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SUMMARY
목차
1. 연구개발과제의 개요 29
1-1. 연구개발 목적 31
가. 지하철 터널소음 저감용 흡음재 구비조건 31
1-2. 연구개발의 필요성 32
1-3. 연구개발 범위 34
가. 지하철 터널소음 저감용 국소 반응형 공명 흡음판 실용화 연구 34
나. 지하철 터널소음 저감에 최적인 국소 반응형 공명 흡음판 35
2. 국내외 기술개발 현황 37
2-1. 국외 기술개발 동향 39
2-2. 국내 기술개발 동향 41
3. 연구수행내용 및 결과 45
3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 47
3-2. 연구개발 결과 및 토의 48
가. 지하철 터널 소음저감을 위한 흡음판 개발 48
나. 터널 내부의 유동해석과 소음저감을 위한 가이드 그릴 최적화 설계 65
다. 터널 내 공명 흡음판 적용을 위한 구조연구 102
라. 개구터널 태 흡음판 시공을 통한 전동차 객실소음저감 효과 확인 126
3-3. 연구개발 결과 요약 151
가. 지하철 터널 소음 저감용 국소 반응형 공명 흡음판 개발 151
나. 가이드 그릴 설계 및 분석 151
다. 시제품 현장시험을 통한 시방서 작성 152
라. 개구터널 내 흡음판 시공을 통한 전동차 객실소음저감 효과 확인 153
4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 157
4-1. 목표달성도 159
가. 연구 개발 최종목표 달성도 159
4-2. 관련분야 기여도 164
가. 기술적 측면 164
나. 환경적 측면 164
5. 연구결과의 활용계획 165
5-1. 연구개발결과의 활용방안 167
5-2. 사업화 계획 및 효과 167
가. 사업화 효과(참여기업 계획) 167
나. 무역수지 개선효과 167
다. 사업화가능성 SWOT 분석 168
5-3. 기대성과 168
가. 기술적 측면 168
나. 환경적 측면 169
다. 경제적·산업적 측면 169
라. 일자리창출 측면 169
6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 171
7. 연구개발결과의 보안등급 175
8. NTIS에 등록한 연구시설·장비 현황 179
9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 183
10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 187
11. 기타사항 191
12. 참고문헌 195
부록 199
〈부록 1〉국소 반응형 공명 흡음판 관련 특허 등록증 201
〈부록 2〉국소 반응형 공명 흡음판 난입사 흡음성능 공인성적서 209
〈표 2.1.1〉 속도에 따른 소음 저감 방법별 저감 범위 39
〈표 2.1.2〉 국외 학술연구 주요 현황 40
〈표 2.1.3〉 국외 기술개발 성과요약 40
〈표 2.1.4〉 국외 기술개발 문제점 및 한계 41
〈표 2.2.1〉 철도 소음 저감에 대한 국내 연구 주요 현황 42
〈표 2.2.2〉 철도 소음 저감에 대한 국내 학술 연구 주요 현황 42
〈표 2.2.3〉 철도 소음 저감에 대한 국내 기술개발 성과 요약 42
〈표 2.2.4〉 철도 소음 저감에 대한 국내 기술개발 결과에 대한 문제점 및 한계 44
〈표 3.2.1〉 지하철 객실소음 측정구간 및 측정일자 48
〈표 3.2.2〉 서울메트로 3호선 지하철 객실소음 측정구간 및 측정일자 50
〈표 3.2.3〉 수직입사 흡음성능 측정 장비 54
〈표 3.2.4〉 기존 공명형 공명기와 목이 내장된 공명기 차이점 60
〈표 3.2.5〉 가이드 그릴의 설계 인자 79
〈표 3.2.6〉 가이드 그릴의 설계 인자 80
〈표 3.2.7〉 서울메트로 지하철 구조형식 102
〈표 3.2.8〉 서울메트로 지하철 지하구간 구조형식 103
〈표 3.2.9〉 흡음판 시공 가능 위치의 구조적 특성 분석 105
〈표 3.2.10〉 흡음판 시공 가능 위치의 종합평가 105
〈표 3.2.11〉 Zone1(터널벽면)에 시공 가능한 흡음판의 구조형식 106
〈표 3.2.12〉 Zone2(차량 사이 간격)에 시공 가능한 흡음판의 구조형식 106
〈표 3.2.13〉 Zone3(터널바닥)에 시공 가능한 흡음판의 구조형식 106
〈표 3.2.14〉 흡음판 시공후 유지관리방안 107
〈표 3.2.15〉 시공성, 유지관리성, 제작비용 분석 108
〈표 3.2.16〉 최적 설치위치 분석 결과 110
〈표 3.2.17〉 전단해석 결과 118
〈표 3.2.18〉 서울시 운영 도시철도 터널 구조현황 118
〈표 3.2.19〉 녹번역 바닥 방음판 설치방안 수립 119
〈표 3.2.20〉 벽체 방음판 설치방안 수립 120
〈표 3.2.21〉 시속 72.6km/h로 직선 구간을 주행하는 차량의 음향파워 레벨 127
〈표 3.2.22〉 터널 내부 음장해석에 이용된 재료 흡음률 128
〈표 3.2.23〉 흡음재의 흡음계수 128
〈표 3.2.24〉 차량 구조 재료별 투과손실 129
〈표 3.2.25〉 차량 내부에서의 잔향시간, 평균 흡음률 및 실정수 129
〈표 3.2.26〉 공기의 흡음률 129
〈표 3.2.27〉 시속 60km/h로 직선 구간을 주행하는 전동차의 거리별 소음레벨 144
〈표 3.2.28〉 시속 60km/h로 직선 구간을 주행하는 전동차의 음향파워레벨 산출 결과 145
〈표 3.2.29〉 시속 60km/h로 직선 구간을 주행하는 전동차의 대수평균 음향파워레벨 145
〈표 3.2.30〉 시속 60km/h로 직선 구간을 주행하는 전동차의 음향파워 레벨 146
〈표 3.2.31〉 터널 내부 음장해석에 이용된 터널과 전동차의 흡음계수 146
〈표 3.2.32〉 음향해석에 이용된 전동차 자체의 음향투과손실 146
〈그림 1.1.1〉 지하철 터널소음 저감용 흡음재 구비조건 31
〈그림 1.1.2〉 지하철 터널소음 저감용 흡음재 유지보수 측면 구비조건 32
〈그림 1.2.1〉 언론에 보도된 지하철 소음 32
〈그림 1.2.2〉 도시철도 터널 구간과 개활지 운행시 전동차 객실 소음레벨 비교 33
〈그림 1.2.3〉 지하철 소음원 종류 33
〈그림 1.2.4〉 터널에 흡음재 시공의 필요성 33
〈그림 1.3.1〉 전동차 객실소음 저감을 위한 국소 반응형 공명 흡음판 설계 개요 34
〈그림 1.3.2〉 국소 반응형 공명 흡음판 35
〈그림 1.3.3〉 국소 반응형 공명 흡음판의 흡음 원리 35
〈그림 1.3.4〉 공명 흡음판의 흡음 특성 35
〈그림 1.3.5〉 단층 공동 구조식 국소 반응형 공명 흡음판의 흡음 방식 36
〈그림 1.3.6〉 다층 공동 구조식 국소 반응형 공명 흡음판의 흡음 방식 36
〈그림 2.1.1〉 레일 댐퍼 설치 39
〈그림 2.1.2〉 방진 궤도 설치 39
〈그림 2.2.1〉 철도소음 저감을 위한 학술 연구 동향(1999~2013) 41
〈그림 3.2.1〉 1차 전동차 객실 소음 측정 위치 48
〈그림 3.2.2〉 1차 객실소음 측정 모습 48
〈그림 3.2.3〉 호선별 최대 소음 구간 측정결과 49
〈그림 3.2.4〉 호선별 등가소음레벨 측정결과 49
〈그림 3.2.5〉 호선별 순간 피크레벨 측정결과 50
〈그림 3.2.6〉 2차 전동차 객실 소음 측정 위치 51
〈그림 3.2.7〉 2차 객실소음 측정 모습 51
〈그림 3.2.8〉 곡률반경에 따른 시간-소음레벨 51
〈그림 3.2.9〉 곡률반경에 따른 주파수-소음레벨 52
〈그림 3.2.10〉 도상 종류에 따른 소음레벨 53
〈그림 3.2.11〉 홍제-녹번역 소음레벨 53
〈그림 3.2.12〉 수직입사 흡음계수 측정 개략도 54
〈그림 3.2.13〉 수직입사 흡음계수 측정 모습 54
〈그림 3.2.14〉 단면적 크기에 따른 흡음률 측정결과 55
〈그림 3.2.15〉 배후 공기층 길이에 따른 흡음률 측정결과 55
〈그림 3.2.16〉 배후공기층 간격변화에 따른 흡음률 측정결과 56
〈그림 3.2.17〉 흡음판 개수가 다중으로 증가함에 따른 흡음률 측정결과(10mm간격) 56
〈그림 3.2.18〉 흡음판 개수가 다중으로 증가함에 따른 흡음률 측정결과(30mm간격) 57
〈그림 3.2.19〉 흡음판 개수가 다중으로 증가함에 따른 흡음률 측정결과(10mm간격) 58
〈그림 3.2.20〉 흡음판 개수가 다중으로 증가함에 따른 흡음률 측정결과(5mm간격) 58
〈그림 3.2.21〉 공명형 흡음판 수직입사 흡음계수 측정결과 59
〈그림 3.2.22〉 흡음판이 내장된 공명기 59
〈그림 3.2.23〉 공명기에 내장된 흡음판의 배후공기층 간격변화에 따른 흡음률 측정결과 60
〈그림 3.2.24〉 공명기에 내장된 흡음판 개수 변화에 따른 흡음률 측정결과 61
〈그림 3.2.25〉 난입사 흡음률 측정 개략도 61
〈그림 3.2.26〉 측정용 흡음판 설치모습 61
〈그림 3.2.27〉 흡음판 난입사 흡음계수 측정 61
〈그림 3.2.28〉 흡음판 개수가 다중으로 증가함에 따른 흡음률 측정결과(5mm간격) 62
〈그림 3.2.29〉 공명기에 내장된 흡음판 개수 변화에 따른 흡음률 측정결과 63
〈그림 3.2.30〉 1차년도 난입사 흡음계수 공인성적 발급기관 측정결과 63
〈그림 3.2.31〉 2차년도 난입사 흡음계수 공인성적 발급기관 측정결과 64
〈그림 3.2.32〉 교차운행의 열차 운동을 구현한 격자 65
〈그림 3.2.33〉 Mesh inflation 적용 전후 65
〈그림 3.2.34〉 시뮬레이션 해석모델 검증 67
〈그림 3.2.35〉 연차별 직선터널 교차운행 유동해석 모델 68
〈그림 3.2.36〉 곡선터널 격자형상 및 해석조건 69
〈그림 3.2.37〉 1차년도 2D 유동해석 결과 70
〈그림 3.2.38〉 2차년도 3D 유동해석 결과 71
〈그림 3.2.39〉 t＝1.84sec 열차 교차 시 유동분석 72
〈그림 3.2.40〉 t＝3.72sec 열차 겹침 시 유동특성 73
〈그림 3.2.41〉 t＝5.56sec 열차 분리 시 유동특성 74
〈그림 3.2.42〉 차량 특정 위치별 유동분석 75
〈그림 3.2.43〉 2차년도 곡선터널 시뮬레이션 76
〈그림 3.2.44〉 3차년도 3D 곡선터널 유동분석 결과 77
〈그림 3.2.45〉 흡음판 그릴을 지나는 경계층 유동 77
〈그림 3.2.46〉 Cavity 위에서의 음향 스펙트럼(a)과 cavity 안에서의 유동장의 특성(b) 78
〈그림 3.2.47〉 0.1＜St＜10인 영역에서의 소리의 방향성 78
〈그림 3.2.48〉 가이드 그릴의 설계 인자에 따른 제작 시편 79
〈그림 3.2.49〉 가이드 그릴의 성능 평가를 위한 셋업 장치 80
〈그림 3.2.50〉 PIV 실험 셋업과 그릴의 홈 주변에서의 가시화 결과 81
〈그림 3.2.51〉 Energy Cascade (Richardson, 1922) 81
〈그림 3.2.52〉 단일 공동(a)과 이중 공동(b)을 가지는 해석 영역 및 격자 생성 개략도 83
〈그림 3.2.53〉 다양한 가이드 그릴 형상에 대한 공동 유동 분포 85
〈그림 3.2.54〉 다양한 가이드 그릴 형상에 대한 시간에 따른 흡입 유량 그래프 86
〈그림 3.2.55〉 시간에 따른 공동간의 거리에 대한 공진기로 전달되는 흡입 유량 87
〈그림 3.2.56〉 수치해석 개략도 87
〈그림 3.2.57〉 가이드 그릴의 설계 변수와 해석 격자 87
〈그림 3.2.58〉 공동의 각도가 45° 일 때의 시간에 따른 공진기에 생성된 와류 분포 88
〈그림 3.2.59〉 다양한 가이드 그릴의 형상에 따른 흡입 유동의 RMS 값 89
〈그림 3.2.60〉 공동의 길이가 0.6H일... 90
〈그림 3.2.61〉 공동의 길이가 1.0H일... 90
〈그림 3.2.62〉 해석모델의 개략도 91
〈그림 3.2.63〉 공동의 배열과 치수 91
〈그림 3.2.64〉 공동 바닥에서의 흡입 유량 91
〈그림 3.2.65〉 각각의 공동에서의 유량 흐름의 특성으로 -는 흡입유동을, 0은 net... 92
〈그림 3.2.66〉 제작된 가이드 그릴의 치수와 형상 92
〈그림 3.2.67〉 유동 가시화를 위한 실험부 형성 방법 93
〈그림 3.2.68〉 PIV 유동 가시화 장치 93
〈그림 3.2.69〉 공진기 내부의 유동 가시화 측정 영역 93
〈그림 3.2.70〉 나란한 배열의 가이드 그릴인 경우의 와류 등고선과 속도벡터(a) 및 유선(b) 94
〈그림 3.2.71〉 엇갈린 배열의 가이드 그릴인 경우의 와류 등고선과 속도벡터(a) 및 유선(b) 94
〈그림 3.2.72〉 가이드 그릴의 공진기 내부의 위치에 따른 u 속도 성분 ; (a) 나란한... 95
〈그림 3.2.73〉 가이드 그릴의 공진기 내부의 위치에 따른 속도 성분 95
〈그림 3.2.74〉 슬릿을 통과한 흡입... 96
〈그림 3.2.75〉 접선유동 흡음계수 측정 개략도 97
〈그림 3.2.76〉 접선유동 흡음계수 측정 97
〈그림 3.2.77〉 유속 변화에 따른 흡음률 측정결과(10mm×10흡음판) 98
〈그림 3.2.78〉 유속 변화에 따른 흡음률 측정결과(5mm×20흡음판) 98
〈그림 3.2.79〉 모형 축소덕트 터널 삽입손실 측정 99
〈그림 3.2.80〉 모형덕트 터널 삽입손실 측정 99
〈그림 3.2.81〉 글라스울 유속별 삽입손실 측정결과 99
〈그림 3.2.82〉 가이드 그릴 2%인 경우 유속별 삽입손실 측정결과 100
〈그림 3.2.83〉 가이드 그릴 5%인 경우 유속별 삽입손실 측정결과 100
〈그림 3.2.84〉 가이드 그릴 10%인 경우 유속별 삽입손실 측정결과 101
〈그림 3.2.85〉 가이드 그릴이 결합된 공명형 흡음판 음압레벨 측정결과 101
〈그림 3.2.86〉 지하철 구조형식 102
〈그림 3.2.87〉 지하구간 구조형식 103
〈그림 3.2.88〉 지하철 호선별 구조형식 103
〈그림 3.2.89〉 지하철 터널 내 공명형 흡음판 시공가능 위치 104
〈그림 3.2.90〉 박스터널 단면 109
〈그림 3.2.91〉 박스터널 내 흡음판 설치 상세도 109
〈그림 3.2.92〉 허니콤 코어의 실험 시편 113
〈그림 3.2.93〉 압축후 허니콤 코어의 시편 113
〈그림 3.2.94〉 허니콤 코어 변위-힘 113
〈그림 3.2.95〉 압축력에 따른 허니컴 모양 변화 114
〈그림 3.2.96〉 압축력에 증가에 따른 허니컴 변위 114
〈그림 3.2.97〉 수치해석(사각형)-전단거동 115
〈그림 3.2.98〉 수치해석(허니콤)-전단거동 115
〈그림 3.2.99〉 Midas를 이용한 Honey-comb 단층모델 116
〈그림 3.2.100〉 Midas를 이용한 Honey-comb 5층모델 116
〈그림 3.2.101〉 Honey-comb 압출실험 결과 116
〈그림 3.2.102〉 응력-변형률 일반화 116
〈그림 3.2.103〉 구조시스템 해석결과 116
〈그림 3.2.104〉 압축거동 해석결과 비교 117
〈그림 3.2.105〉 하중별 파괴모드 117
〈그림 3.2.106〉 사각형 응력 117
〈그림 3.2.107〉 사각형 VM 117
〈그림 3.2.108〉 Honey-comb 응력 117
〈그림 3.2.109〉 Honey-comb VM 117
〈그림 3.2.110〉 도시철도 궤도 구조 119
〈그림 3.2.111〉 공명형 흡음판 궤도 시공방안 120
〈그림 3.2.112〉 공명형 흡음판 벽체 시공방안 120
〈그림 3.2.113〉 공명형 흡음판 시공방안 분석 121
〈그림 3.2.114〉 군자차량기지내 B2S도상에 연습시공 121
〈그림 3.2.115〉 수서차량기지내 자갈도상에 연습시공 121
〈그림 3.2.116〉 공명형 흡음판 시방서 123
〈그림 3.2.117〉 수서차량기지 내 터널 모사 124
〈그림 3.2.118〉 터널 내 흡음판 모사 124
〈그림 3.2.119〉 모사터널 실험현황 124
〈그림 3.2.120〉 대표 상대변위 측정 124
〈그림 3.2.121〉 가속도 응답추이 125
〈그림 3.2.122〉 상대변위 응답추이 125
〈그림 3.2.123〉 터널 및 차량의 해석모델 127
〈그림 3.2.124〉 터널 내부 해석모델 (레일부 자갈도상 적용) 127
〈그림 3.2.125〉 차량내부 해석모델의 투과 음원 128
〈그림 3.2.126〉 차량 실내 해석모델 128
〈그림 3.2.127〉 음향 매개체 특성 (상온의 공기) 129
〈그림 3.2.128〉 여러 가지 터널 내부의 흡음재 설치 방안 130
〈그림 3.2.129〉 Case 1의 터널 내부 구성 131
〈그림 3.2.130〉 Case 1의 음장 해석 결과 131
〈그림 3.2.131〉 Case 1의 차량 실내중앙 음압레벨 132
〈그림 3.2.132〉 Case 2의 터널 내부 구성 132
〈그림 3.2.133〉 Case 2의 음장 해석 결과 133
〈그림 3.2.134〉 Case 2의 차량 실내중앙의 소음레벨 133
〈그림 3.2.135〉 Case 3의 터널 내부 구성 134
〈그림 3.2.136〉 Case 3의 음장 해석 결과 134
〈그림 3.2.137〉 Case 3의 차량 실내중앙의 소음레벨 135
〈그림 3.2.138〉 Case 4의 터널 내부 구성 135
〈그림 3.2.139〉 Case 4의 음장 해석 결과 136
〈그림 3.2.140〉 Case 4의 차량 실내중앙의 소음레벨 136
〈그림 3.2.141〉 Case 5의 터널 내부 구성 137
〈그림 3.2.142〉 Case 5의 음장 해석 결과 137
〈그림 3.2.143〉 Case 5의 차량 실내중앙의 소음레벨 138
〈그림 3.2.144〉 Case 6의 터널 내부 구성 138
〈그림 3.2.145〉 Case 6의 음장 해석 결과 139
〈그림 3.2.144〉 Case 6의 차량 실내중앙의 소음레벨 139
〈그림 3.2.147〉 터널 내부 해석모델... 140
〈그림 3.2.148〉 터널 내부 해석모델... 140
〈그림 3.2.149〉 복선터널에서 도상의 종류에 따른 음압분포 음향해석 결과 140
〈그림 3.2.150〉 복선터널에서 도상의 종류에 따른 객실 음압레벨 예측 결과 141
〈그림 3.2.151〉 복선터널에서 도상의 종류에 따른 음압분포 음향해석 결과 142
〈그림 3.2.152〉 복선터널에서 도상의 종류에 따른 객실 음압레벨 예측 결과 142
〈그림 3.2.153〉 단선터널에서 도상의 종류에 따른 터널내부 음압분포 음향해석 결과 143
〈그림 3.2.154〉 단선터널에서 도상의 종류에 따른 객실 음압레벨 예측 결과 143
〈그림 3.2.155〉 전동차 음향파워레벨 측정방법 144
〈그림 3.2.156〉 전동차 음향파워레벨 산출을 위한 측정전경 144
〈그림 3.2.157〉 밀폐터널과 개구터널 음향해석 절차 145
〈그림 3.2.158〉 전동차 객실 음향 해석 모델 146
〈그림 3.2.159〉 수서차량기지 시공 가능 구간 146
〈그림 3.2.160〉 개구터널 음향해석 결과 147
〈그림 3.2.161〉 개구터널 시공과정 147
〈그림 3.2.162〉 전동차 운행시 소음측정 전경 147
〈그림 3.2.163〉 측정에 이용된 전동차 147
〈그림 3.2.164〉 로템 VVVF 운행속도별 전동차 객실소음 측정결과 148
〈그림 3.2.165〉 GEC 쵸파 운행속도별 전동차 객실소음 측정결과 148
〈그림 3.2.166〉 국소 반응형 공명 흡음판 시공을 통한 소음저감효과 검증 149
〈그림 3.2.167〉 개구터널 운행시 전동차 객실소음레벨 측정결과 149
〈그림 3.2.168〉 실제 터널 운행시 전동차 객실소음레벨 음향예측 결과 149
〈그림 3.3.1〉 국소 반응형 공명 흡음판 흡음성능 151
〈그림 3.3.2〉 가이드 그릴 유동해석 결과 151
〈그림 3.3.3〉 가이드 그릴 PIV실험결과 152
〈그림 3.3.4〉 가속도 응답추이 153
〈그림 3.3.5〉 상대변위 응답추이 153
〈그림 3.3.6〉 개구터널 음향해석 결과 154
〈그림 3.3.7〉 개구터널 실험 결과(시간-소음레벨) 154
〈그림 3.3.8〉 개구터널 실험 결과(옥타브중심주파수-소음레벨) 154
〈그림 3.3.9〉 밀폐터널 해석 결과(옥타브중심주파수-소음레벨) 155
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