소음계의 Hz부터 dB(A)·LAeq·Peak까지 읽는 법

소음계 화면에 68.4 dB, A, F, Leq가 한꺼번에 표시되면 숫자만 읽어서는 측정값을 설명할 수 없다. A는 주파수별 보정, F는 시간에 따른 검출 속도, Leq는 측정 구간의 에너지 평균을 뜻한다. 같은 마이크 신호라도 이 설정이 달라지면 표시값이 달라진다.

소음 측정값은 다음 네 층으로 나눠 읽으면 정리가 된다.

1. 어떤 주파수 성분이 들어왔는가.
2. 주파수별로 어떤 가중치를 적용했는가.
3. 시간에 따라 신호를 얼마나 빠르게 따라갔는가.
4. 순간값, 최대값, peak, 등가 레벨 중 무엇을 저장했는가.

Hz와 dB는 서로 다른 축이다

주파수 f의 단위는 Hz이며 1초 동안의 반복 횟수를 뜻한다. 음압 레벨은 RMS 음압 p를 기준 음압 p_0=20 µPa와 비교한 dB 값이다.

$$L_p=20\log_{10}\left(\frac{p}{p_0}\right)$$

Hz는 소리가 얼마나 빠르게 진동하는지, dB SPL은 지정한 대역에서 음압이 얼마나 큰지 말한다. 100 Hz와 1 kHz의 순음이 모두 80 dB SPL일 수 있다. 두 소리는 주파수는 다르지만 물리적 RMS 음압은 같다.

광대역 소음에서 70 dB라고 말하려면 측정 대역과 가중치를 함께 밝혀야 한다. 20 Hz부터 20 kHz까지의 Z-weighted 값과 A-weighted 값은 특히 저주파 성분이 많은 기계에서 크게 다를 수 있다.

A·C·Z는 주파수별로 다른 필터다

주파수 가중은 마이크가 받은 신호를 주파수별 필터에 통과시킨 뒤 레벨을 계산하는 방식이다.

표기는 L_A, L_C, L_Z처럼 아래첨자로 가중을 나타낸다. A-weighting은 사람의 청감을 완전히 예측하는 모델이 아니다. 하나의 표준화된 필터일 뿐이며, 음색·순음성·충격성·저주파 불쾌감을 숫자 하나로 모두 설명하지 못한다.

72 dB(A)와 78 dB(C)의 차이가 크다면 저주파 성분이 강할 가능성을 의심할 수 있다. 그러나 두 숫자만으로 원인 주파수를 알 수는 없다. octave 또는 1/3-octave spectrum을 함께 봐야 한다.

Fast와 Slow는 표시가 따라가는 속도를 바꾼다

시간 가중은 제곱된 신호를 지수적으로 평균하는 검출기의 시간 응답을 정한다. 대표적으로 Fast는 약 125 ms, Slow는 약 1 s의 시간 상수를 사용한다.

LAF는 A-weighting과 Fast time weighting을 적용한 현재 음압 레벨이다. LAS는 같은 A-weighting에 Slow를 적용한다. 변동 소음에서 두 값의 순간 표시는 다를 수 있다.

Peak는 F나 S와 다른 검출 방식이다. 순간 음압의 최대 절댓값을 별도 peak detector로 잡는다. 따라서 LCpeak와 LAFmax를 같은 “최대값”으로 보면 안 된다. LAFmax는 Fast 가중 레벨 중 최대값이고, LCpeak는 C-weighted 순간 peak 음압 레벨이다.

LAeq는 dB의 산술평균이 아니다

L_{Aeq,T}는 시간 T 동안의 A-weighted 음향 에너지와 같은 에너지를 갖는 일정한 레벨이다.

$$L_{Aeq,T}=10\log_{10}\left[\frac{1}{T}\int_0^T\frac{p_A^2(t)}{p_0^2}\,dt\right]$$

이미 계산된 구간 레벨을 같은 시간 길이로 합칠 때는 선형 에너지로 되돌려 평균한다.

$$L_{eq}=10\log_{10}\left(\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}10^{L_i/10}\right)$$

60 dB가 30분, 70 dB가 30분 지속됐다면 산술평균 65 dB가 아니다.

$$L_{eq}=10\log_{10}\left(\frac{10^6+10^7}{2}\right)\approx67.4\,\mathrm{dB}$$

긴 구간과 짧은 구간을 합칠 때는 각 구간의 지속시간까지 가중해야 한다. 일정한 소리가 더 오래 지속되어도 동일 구간의 Leq 자체는 같지만, exposure나 sound exposure level은 증가한다. 어떤 지표를 규정에서 요구하는지 먼저 확인해야 한다.

octave spectrum은 원인 주파수의 위치를 보여준다

광대역 LAeq 하나는 전체 크기를 비교하기 좋지만 원인을 숨긴다. 1/1-octave 또는 1/3-octave 분석은 비율이 일정한 주파수 대역으로 에너지를 나눠 보여준다.

팬의 blade-pass tone, 모터의 전자기 tone, 기어 맞물림처럼 좁은 대역 성분이 있는 경우에는 FFT의 좁은 주파수 간격이 더 적합할 수 있다. 반대로 규정 평가, 흡음·차음 성능, 넓은 대역 소음 비교에는 octave 분석이 편하다.

분석 화면에서는 다음을 함께 기록한다.

• 중심 주파수와 대역폭
• A/C/Z 가중 적용 전후 여부
• 선형 평균, energy average, maximum hold 방식
• 측정 시간과 샘플링 조건
• 전체 레벨이 대역 레벨의 에너지 합과 일관되는지

측정값보다 먼저 측정 체인을 점검한다

현장에서 소음계 숫자가 안정적으로 보인다고 측정이 유효한 것은 아니다. 다음 순서로 확인한다.

1. 측정 목적: 작업 노출, 제품 비교, 고장음 탐색 중 무엇인지 정한다.
2. 지표: 요구되는 LAeq,T, LAFmax, LCpeak와 octave 대역을 정한다.
3. 위치: 마이크 높이, 소음원과 거리, 반사면과의 거리를 기록한다.
4. 마이크 조건: 올바른 음장형 카트리지, 방향, windscreen을 사용한다.
5. 교정: 측정 전후 acoustic calibrator로 감도 변화를 확인한다.
6. 환경: 바람, 온습도, 배경소음과 다른 소음원의 작동 상태를 기록한다.

dB(A)는 결과의 단위처럼 보이지만 실제로는 여러 선택이 압축된 표기다. 보고서에는 숫자뿐 아니라 가중, 시간 지표, 측정 시간, 위치와 운전 조건이 같이 있어야 같은 측정을 재현할 수 있다.