철도차량 소음의 발생원인

철도차량이 정차 중 일 때와 주행 중 일 때의 소음원은 매우 다르게 나타난다. 차량이 정차 중 일 때 동력차는 주로 엔진 및 냉각장치 소음, 공기압축기 구동소음 등 차량 운행을 위한 동력장치 구동에 필요한 기기들의 소음이 주를 이루며, 객차는 공기조화장치가 소음의 주를 이루고 있다. 차량이 운행 중 일 때에는 동력소음, 전동소음. 공력소음, 구조물소음, 집전계소음 등이 주행속도에 따라 다르게 기여도에 차이가 있다.

 

1. 전동소음(rolling noise)

차륜과 레일의 접촉에 의해 발생되는 소음은 차륜이 레일 위를 주행 시 차륜과 레일 표면의 불규칙한 표면거칠기에 의해서 가진력이 발생하여 차륜, 레일 및 침목 등에서 발생되는 진동이 소음으로 전파되는 특성을 가지고 있다. 따라서 차륜과 레일표면의 표면거칠기에 따라서 크게 두 가지로 분류할 수 있다.

차륜과 레일표면의 표면거칠기가 양호하고 결함이 없는 직선구간 통과 시 발생되는 소음과 차륜과 레일 표면의 심한 마모, 불규칙한 결함, 차륜과 레일의 파상마모 등에 의해서 발생되는 소음으로 구분할 수 있다.

 

2. 충격소음(impact noise)

철도차량이 주행할 때 발생하는 충격음은 레일의 조인트, 레일의 결함, 심한 마모 표면 및 분기점, 차륜의 평면화(flat) 등에 의해 차륜과 레일의 분리에 의해서 발생되는 특별한 소음이라고 할 수 있다. 레일의 연결부의 높이차에 따라 발생하는 충격소음은 스탭다운(step-down)에 비해서 스탭업(step-up)이 커다란 충격음을 발생하는 것으로 조사되었다. 가장 커다란 충격음은 차량이 분기기를 통과할 때 발생되는 소음으로 일반적인 전동소음에 비애 약 7~10㏈ 정도 높은 레벨을 나타내며, 레일 조인트보다 높은 충격음이 발생한다. 그러나 거리가 멀어질수록 전동소음과 같은 수준이 되거나 낮아지는 경향의 방사특성이 있다.

 

3. 마찰소음(squeal and howl noise)

마찰소음은 철도차량이 곡선구간을 주행할 때 차륜과 레일의 좌우방향 슬립에 의해서 발생되며, 크게 두 가지 형태로 구분된다. 차륜의 비선형 좌우 진동에 의해서 발생되는 스킬소음(squeal noise)과 좌우방향 크리프력에 의해서 차륜이 공진을 일으켜 발생되는 하울소음(howl noise)이 있다. 일반적으로 마찰소음은 스킬소음을 나타낸다. 두 형태의 소음은 발생형태가 약간 다르기 때문에 하울소음은 속도에 비례하여 증가하지만 스킬소음은 동일한 곡선구간에서 차량의 속도가 일정속도에 도달하면 감소하는 특성을 가지고 있다.

스킬소음의 발생원인은 ①진행방향 스틱슬립(stick-slip), ②차륜의 플랜지와 레일측변의 접촉, ③좌우방향 크리프에 의한 스틱슬립으로 크게 3가지 형태로 분류할 수 있으며, ②와 ③이 가장 일반적인 발생 원인이다.

곡선구간에서 발생되는 하울소음은 대략 210㎐ ~ 750㎐ 사이의 주파수 범위를 갖고 있으며 발생현상에 대한 이론적 근거는 아직 규명되어 있지 않고 스킬소음의 발생원인과 유사하게 음의 손실계수가 차량이 좌우방향 슬립에 의한 차륜의 좌우방향 모드와 관련이 있는 것으로 추정되고 있으며 레일의 파상마모가 있는 구간에서 하울소음이 발생하기 때문에 파상마모와 관련이 있는 것으로 조사되었다.

 

4. 동력소음(propulsion noise)

동력소음은 크게 모터휀 소음, 엔진소음 및 냉각장치 소음 등으로 분류된다. 그 가운데에서도 전기동차의 경우에는 모터휀 소음의 영향이 크며, 디젤기관차의 경우에는 엔진 소음의 영향이 크다.

모터 소음은 모터의 회전수에 의존하며 소음의 크기는 회전수의 6승에 비례한다. 따라서 소음파워는 열차속도와 기어비의 6승에 비례한다. 특히 기어비가 커다란 전기동차의 경우에는 모터휀의 소음이 현저하며 모터의 종류에 따라서 소음 크기의 차이도 크다. 디젤기관차의 경우에는 엔진으로부터 발생되는 소음은 가속주행 조건에 따라 현저하게 커다란 소음이 발생한다. 이 소음은 엔진에 따라 다르나 경우에 따라서는 전동소음보다 소음 레벨이 크다.

 

5. 공력소음(aerodynamic noise)

열차속도가 커지면서 전동소음이 증가하는 것이 사실이지만 차체 공력 소음의 증가폭이 훨씬 커서 결국은 고속으로 주행하는 전체 열차소음에서 공력소음의 기여가 지배적이다.

공력소음은 대체로 열차속도의 7승의 대수함수로 주어진다고 알려져 있다. 즉, 열차속도(V)가 어떤 특정 값 이상에서는 공력 소음이 전동소음을 압도하게 됨을 예상할 수 있다. 이 특정속도는 열차마다 다르지만 현재 운행 중인 열차의 경우 대체로 300㎞/h 내외인 것으로 알려져 있다. 공력 소음은 열차표면의 기하학적 불연속부위에서의 와류현상에 의해서 발생한다. 이러한 소음발생 메커니즘은 열차 표면의 돌출부에서 특히 강하게 작용하기 때문에 열차표면의 유선화가 공력소음 감소의 기본이라고 볼 수 있다.

이에 따라 열차하부의 주행장치 및 추진장치를 가능한 한 차체 내부로 이동시키고 집전계의 팬터그래프 공력형상설계 등으로 공력소음을 감소시키고 있다. 차륜과 레일의 접촉에 의한 전동소음과 달리 공력소음은 열차의 표면형태와 재질이 주어지면 이론적으로 상당히 정확하게 예측할 수 있다. 특히 전동소음을 무시할 수 있는 자기부상열차의 이론식을 적용하는 경우에 비교적 쉽게 실측치와의 비교가 가능하다.

공력소음은 열차의 고속화에 따른 마지막이 되고 고속철도의 속도증가 노력을 저해하는 한 근본원인이라고 인식되어 있다.

 

6. 구조물 소음

고속철도의 경우 고가나 콘크리트 구조물 위에서 운행되는 구간이 많다. 고가 등의 구조물소음은 전동소음과 마찬가지로 차륜과 레일간에 작용하는 가진력이 원인이 된다. 이 진동은 레일로부터 도상 혹은 슬라브를 경유하여 구조물에 전달되며 방음벽을 포함한 구조물의 외벽면이 음원이 되어 방사된다.

구조물소음은 속도의 1～2승에 따라 증가하고 125㎐ 이하의 저주파 성분이 지배적이다. 따라서 궤도의 각 부에 고무 매트를 이용하여 진동을 절연하는 방법에 의해 구조물소음을 저감하는 방법이 채용되고 있다. 또 500㎐ 이상의 고주파 영역에서는 전동소음 대책과 마찬가지로 레일 표면 연삭이 소음 저감에 유효하다. 현재로서는 구조물 소음의 전체 소음에 대한 기여는 비교적 작다고 여겨진다.

 

7. 집전계 소음

전기차량의 집전계 소음은 팬터그래프의 집전판이 전차선으로부터 떨어져 나가는 때 즉 이선시에 스파크음이 발생한다. 스파크음은 그것이 소멸할 때에 생기는 충격음으로 거의 5㎑까지 평탄한 스펙트럼을 보인다.

열차의 주행속도가 고속으로 되면 일반적으로 이선율이 증가하기 때문에 스파크음도 마찬가지로 증가하고 또 집전계 전류의 증가와 함께 크게 된다. 따라서 이선율을 저감하는 것이 중요하다. 그것을 위해 전차선의 파동 전파 속도를 높게 하는 방향으로 전차선･팬터그래프의 운동해석과 그것에 기초한 여러 가지 연구가 수행되었다. 또 전차선의 파상마찰도 이선율을 크게 하기 때문에 그 경감 대책도 스파크음의 저감에 효과가 있는 것으로 조사되었다.

 

철도차량의 소음원 분류