공동주택은 우리나라 주택의 78.3 %를 차지하며, 층간소음 민원은 지속적으로 증가하고 있다. 층간소음은 어노이언스, 수면 장애 등 건강에 부정적인 영향을 미친다. 공동주택 거주자를 층간소음으로부터 보호하기 위해서 정책적으로 건물의 차음성능을 규제하고 있으며, 이를 향상하기 위한 기술개발이 연구되고 있다. 그러나 층간소음 민원을 저감하기 위해서는 건물의 차음성능 향상과 동시에 거주자가 노출되는 층간소음과 이에 따른 주관적 반응이 모니터링 되어야 한다.
한국환경공단에서는 공동주택에서 층간소음을 측정하는 업무를 수행하고 있다. 그러나 측정한 결과는 주로 층간소음의 법적인 기준 초과 여부를 판단하는데 활용되고 있으며, 민원 신청 후 측정까지 평균 2개월 정도의 대기 시간이 소요되는 것으로 나타나 민원 초기 단계에서 중재를 위한 근거 자료로 활용되기는 어려운 것으로 나타났다. 또한 측정 데이터의 분석 과정에서도 사람이 녹음된 소리를 듣고 소음원을 판단하고 있어 업무의 효율성과 객관성 향상이 필요하다.
본 연구에서는 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 활용하여 층간소음을 정량적으로 분석하는 방법론을 제안하였다. 특히 민원의 원인으로 지적되고 있는 사람의 보행으로 인한 발걸음 소리를 대상으로 하였으며, 오디오와 진동 신호로 소리의 종류, 레벨, 주파수 특성 등과 같은 물리적인 데이터를 수집하여 민원 발생시 중재를 위한 객관적인 근거자료를 마련하고자 하였다. 소음계와 같은 마이크로폰으로 수집한 오디오 신호를 분석할 경우 공실 조건에서 신뢰성 있는 측정 데이터를 얻을 수 있다. 그러나 측정공간에 재실자가 있거나, 배경소음이 발생할 경우 측정 결과에 영향을 미친다. 이에 반해 구조체에 전달되는 진동 신호로 발걸음 소리의 레벨 예측한다면 재실 상태에서도 발생하는 소리의 모니터링이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구는 공동주택에서 발생하는 층간소음 분류를 위한 오디오 데이터셋(audio dataset)을 구축하였다. 실제 공동주택 민원 세대에서 녹음한 소리를 바탕으로 민원 자료와 녹음된 소리의 소음원별 빈도를 고려하여 소음원을 선정하였으며, 발걸음 소리, 가구 끄는 소리, 청소기 소리 등을 포함하는 층간소음 오디오 데이터 셋을 구축하여 온라인에 공개하였다. 소리의 특징은 MFCC(Mel Frequency Cepstral Coefficients)로 나타내었으며, CNN 모델로 발걸음 소리를 분류하기 위한 가장 적합한 MFCC 특징(feature), 분류 모델, 데이터 증강(augmentation) 등을 실험하였다. 그 결과 발걸음 소리의 분류 성능(F1 점수)은 0.884로 나타났으며, 자동 소리 분류 모델을 활용하여 사람이 걷거나 뛰는 동작으로 발생하는 직접충격 소음의 법적인 기준 초과 여부를 자동으로 판단하는 알고리즘을 제안하였다.
진동 신호로 발걸음 소리를 평가하기 위하여 진동 특징은 STFT(Short-Time Fourier Transform)로 나타내었으며, 주파수 대역별 음압 레벨과 등가소음을 예측하였다. 예측에 적합한 STFT 특징과 진동 센서 위치를 도출하였으며, 등가소음레벨 예측시 평균 0.99 dB(A)의 오차를 갖는 모델을 구현하였다. 이는 진동 가속도로 예측한 결과(평균 오차 2.28 dB(A)) 보다 높은 성능이다. 이러한 연구는 층간소음 중재를 위한 근거 자료로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 향후 진동 모니터링을 통해 과도한 소음이 예상될 경우 발생 세대에 이를 알려 민원을 예방하는 서비스에 활용할 수 있다.
발걸음으로 인해 발생하는 소리의 MFCC와 구조체에 전달되는 진동신호를 STFT로 나타내었을 때 분류 또는 예측에 적합한 특징은 유사하게 나타났다. FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 위한 프레임(frame)의 길이는 약 100 ms, 프레임 간 간격은 약 20 ms로 나타나 사람의 보행으로 인한 발걸음을 대표(representative)하는 특징을 도출하였다.
향후 다양한 주거 환경에서 수집한 오디오 데이터 확보를 통해 성능 향상을 도모하고, 거주자의 주관적 반응과 잘 대응되는 평가 지표와 이를 예측하기 위한 모델 연구가 필요하다. 이와 더불어 바닥충격음 사후확인제도가 도입되면서 신규 공동주택의 바닥충격음 차단성능을 파악할 수 있을 것으로 보인다. 향후에는 주택의 바닥충격음 차단 성능과 실생활 층간소음 노출 간의 관계를 규명하여 거주자 중심의 주거 환경 조성이 필요한 것으로 판단된다.