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BSR 소음의 감성을 고려한 불쾌도 등급화 평가

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-06-26 16:39:29

본문

1. 서론
최근 자동차의 실내소음, 가전제품의 소음은 제품의 품질과 신뢰성을 결정하는 중요한 요소 중 하나이며, 소비자의 만족도를 높이기 위한 소음진동 저감기술은 꾸준히 개발되고 있다. 소음에 대한 관심과 기술은 제품의 소음레벨의 감소와 더불어 부품간의 간섭이나 마찰 등에 기인하는 BSR(Buzz, Squeak, Rattle)과 같은 소음이 상대적으로 부각되고 있다.

글 / 황효성 (고등기술연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 5월호

사람에게 미치는 물리적 영향으로써 가장 기본적인 요인은 소음원의 크기이다. 그러나 소음원의 크기만으로 지각자의 감성적 요인을 반영할 수는 없다. 불쾌한 소음에 대한 정신음향학적 요인은 소음의 물리적 특성에 의하여 발생되는 청음 감각들의 조합에 의해 설명되어진다. Zwicker 와 Fatal􀕛은 이러한 요소를 정신 음향학적 불쾌감이라 불렀다.

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국내에서 BSR 소음에 대한 연구는 주로 자동차의 IP(Instrument Pannel), 시트(Seat), 도어(Door), 콘솔(Console) 등을 대상으로 BSR 소음을 측정/평가하여 소음을 저감하는 실험적 연구가 진행되었다. 최근에는 이해승, 신수현 등이 주관평가를 통해 자동차 변속기의 Rattle 소음의 정도를 평가하고 이에 대응하는 음질지수 분석을 실시하여 Rattle 소음에 영향을 주는 인자를 분석하고 Rattle Index를 제시하였다.

본 고에서는 자동차 시트의 BSR 소음에 대한 음질 물리량을 분석하고 불쾌도를 예측할 수 있는 예측식의 유도와 BSR 소음에 대한 척도화 연구 내용을 기술하였다.

연구내용의 절차는 그림 1과 같이 BSR 소음원에 대한 주관평가를 수행하여 불쾌도를 고찰하고, 평가할 수 있는 인덱스를 개발하는 절차로 이루어졌다. 또한 인덱스의 척도화는 불쾌도에 대한 인지의 정도를 측정하는 실험을 수행하여 불쾌도와 인덱스 물리량의 선형적 관계성을 분석하여 정량화하였다.

2. BSR 소음의 평가 인텍스
평가 인덱스는 자동차 시트 BSR 소음원에 대한 음원의 물리적인 특성과 불쾌도에 대한 주관적 감성반응실험의 응답과 물리량과의 회귀분석을 통하여 개발하였다.

2.1 평가음원 및 평가 방법
평가는 절대평가법을 사용하여 20~50대의 정상 청력을 가진 남녀 34명을 대상으로 BSR 소음원의 불쾌도에 대한 주관적 감성반응 실험을 하였다. 음원은 3개의 Rattle 소음과 2개의 Squeak 소음을 각각 3dB씩 변조시킨 75개의 음원을 선정하였다. 또한 음원평가의 방법인 절대비교법은 5점 척도를 사용하였다.

2.2 실험 결과 및 분석
2.2.1 음원의 물리적 특성 분석
특성분석은 평가 음원의 SQM 23개 Metrics 값과 불쾌도 점수와의 상관분석을 수행하였으며 기여도가 큰 SQM 인자를 표 1, 표2에 나타냈다. BSR 소음원의 불쾌도와 연관성 있는 SQM은Transient Loudness(Sone),Frame Kurtosis, Tonality로 영향을 미치는 중요 변수임을 확인하였다.

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2.2.2 불쾌도 분석
평가 음원의 불쾌도는 평가 결과를 불쾌로 선택된 음원을‘1’로 하는 행렬 매트릭스로 바꾸고 빈도분석 하였다. 그리고 불쾌도 득점의 누적 값과 음의 물리량과의 관계를 분석하였다.

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그림 2는 BSR 소음의 불쾌도 평가 누적치와 Transient Loudness(Sone)의 변화 관계를
비교한 결과이다. BSR 음원의 Transient Loudness 변화율에 따라 불쾌도 정도가 확실히구분되고 있다. 따라서 BSR 소음원의 불쾌도는 소음의 크기 이외의 다른 평가요인에 의해 평가되었음을 짐작할 수 있다.

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2.3 회귀분석에 의한 인덱스 추출
BSR 소음에 대한 불쾌도를 정량화하기 위한 연구의 일환으로 소음원에 대한 불쾌도 감성반응 실험 결과와 상관성 높은 음원 물리량과 회귀분석을 실시하였다. Rattle 소음의 회귀분석 결과 불쾌도는 Transient Loudness(Sone) 값과 Tonality 값이 증가하면 불쾌도가 증가하는 형태로 나타나고 있으며 결정계수값(R)이 0.995, 평가표준오차(Std. Error of the Estimate)가 0.025로 나타나고 있어 상당히 높은 예측식 임을 알 수 있다. 그 평가식은 다음과 같다.

Rattle 소음 Index = 32.888-0.403×TL(S)-7.430×FK-2.453×Ton

Squeak 소음의 경우도 유사한 형태로 나타나며 결정계수 값이 0.956이고 평가 표준오차가 0.674로 나타났으며 평가식은 다음과 같다.

Squeak 소음 Index = 19.306-0.345×TL(S)-0.394×FK-144.975×Ton

Rattle 소음과 Squeak 소음을 모두 포함한 회귀분석의 경우도 유사한 형태로 나타나며 결정계수 값이 0.951이고 평가 표준오차가 0.901로 나타났으며 평가식은 다음과 같다.

BSR 소음 Index = 10.593-0.417×TL(S)-0.063× FK+10.994×Ton

3. BSR 소음의 만족도 기준
3.1 평가방법
정상 청력을 지닌 20~50대 남녀를 대상으로 BSR 소음에 대한 불쾌도 평가와 만족도 평가를 실험하였다. 평가는 불쾌도 평가와 만족도 평가 두 가지로 구분하였으며 34명을 대상으로 수행하였다. 불쾌도 평가는 50점 척도로 평가하였으며 평가 결과는 100점 척도로 환산한 결과를 비교 분석 하였다.

덴마크의 J.H.Rindel의 만족도 평가는 교통 소음원 자극에 대한 반응의 관계가 S자 곡선으로 나타난다고 제안하였다. 본 연구에서는 자극과 반응의 관계를 Fair 구간을 제외한 Good, Poor의 2단계로 분류하여 만족과 불만족으로 분류하였다.

실험은 이들의 불쾌 정도를 나타내기 위하여 랜덤하게 조합된 소음을 듣고 감각을 5단계 표현 어휘로 판정하게 하였다. 어휘는“전혀 신경쓰이지 않는다(1), 소리는 들리지만 방해되지 않는다(2), 소음으로 인식된다(3), 사고 및 행위에 방해가 되고 거슬린다(4), 도저히 참을 수 없을 정도로 불쾌하다(5)”로 구성되었다. 분류는‘척도 3’의“소음으로 인식된다”를 기준으로 1점과 2점 평가는‘Good’, 그리고 3점부터 5점까지는‘Poor’로 해석하여 만족도 비율을 분석하였다. 두 번째는 1점부터 5점까지 소음 레벨 변화에 따른 불쾌도 느낌을 평균점수로 득점 정도를 비교하였다.

3.2 평가 음원
평가에 사용된 음원은 각각의 BSR 소음을 15초 길이로 샘플링 하고, 소음의 SPL(dBA)를 기준으로 38.5dB부터3dBA 간격으로 14단계 레벨로 음원을 제작하였다. 표 3에 평가음원의 dB 레벨 변화 3dB에 따른 SPL(dBA), TL(s), TK 그리고 Ton의 값 및 인덱스 값을 정리하였다. △dB는 음원 레벨의 저감량을 의미하고,△dB=0 구간 소음은 실제 측정된 음원이며, 평가의 기준음원으로 사용하였다.

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표 4에 소음의 만족도 평가 결과를 TL(s) 레벨과 만족도 비율(%) 그리고 인덱스 점수로 비교 정리하였다. 각 소음의 만족도 평가 결과에서 만족과 불만족에 대한 비율이
교차되는 50% 지점을 등감점으로 정의하고, 등감점과 만족/불만족의 100% 구간을 비교하였다. Rattle 소음의 등 감점 TL(s) 레벨은 9.0 Sone이고 만족과 불만족이 100%
인 지점은 4.1 Sone과 26.2 Sone이다. 그리고 Squeak 소음의 등감점 레벨은 5.0 Sone이고 100% 만족과 불만족지점은 2.1 Sone, 16.4 Sone으로 나타났다.

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그림 3은 Rattle, Squeak 소음의 만족도 비율을 비교한 그래프이다.

그림 4에서와 같이 소음의 만족도 비율을 인덱스 점수로 비교한 결과 Rattle 소음의
등감지점의 인덱스 값은 7.4, Squeak 소음은 7.9로 계산되었다. 그리고 만족/불만족 최대 반응 구간은 Rattle 소음 9.0/1.0, Squeak 소음 9.5/3.2이다.

Rattle 소음이 9.0이거나 Squeak 소음이 9.5 정도의 소음 수준이라면 수음자의 100%가 소음으로 인식하지 않으며, 그 이상의 소음 노출이 발생하게 되면 불쾌도 반응이 점차 발생되면서 약 7.4/7.9 수준을 초과하게 되면 불쾌도 반응 비율이 더 높게 나타나는 것으로 평가되었다. 소음 허용 한계치인 최대 불쾌도 반응구간은 Rattle 소음이 1.0, Squeak 소음이 3.2 이상의 범위에 해당하며, 이 때 소음에 노출된 모든 수음자가
불쾌감을 느끼는 것을 알 수 있다. Rattle 소음과 Squeak 소음의 등감점을 비교하면 Squeak 소음이 Rattle 소음보다 0.5만큼 높게 평가 되었으나 소음 노출 환경에 대한 평가는 유사한 수준으로 볼 수 있다.

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3.3 물리적 평가치와 심리적 반응과의 관계
그림 5에서 TL 레벨 변화에 따른 불쾌도 반응을 비교하였다. TL 레벨이 등간격으로 증감할 때 불쾌도 감각은 비선형적으로 반응하며, TL 레벨 증가에 따른 불쾌감은 점차 큰 폭으로 증가한다는 것을 알 수 있다.

그러나 제2절에서 소개된 불쾌도 평가 예측식을 이용하여 인덱스 값에 따른 불쾌도의 변화는 그림 6과 같이 선형적 관계를 나타내고 있음을 알 수 있다. 따라서 BSR 소음의 불쾌도 평가 기준은 등급화의 인덱스를 바탕으로 하는 것이 바람직하다. 불쾌도에 대한 척도는 절대적 값을 10점으로 척도화한 것으로 등감점 관계를 적용하였다.

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그림 7에서와 같이 인덱스는 불쾌도와 강한 선형성을 갖고 있어 불쾌도는 인덱스의 등간격 척도로 등급화를 추진하는 것이 적합하다고 판단된다.

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4. BSR 소음의 불쾌도 척도화 분석
BSR Rattle 소음과 BSR Squeak 소음을 1점부터 10점까지 총 10등급으로 척도화 하였으며 그 결과는 표 5와 같다. 각 등급에 해당하는 TL 레벨과 인덱스 값을 최대∙최소값으로 구간을 표현하고 만족도 비율을 해당 등급범위에 나타내었다. 인덱스 척도를 활용하여 BSR소음 등급화 하였으며 <표 6>과 같이 제시하였다.

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5. 결론
BSR 소음에 대한 불쾌도 반응과 BSR 소음의 불쾌도 등급화에 대한 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 불쾌도와 상관도가 높은 음질인자(SQM)는 Transient Loudness(Sones), Frame Kurtosis, Tonality로 나타났으며 이들 인자는 불쾌도를 표현하는데 충분함을 알 수 있었다.

2. BSR 소음의 TL(s) 변화에 따른 불쾌도 변화는 비선형적인 반응을 하고 있는 반면, 인덱스 척도에 대하여 불쾌도 점수는 선형적인 반응을 보임으로써 인덱스 척도로 불쾌도 등급화를 하는 것이 유용함을 확인하였다.

3. 만족과 불만족 등감지점인 50% 지점을 분석한 결과 Rattle 소음에 대한 허용 레벨이 높게 나타났으나 인덱스 값에서는 Rattle 소음과 Squeak 소음이 큰 차이를 보이지 않고 있음을 알 수 있었다.

4. 감성을 고려한 BSR 소음의 평가 기준을 제안하기 위하여 불쾌도 평가 어휘 5단계 척도 평가를 수행하였으며, 만족도 비율과 인덱스 값을 기준으로 10단계로 등급화할 수 있었다.
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