[마이크로폰] 드론 지상 소음의 정밀 측정(Drone noise measurement, UAV acoustic analysis, Microphone, UAM, UAV, UAS, Comb filtering effect)

 

목차

 

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드론 지상 소음의 정밀 측정

 

최근 들어 소형 및 경량 멀티로터 드론(UAS, UAV)의 사용이 급격히 증가하면서, 이들의 소음을 정밀하게 측정하고 평가할 수 있는 기술의 필요성이 커지고 있다. 드론은 기존의 제트기나 프로펠러 비행기와는 소음 특성이 매우 다르다. 우선, 대형 항공기는 일반적으로 고고도에서 정해진 항로를 따라 비행하는 반면, 드론은 비교적 저고도에서 자유롭게 운용되며, 주거지역 근처를 비행하거나 한 지점에 정지해 있는 경우도 많다. 이러한 특성으로 인해 드론 소음은 사람들이 체감하는 소리의 세기뿐만 아니라, 소리의 성분, 즉 주파수 스펙트럼에도 큰 영향을 미친다. 특히 드론은 고주파 성분과 순음(톤)이 강하게 포함되어 있으며, 이는 청취자에게 더 큰 불쾌감을 줄 수 있다.

 

기존 항공기 소음 측정 기준은 대형 항공기의 소음을 전제로 개발되었기 때문에, 드론과 같은 저고도 소형 비행체의 소음 특성을 정밀하게 반영하지 못한다. 따라서 드론의 소음을 정확하게 측정할 수 있는 새로운 방법론의 검토가 필요하다.

 

 

기존 측정 방식과 그 한계

 

현재까지의 항공기 소음 측정 방식은 주로 두 가지 형태로 구분된다. 첫 번째는 마이크를 지면에서 일정한 높이(예: 1.2미터)에 설치하는 방식이고, 두 번째는 반사판 위에 마이크를 거꾸로 설치(inverted)하는 방식이다.

 

 

A. 마이크를 지면에서 띄운 방식 (1.2m 설치 방식)

 

 

이 방식은 마이크 위치에서 직접 소리와 지면에서 반사된 소리가 만나 간섭을 일으킨다. 이 간섭은 특정 주파수를 증폭시키거나 감쇠시키는 ‘콤 필터(Comb Filter)’ 효과를 유발한다. 예를 들어 마이크 높이가 1.2m일 때, 약 71Hz에서 첫 번째 감쇠가 일어나고, 143Hz에서 증폭이 발생하며, 이러한 간섭은 고주파수로 갈수록 더 복잡하게 나타난다. 이러한 효과는 전체 소음 수준을 추정하는 데는 사용 가능하지만, 주파수 분석(예: 톤 분석)에서는 매우 큰 오류를 발생시킨다. 특히 순음 성분이 포함된 경우, 해당 주파수가 완전히 소거될 수 있기 때문에 정확한 측정이 불가능하다.

 

 

 

B. 반사판 위에 마이크를 거꾸로 설치하는 방식 (inverted microphone)

 

 

ICAO(국제민간항공기구) 기준에서는 8,618kg 이하의 소형 프로펠러 항공기에 대해, 지면 반사판 위에 마이크를 거꾸로 설치하는 방식을 채택하고 있다. 이 방식은 지면 반사로 인한 간섭을 줄이기 위해 고안되었으며, 최대 약 10kHz까지의 측정에서는 비교적 정확한 결과를 제공한다. 그러나 고주파 영역(10kHz 이상)에서는 마이크 자체의 구조물이 소리의 흐름을 방해하게 되며, 측정 데이터에 왜곡을 유발한다. 드론 소음은 고주파 성분이 강하기 때문에, 이 방식 역시 드론 측정에는 한계가 있다.

 

 

개선된 측정 방법의 원리 및 구현

드론 소음의 특성을 정확히 반영하고 고주파수 영역까지 정확한 측정을 가능하게 하기 위해, 마이크를 반사판과 완전히 일체화하여 ‘매립형(Flush-mounted)’으로 설치하는 방식이 제안된다. 이 방식은 다음과 같은 원리에 기반한다.

 

• 압력 이중화(Pressure Doubling) 효과: 마이크를 완전히 반사판에 일체화하면, 반사와 직접파가 정확히 일치하게 되어, 자유 음장(free-field)에 비해 약 6 dB 높은 음압을 측정할 수 있다. 하지만 이 값은 정해진 조건 하에서 반복 가능한 값이므로 보정이 가능하다.
• 지면 반사의 명확한 정의: 반사 조건이 일정하고 균일하기 때문에, 측정값이 매우 정밀하고 일관된다.
• 고주파 성능 유지: 마이크가 반사판 위에 돌출되지 않기 때문에, 20 kHz까지의 고주파 소음도 왜곡 없이 측정할 수 있다.

 

이러한 방식은 드론이 사람과 가까운 거리에서 정지 상태로 비행하는 경우(예: 촬영용 드론)나, 고정된 소음원을 측정할 때도 정확한 결과를 제공할 수 있다. 실험 결과에 따르면, 마이크를 반사판 중심에서 약간 벗어난 위치에 설치했을 때 주파수 응답이 가장 안정적이며, 측정 조건에 따라 정확한 위치 조절도 필요하다.

 

최적 측정 방식의 제안 및 결론

보고서에서는 드론 소음을 정확하게 측정하기 위한 최적의 방식으로 매립형 마이크를 사용한 반사판 설치를 제안하고 있다. 이 방식은 다음과 같은 이유로 기존 방식들보다 뛰어난 성능을 제공한다.

 

• 전 주파수 대역(최대 20 kHz)까지 정확한 측정이 가능하다.
• 지면 반사로 인한 주파수 간섭을 최소화하고, 재현 가능한 데이터 확보가 가능하다.
• 순음이 포함된 복잡한 소음원도 정확히 분석할 수 있다.
• 드론의 운용 특성(저고도, 주거지 인근, 고주파 소음)과 가장 잘 부합한다.

 

결론적으로, 기존의 항공기 소음 측정 기준은 드론 측정에 적합하지 않으며, 드론 특성에 최적화된 측정 방법이 필요하다. 매립형 마이크를 사용하는 반사판 기반 측정 방식은 이러한 요구를 만족시키며, 향후 드론 소음 측정을 위한 새로운 표준으로 채택될 수 있다.

 

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