항공기소음에 대한 고찰

2012 포스팅 자료실 2012.02.16 12:03
**항공기 소음의 특성, 측정 및 평가, 대책**


   항공기소음은 우리들의 생활 속에서 경험하게 되는 교통소음이나 공장소음과 같은 공해요소 중의 한 영역에 불과할 따름이다. 그러나 피해자 입장에서는 항공기소음에 대한 반응만큼은 다른 환경소음과는 달리 집약적인 민원을 야기하고, 항공기소음으로 인한 피해지역이 넓다는 특징이 있다. 또한, 일반적인 교통소음에서는 자신도 자동차를 운전하거나 수송기계에 탑승하여 얼마든지 소음을 유발할 가능성이 있으며, 공장소음도 자신이 속해 있는 지역경제에 도움을 줄 수 있어서 어느 정도까지는 참아줄 수 있다는 인식이 지역주민들의 저변에 깔려 있다고 볼 수 있다. 하지만, 항공기소음에 대해서만큼은 지역주민들에게 있어서 소음의 원인 발생자는 별도로 존재하고, 자신들은 전적으로 피해자라는 의식을 강하게 느끼는 경향이 있다. 특히, 항공기소음은 주로 공항 근처의 공중에서 발생하기 때문에 소음에 대한 피해영역이 넓고, 소으방지를 위한 차단시설의 설치가 매우 어렵다는 특성을 갖고 있다. 국내에서도 공항 주변의 항공기 이착륙 소음으로 인해 피해를 입는 인구가 50만 명을 넘고 있으며, 200여 개의 학교에서도 항공기소음으로 수업에 지장을 받는 것으로 조사되고 있는 실정이다.

  항공기소음은 난청뿐만 아니라, 전화 통화, TV 시청의 청취방해, 학습 및 수면방해, 작업능률의 저하, 불쾌감, 분노 등과 같은 정서장애를 유발시키며, 호흡기, 소화기 및 순환기의 기능저하와 임신율의 저하 등과 같이 건강에도 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그 뿐만이 아니라 축산, 양봉농가에 있어서도 항공기소음에 의해서 가축이 유산을 하거나, 닭이 연란을 낳을 수도 있고, 벌이 집단폐사하는 경우도 자주 발생하고 있다. 이러한 항공기소음은 시민의식이나 사회적인 성숙도가 높아질수록 더욱 피해의식이 심화되는 특성을 가지고 있다. 국내에서도 점차 항공기를 이용하는 여객수요가 증가되고 있는 추세이므로 항공기소음에 대한 불만과 민원은 지속적으로 증가될 것으로 예상된다.


항공기소음의 특성

  항공기소음은 단일 항공기의 운행과정에서 방사되는 소음과 여러 기종의 이착륙 뿐만 아니라 정비과정 및 공항 내의 여러 시설물 등에서 발생하는 소음이 공항 주변에 영향을 미치는 경우로 구분할 수 있다. 여기서는 항공기 자체에서 방사되는 소음을 중심으로 알아본다. 각 항공기의 모델 및 사용목적에 따라 조금씩 차이가 있겠지만, 항공기 자체에서 발생되는 소음은 주로 비행에 필요한 추진력을 얻는 엔진소음과 기체의 공기역학적인 소음으로 크게 구분할 수 있다.

1. 엔진소음
  항공기의 추진력을 얻는 과정에서 발생하는 엔진소음은 이착륙 및 순항과 같은 항공기의 운항과정에 따라서 소음의 발생 정도가 다를 수 있지만, 환경소음 측면에서는 인근 주민들에게 있어서 가장 많은 불만과 민원을 불러일으키는 소음이라 할 수 있다. 항공기의 엔진은 크게 프로펠러 엔진과 제트 엔진으로 구분되며, 이 중에서도 제트 엔진은 터보 제트엔진과, 터보 팬 엔진으로 구분된다.

(1) 프로펠러 엔진
  프로펠러 엔진은 지금까지도 중소형 항공기에서 가장 널리 사용되고 있는 엔진이라 할 수 있다. 엔진구조는 가스터빈이나 피스톤 엔진에 의해서 프로펠러가 가동되어 추진력을 얻게 된다.


  프로펠러 엔진에서 발생되는 소음은 주로 프로펠러의 회전에 의해서 유발되는 공기역학적인 소음과 엔진의 배기소음이 대표적인데, 이 중에서도 프로펠러에 의한 소음이 가장 지배적이라 할 수 있다. 프로펠러소음의 주요 주파수 영역은 프로펠러 끝단의 회전속도와 날개 수를 곱한 값의 정수배에 해당된다. 가스터빈에 의해 구동되는 방식의 프로펠러 엔진에서는 터빈소음과 제트소음이 추가되지만, 제트엔진의 경우보다는 비교적소음이 적다고 할 수 있다. 

(2) 터보 제트 엔진
  터보 제트 엔진은 높은 출력과 급가속 등의 사용목적으로 개발된 제트 엔진이다. 따라서 우수한 동력성능과 전투능력이 최우선이라 할 수 있는 전투기와 같은 군용기에 주로 사용된다. 엔진 내부의 컴프레서에 의하여 압축된 공기가 연소실로 진입하여 연소되면서 제트 노늘을 통해서 외부로 팽창되는 과정에서 발생되는 추진력으로 항공기를 운항하게 된다. 이러한 연소과정에서 발생하는 대표적인 소음은 공기 흡입소음, 배기소음 및 엔진 표면의 방사소음이라 할 수 있다. 이 중에서 배기소음이 가장 지배적인 소음이며, 이는 엔진의 제트 노즐에서 분사된 고온의 배기가스와 엔진 주변의 낮은 온도를 가진 공기가 서로 급속히 혼합될 때 발생하는 공기역학적인 소음(와류에 의한 소음)이 주요 원인이 된다. 이를 제트소음 또는 제트 분사소음이라 한다. 또한, 흡입소음은 주로 컴프레서 소음과 흡입과정에서 유발되는 소음으로 이루어지며, 엔진의 표면 방사소음은 엔진 구조물(엔진을 둘러싼 통(shell)을 의미)의 진동현상에 의해서 발생되는 소음을 뜻한다. 



 (3) 터보 팬 엔진
  터보 팬 엔진은 제트추진 뿐만 아니라 별도의 팬에 의한 추진기구를 갖는 구조이다. 따라서 터보 제트 엔진에 비해서는 낮은 압력의 제트 분사가 이루어지기 때문에 상대적으로 적은 소음을 발생하는 특징이 있다. 터보 팬 엔진은 급가속이나 순간적인 고출력이 필요하지 않은 민간 여객기나 수송기에 주로 사용된다. 향후 연료효율의 증대와 더불어 터보 제트 엔진에 비해서 비교적 조용한 이유 등으로 인하여 팬의 형상이 더욱 커지는 터보 팬 엔진의 개발이 활발히 이루어지리라 예상된다.
  소음특성은 터보 제트 엔진과 마찬가지로 제트 노즐에 의한 공기역학적인 소음을 발생시키지만, 비교적 낮은 주파수의 소음이 두드러지는 경향을 가진다. 반면에 팬에 의한 소음이 추가되어서 인간의 민감한 주파수 대역(3~4kHz)에서 문제를 발생시킬 수 있다. 소음계(sound level meter)의 청감보정에서 D 보정곡선은 이러한 항공기 소음을 정확히 측정하기위한 목적으로 개발된 것이다.


2. 기체소음
  기체소음은 항공기의 기체 표면을 따라 유동하는 공기 흐름에 의해서 발생하는 공기역학적인 소음이다. 이는 항공기의 순항뿐만 아니라, 이착륙시의 기체와 착륙장치 등을 지나가는 공기의 흐름에 의해서 발생한다. 하지만, 기체소음은 엔진소음에 비해서는 훨씬 낮은 레벨의 소음을 유발시킬 따름이다. 제트엔진이 장착된 항공기에서는 약 600 Hz 이상의 기체소음이 발생하지만, 매우 높은 고도(항공기인 경우에는 지상에서 약 10km 상공)로 인하여 환경소음에서는 큰 문제를 유발시키지 않는다고 볼 수 있다. 따라서, 환경측면보다는 오히려 비행기 내부 소음 측면에서 중요한 고려대상이 된다. 


  항공기에 탑승해서 듣게 되는 비행기 내부의 실내소음은 엔진소음, 기체소음 및 공조기기소음이 대부분이다. 특히 비행고도가 높아질수록 비행기 내부의 실내기압은 낮아지므로, 고막에 불쾌한 압박감이나 고통을 느끼기 쉬운 경우가 자주 발생한다. 일반 항공기의 실내 공간은 평균 20~22도의 온도와 3분 간격으로 환기가 이루어지지만, 습도는 10% 미만의 매우 건조한 상태이다. 비행기가 이륙해서 착륙할 때까지 탑승객은 소음과 진동에 항상 노출되어 있는 셈이라고 말할 수 있다. 특히 전투기 조종사는 엔진소음과 기체소음을 그대로 감내해야만 한다. 그 이유는 전투기의 전투능력과 동력성능을 위해서 별도의 소음차폐장치가 장착될 수 있는 여지가 매우 적기 때문이다. 따라서 전투기 조종사 출신 중에서 소음성 난청에 시달리는 경우가 많은 것도 이 때문이다.

3. 항공기 통과시의 지상소음
  항공기는 다른 교통기관과는 달리 높은 고도의 상공에서 매우 빠르게 이동하는 특성이 있으므로, 항공기의 위치에 따른 시간적인 변화에 따라서 지상에서 느끼게 되는 항공기소음도 시시각각 변화하기 마련이다. 일반적으로 한 지점을 중심으로 항공기가 접근하는 경우에는 고주파수 영역의 소음이 지배적이며, 항공기가 바로 측정지점 위를 지날 때나 멀어지는 경우에는 저주파수 영역의 소음이 지배적인 특성을 갖는다. 이러한 이유는 항공기가 접근할 때에는 엔진의 흡입과정에서 발생되는 소음(2 kHz 이상의 주파수 영역)이 주로 들리게 되고, 측정지점 위를 지나서 멀어질 때에는 흡입소음이 줄어들면서 팬에 의한 배기소음(500 Hz 이하의 영역)이 주로 들리기 때문이다.

4. 소닉 붐
  전투기와 같은 비행기가 초음속으로 비행하는 경우에는 공기 중에 충격적인 음파가 발생하게 되며, 이러한 충격음파가 지상으로 전파되면서 매우 강한 충격음이 들리게 된다. 이를 소닉 붐(sonic boom)이라 하며, 공기의 비선형 효과에 의해서 두 번의 충격음처럼 들리게 된다. 음속돌파시 비행기에 의해 발생된 음장은 그림과 같은 원추형태(Mach cone)로 전파되며, 지상과 교차되는 지점에서는 그림과 같은 파형이 기록된다.

<초음속 항공기의 소닉 붐 음장>

<소닉 붐 파형>
  세계 최초로 개발된 초음속 여객기인 '콩코드' 기가 역사의 뒤안길로 퇴장한 원인도, 음속 돌파과정에서 유발되는 소닉 붐 때문이라 할 수 있다. 콩코드의 초음속 비행을 위해서는 육지의 상공이 아닌 해상을 비행할 수 밖에 없었는데, 여객기의 해상비행은 운항노선을 크게 제한하였기 때문에 초음속 비행기의 장점을 제대로 살릴 수 없었다고 볼 수 있다.


항공기소음의 측정 및 평가

  항공기소음의 측정 및 평가에는 주로 미국연방항공국(FAA, Federal Aviation Administration) 및 국제민간항공기구(ICAO, International Civil Aviation Organization)에서 PNL, WECPNL, Ldn 등이 사용되고 있다. 하지만, 아직까지 전세계적으로 통일된 소음평가단위는 없으며, 각 나라마다 자국의 환경기준이나 특성에 맞추어서 다양한 측정 및 평가가 이루어지고 있는 실정이다.

(1) PNL(perceived noise level, 감각소음레벨)
  미국연방항공국에서 항공기 소음의 평가를 위해서 사용하는 소음단위로, 항공기소음으로 인한 인체의 반응, 항공기의 운행시간 및 항공기소음의 스펙트럼(spectrum) 순음성분 등에 의한 여러 가지 영향들을 복합적으로 평가하기 위해서 제정한 측정방법이다. 항공기의 종류별 소음과 항공기의 운항횟수, 운항시간 및 코스, 기상 및 지형 등을 종합적으로 평가하는 측정법이다. 감각소음레벨을 기초로 하여 개선된 평가방법으로는 EPNL(effective PNL)이 있다. EPNL은 항공기의 소음을 평가하는 감각소음레벨에서 항공기의 계속 운항시간과 특이소음 등을 보정한 평가방법으로, 단일 항공기에서 발생되는 소음척도를 나타낸다고 볼 수 있다.

(2) WECPNL(weighted equivalent continuous PNL)
  국제민간항공기구에서 사용하는 항공기소음의 평가단위로, 항공기소음에 노출되는 주민의 반응을 객관적으로 평가하기 위한 측정법이다. 신문이나 뉴스 등에서 공항의 항공기 소음을 보도할 때 WECPNL을 '위클'이라고 부르는 경우가 많다. 항공기에서 소음이 발생하는 시간과 계절에 의한 영향을 보정한 평가방법이라 할 수 있다.
  주로 공항 주변의 소음평가에 있어서는 가장 합리적인 측정평가법으로 인정되지만, 일반 소음행정에 종사하는 사람이나 관계자들에게 있어서 dB(A), Leq 등과는 달리 근본적인 개념을 쉽게 이해하기가 힘들다는 단점이 있다. 또한, 공항 주변의 전반적인 환경소음을 평가하는 과정에서는 추가의 교통소음과 항공기소음을 가각 구별시켜야 하는 등의 여러가지 이유들로 인하여, 현재는 일본과 우리나라에서만 사용되고 있는 실정이다.
  현행 항공법에 따르면, WECPNL 값이 95 이상인 경우에는 이주 대상, 90~95 이내인 경우에는 방음시설의 설치, 80~90 미만인 경우에는 학교시설에만 방음시설을 설치하도록 규정되어 있다.

(3) Ldn(day-night average sound level)
  미국연방항공국에서 공식적으로 사용하는 평가법으로, WECPNL보다 비교적 단순하고 사용하기 편한 이점이 있다. 이 단위는 등가소음(Leq)에서 야간시간대에 발생하는 소음을 가산하여 보정한 것으로, 항공기소음을 다른 환경소음과 동일한 차원에서 비교,평가할 수 있다는 큰 장점이 있다.


항공기소음의 대책

  항공기소음에 의한 문제는 공항 인근의 주거지에 대한 환경소음과 공항 내부에서의 소음으로 분류할 수 있다. 항공기소음 중에서 일정 고도에서 순항하는 비행기는 지상 거주민에게 거의 피해를 주지 않으나, 소음이 문제되는 경우는 항공기의 이착륙과정에서 발생되고 있다. 공항 내부에서의 소음 피해자는 공항에 종사하는 직원들과 항공기 이용객들이라 할 수 있으며, 주 소음원은 항공기 이착륙시 발생되는 소음이 주요 점검항목이라 할 수 있다. 여기서는 환경소음 측면에서의 저감대책을 중심으로 설명한다. 항공기소음의 저감대책으로는 크게 소음원 대책, 수음자 대책으로 구분할 수 있다.

1. 소음원 대책
  항공기소음의 가장 효과적인 대책은 바로 항공기 자체에서 발생되는 소음을 줄이는 것이라고 할 수 있다. 즉, 저소음 엔진의 개발과 팬소음을 저감시킨 엔진을 채택하는 방법을 강구할 수 있겠다. 밑의 사진은 제트소음의 감소를 위해서 엔진의 노즐 끝 부분을 톱니 모양으로 설계한 셰브론 노즐(chevron nozzle)을 보여준다. 이러한 노즐로 말미암아 제트출구에서 공기와의 혼합이 빠르게 진행되어 혼합기에서 유발되는 난류 발생을 억제시켜서 제트소음을 저감시킨다고 한다.


아직까지도 비행기용 엔진을 직접 설계. 생산할 수 있는 국가는 극소수에 불과하므로 항공기 소비자(항공사) 입장에서 볼 때, 엔진 자체의 저소음화는 곤란한 실정이므로 적극적인 소음저감대책이라 볼 수 없다. 따라서, 일차적으로 항공기의 이착륙시 엔진의 출력을 규제하는 이른바 저출력 운항대책을 채택할 수 있다. 하지만, 낮은 엔진출력으로 이륙하거나 착륙하는 방법은 긴 활주로의 이용이 필수적이어서 소음의 노출지역이 오히려 길고 넓어지는 특성을 갖는다.
  이차적으로 고출력 급상승 이륙방법은 활주로 방향으로의 소음 노출이 적어지는 이점이 있지만, 항로 좌우지역으로 소음이 증대되는 현상이 발생한다. 따라서, 엔진의 출력규제는 특정 공항의 주민 거주분포 및 지형특성 등을 면밀히 조사하여 적절하게 대응할 수밖에 없다. 이 밖에 엔진의 역추진(reverse thrust) 제한, 보조날개(landing flap)의 각도 저감, 급상승 이륙(steepest climb) 등과 같이 다양한 소음저감방안을 강구할 수 있다.
  한편, 군용 비행장에서는 전투기의 엔진점검 때 발생하는 큰 소음이 공항 주변으로 퍼져나가는 것을 방지하기 위해서 허시 하우스(hush house)와 같은 돔형 구조물을 설치하는 방안을 강구할 수 있다. 허시 하우스를 이용할 경우, 전투기 엔진점검시 발생되는 130~140 dB(A)에 해당되는 소음이 75 dB(A) 내외로 줄어들게 되며, 고온의 배출가스를 충분히 냉각시켜서 대기로 방출하기 때문에 주변 환경의 피해를 최소화시킬 수 있다.


2. 운항절차의 대책
  운항절차에 따른 대책은 항공기의 운항시간이나 코스 등을 규제하여 항공기에 의한 소음발생을 최소화시키는 방법으로, 현재 세계 대부분의 공항에서 가장 현실적으로 적용시킬 수 있는 효과적인 방법이다. 즉, 저녁시간 이후부터 심야시간대에는 항공기의 이착륙을 금지시키거나, 계절적인 요인(주로 풍향 및 기상상태에 좌우된다)에 맞추어서 운항코스를 달리 하여 항공기소음의 노출 정도를 줄이는 방안 등을 시행하는 것이다. 또한, 2개 이상의 활주로를 오전. 오후 시간으로 구분하여 이착륙 방향을 서로 바꾸는 방안을 채택하게 되면, 피해지역의 소음노출 정도를 최소한의 수치로 유지시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.


3. 수음자 대책
  항공기소음의 방지대책 중에서 가장 광범위하고 많은 예산이 소요되는 방법이 바로 수음자 대책이라 할 수 있다. 즉, 항공기소음에 노출되는 지역의 주민들에게 적절한 피해보상(방음시설 등의)을 하거나, 토지이용을 규제시켜서 원천적인 소음노출을 줄이는 방법 등이다. 기존 공항의 경우에는 광범위한 지역에 해당되는 항공기소음의 노출 정도를 면밀하게 측정.평가하여 방음시설이나 방음림 등과 같은 구체적인 수음자 대책을 사용하는 방법 외에는 달리 뾰족한 해결방법이 없다고 볼 수 있다. 따라서, 신설 공항인 공항에는 계획수립과정에서부터 공항 주변의 토지이용을 적극적으로 규제하여 향후 발생할 수 있는 항공기소음에 의한 피해를 원천적으로 방지하는 노력이 필수적으로 강구되어야만 한다.
  공항 주변의 기존 주택에 대한 방음시공으로 인하여 주택 내부에서는 10~20 dB의 차음 효과를 얻을 수 있으며, 적절한 설계에 따라서는 30 dB이상의 차음효과까지 얻을 수 있다는  것이 선진국의 사례에서 찾을 수 있다. 따라서, 국내에서도 기존 주택을 방음처리하는 방안을 적극적으로 시도하는 것이 민원발생의 예방대책에서도 효과가 클 것으로 예상된다.


사종성. 강태원
알기 쉬운 생활 속의 소음진동 중에서...
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