울림”은 4.8～5.4, “크기”는 4.7～5.3, “확산감”은 4.9～5.1로 Case 1.보다 높게 나타난 반

면 “명료성”은 3.3～4.1, “선명함”은 3.2～4.0으로 낮게 나타남을 알 수 있었다. 이러한 결과로 미루어 볼 때

Case 1.의 경우 음성을 위주로 한 강의나 회의시 음성정보 전달에 적합하고, Case 2.는 보다 풍부한 울림과

크기로 인하여 음악을 이용한 공연이 적합할 것으로 사료된다.

위와 같은 연구결과는 향후 이와 유사한 다목적 홀의 건립시 설계 단계에서부터 음향적 문제를 예

측·제어하여 시공비 절감효과 및 음향성능을 향상시킬 수 있는 유용한 자료로 활용될 수 있을 것으로

사료된다.

5. 참고문헌

1) 김재수, 건축음향설계(개정판), 세진사(2004)

2) 김재수, 양만우, 건축음향설계방법론, 도서출판 서우(2001)

3) 최둘, 주덕훈, 김재수, 가청화를 이용한 J 예술회관의 음향 성능평가에 관한 연구,

한국소음진동공학회 학술발표대회(2008)

4) 주덕훈, 윤재현, 김재수, 가청화를 이용한 소규모 다목적 홀의 음향 성능평가에 관한 연구

한국 소음진동 공학회 학술발표대회(2007)

5) 김남돈, 윤재현, 김재수, 가청화를 이용한 G예술회관의 대공연장 음향 성능평가에 관한 연구

한국 소음진동 공학회 학술발표대회(2007)

6) 가청화를 이용한 건축음향성능 평가기법 (사)한국음향재료협회 음향재료기술 3호(2007)

7) Heinrich Kuttruff; Room Acoustics, Elsevier Applied Science(1991)

8) Leo Beranek; Concert and Opera Halls, Acoustical Society of America(1996)

9) Michael Barron; Auditorium Acoustics and Architectural Design, E & FN SPON(1993)

10) Yochi Ando; Dennis Noson, Music and Concert Hall Acoustics, Academic Press(1997)

11) Yochi Ando; Architectural Acoustics, Springer(1999)