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소형 실내체육관의 음향성능 개선 Improvement of Acoustic Performance for Small-Scaled Gymnasium

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한 국 생 활 환 경 학 회 지제 16 권 제 2 호 2009년

소형 실내체육관의 음향성능 개선

박영지*·최 둘*·김재수*

*원광대학교 건축공학과

Improvement of Acoustic Performance for Small-Scaled Gymnasium

Yeong-Ji Park*, Dool Choi* and Jae-Soo Kim*

*Dept. of Architectural Engineering, Wonkwang University, Ik-San, Korea

Abstract : Although the college gymnasium was the space for students' education and athletic activity only, but in

accordance with development of the society, recently its utilization is gradually expanding as a cultural space for the

local citizens. However, since most of the old-aged gymnasium was constructed without consideration on the architec-

tural acoustic characteristic that enables to accept diversified purposes. In case of the subject gymnasium, as the finishing

materials of broad volume and strong reflectivity were used, a serious acoustic defects whereupon in order to control

the vibration state and raise up its clearness, it is urgent situation that optimizing method of the acoustic factor. On

such point of view, this study has small-scaled gymnasium where the acoustic defect is arising, and has grasped its

architectural acoustic characteristics, then on the basis of this, also compared · analyzed both acoustic characteristics

between the surveyed value of before-improvement and the predicted value of after-improvement using acoustic sim-

ulation. As a result, at after improvement comparing with before improvement, the purpose of the sports facility together

with its function as a multipurpose space with possibility of various public performances have been evaluated as suitable.

It is considered that such data could be utilized as the quite useful material for improvement the acoustic performance

of the similar gymnasium hereafter at its designing and constructing stage.

Key words : Gymnasium, Acoustic simulation, Acoustic characteristics

1. 서 론

대학의 실내체육관은 학생들의 교육 및 체육활동만

을 위한 공간이었으나 사회가 발전함에 따라 최근에는

지역시민의 문화공간으로 그 활용성이 점차 넓어지고

있다. 그러나 건립된 지 오래된 국내 대부분의 실내체

육관은 이러한 다양한 목적을 수용할 수 있는 건축음

향특성이 반영되지 않고 시공되어 많은 음향적 결함을

발생하고 있으며, 이에 대한 불만족 지적율이 지속적

으로 높아가고 있다. 연구대상 실내체육관의 경우 넓

은 체적과 반사성이 큰 마감 재료를 사용하여 울림과

반향, 명료성의 저하 등 심각한 음향적 결함이 발생하

여 체육활동 및 커뮤니티 공간으로서 활용하기에는 많

은 어려움이 있었으며, 따라서 리노베이션 계획단계에

서 울림현상을 제어하고 명료성을 높일 수 있도록 음

향적 요소를 최적화시킬 방법이 시급한 실정이다(주

덕훈 등, 2007).

본 연구에서는 음향적 결함이 발생하고 있는 소규모

실내체육관의 음향성능을 측정하여 건축음향특성을 파

악하였으며, 이를 토대로 음향시뮬레이션을 이용하여

예측치와 실측치의 신뢰성을 파악한 후, 실내 마감 재료

의 변경 및 천장에 현수 흡음판을 설치하여 음향성능을

개선하였다(김재수, 양만우, 2001). 본 연구의 결과를 바

탕으로 향후 소형 실내체육관 설계 시 음향성능을 향상

시킬 수 있는 기초자료를 제공하고자 한다.

2. 건축 음향 성능 측정

2.1. 연구대상 실내체육관의 개요

실내체육관의 건축음향특성을 파악하기 위하여 익

교신저자: 김재수 (우570-749) 전북 익산시 신용동 원광대학

교 공과대학 5224호 건축음향연구실

전화번호 : 063-850-6712E-mail : [email protected]

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산시 W대학에 위치한 실내체육관을 대상으로 음향특

성을 파악하였다. 대상 실내체육관의 제원, 마감재료

의 주파수별 흡음률(잔향실법을 이용하여 각 회사에

서 측정된 카달로그를 인용.) 및 실내모습은 다음

Table 1, 2 및 Fig. 1과 같다.

2.2. 음향성능 측정방법

측정시 실내체육관은 공석 상태였으며, 수음점의 위

치 및 개소는 대상 실내체육관의 현재 음향상태를 알

기 위함이 목적이므로 대상 실내체육관의 크기와 형태

를 고려하여 실의 중심을 기준으로 그리드(Grid)를 설

정해 일정한 간격으로 16개소의 수음점을 선정하였다.

무지향성 음원의 위치는 공연이 강단에서 1.5 m 높이

의 위치로 고정한 상태로 실시하였다. 대상 실내체육

관의 음원과 수음점 위치는 Fig. 2와 같다. 측정은 ISO

3382에 준하여 실시하였으며, 음원은 ISO에서 제안하

는 무지향성 스피커(DO12 : Omni-Directional Speaker)

를 사용하였으며, 측정용 음원은 MLS(Maximum-

Length Sequence) 음원을 사용하여 배경소음에 대한

영향을 어느 정도 배제할 수 있었다. 측정기기는 실내

음향측정을 위해 01 dB사의 Symphonie중에서 dBBATI

를 사용하였으며, SPL은 현장에서 DAT를 이용하여

녹음 후 B&K 사의 Pulse를 통해 분석하였다(한경연

등, 2005). 측정기기 구성 및 실제 측정모습 및 실험에

Table 1. Dimension of Subject Gymnasium

Classification Dimension Classification Dimension

Area Approx 1,929 m2 Length 52 m

Volume Approx 18,655 m3 Width 37 m

No. of Accommodation Approx 1,400 persons Temperature & Humidity 30oC, 60%

Table 2. Finishing Material of Subject Gymnasium, Before-Improvement

Location MaterialFrequency (Hz)

125 250 500 1k 2k 4k

Stage Aqueous Paint on Mortar (450 m2) 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.02

Seat Wood on Mortar (680 m2) 0.04 0.07 0.06 0.06 0.07 0.05

Floor Wooden Floor (1100 m2) 0.16 0.14 0.12 0.11 0.09 0.09

Wall Aqueous Paint on Mortar (1100 m2) 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.02

Ceiling Zinc Galvanized Steel Sheet1.2T (2000 m2) 0.29 0.26 0.13 0.08 0.07 0.16

Fig. 1. Feature of Subject Gymnasium.Fig. 2. Sound Source & Sound-Receiving Point Position

of the Subject Gymnasium.

Fig. 3. Composition & Measuring Feature of Measurement

Instrument.

Table 3. Frequency PWL

Sound

Source

Frequency(Hz)

125 250 500 1,000 2,000 4,000

PWL (dB) 113.4 114.35 106.14 101.45 102.99 96.82

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사용된 음원의 주파수별 파워레벨은 Fig. 3, Table 3과

같다.

2.3. 임펄스 응답

임펄스 응답은 시간에 따라 소리가 변화하는 합

(sum)이며, 공간이 갖는 음향적 특성을 나타낼 수 있는

모든 정보를 갖고 있어서 이 측정 결과로부터 RT, D50,

C80, RASTI 등과 같은 실내 음향평가지수와 에코

(Echo) 발생여부 및 건축음향특성을 판단할 수 있다

(김재수, 2008). 대상 실내체육관의 수음점에서 측정한

임펄스 응답은 Fig. 4와 같다.

Fig. 4를 보면 무지향성음원(DO12)을 사용했을 경

우 감쇠곡선은 직접음 도달 후 완만하게 감쇠하고 있

으며, 에코현상은 발생하지 않음을 알 수 있다.

3. 소형 실내체육관의 개선 전

음향성능 실측평가

Fig. 3의 방법으로 대상 실내체육관에서 측정한 임

펄스 응답을 분석한 각종 음향성능 평가 지수는 다음

과 같다.

3.1. 음압레벨(SPL, Sound Pressure Level)

음의 세기를 나타내는 음압레벨은 실의 형태와 내부

공간의 구성에 따라 음압레벨의 분포상태는 매우 중요

한 의미를 갖는다. 객석의 음압분포는 소리의 직접음

과 초기반사음 에너지의 양에 따라 결정된다. Fig. 5는

대상 실내체육관의 음압레벨 실측치를 좌석별로 비교

한 결과이다. 음압레벨의 평균은 66.8 dB로 나타났으

며, 표준편차의 경우 1.2 dB로 나타나 균일한 음압분

포를 보이고 있다. 또한 음원과 가까운 좌석에서는 높

은 음압레벨을 유지하지만 거리가 멀어질수록 거리감

쇠에 의해 점차 낮아지고 있는 것을 알 수 있다.

Fig. 4. Impulse Response of the Subject Gymnasium

Fig. 5. SPL(dB(A)) of the Subject Gymnasium by

Frequencies.

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3.2. 잔향시간(RT, Reverberation Time)

잔향시간은 울림의 양에 대한 가장 중요한 평가지수

이며 정상상태의 음이 60 dB 감쇠하는 데까지 소요되

는 시간으로 정의된다. Fig. 6은 대상 실내체육관의 잔

향시간 실측치를 좌석별로 비교한 결과이다. Fig. 6에

서 실내음향에서 가장 중요시되는 500 Hz의 잔향시간

분포형태를 살펴보면 좌석별 잔향시간 평균이 3.6초로

나타났으며, 표준편차는 0.2초로 나타났다. 이는 실내

체육관의 반사성이 강한 마감 재료로 인하여 모든 좌

석에서 잔향시간이 길게 나타난 것으로 사료된다. Fig.

7은 대상 실내체육관의 잔향시간과 문헌(Vern et al.,

1955; David, 1972)에서 제안된 최적 잔향시간을 비교

한 것이다.

대상 실내체육관의 체적이 약 18,655 m3이므로

500 Hz에서 최적잔향시간이 약 1.6초를 유지하는 것

이 적정하리라 사료된다. 그러나 본 체육관의 잔향시

간은 평균 3.6초로 나타나 체육활동 및 커뮤니티활동

장소로 활용하기에는 많은 어려움이 있을 것으로 사

료된다.

3.3. 음성명료도(D50, Definition)

회화의 명료도에 관한 지수중 강연을 대상으로 하는

D50은 음의 발생이 중지한 후 50 ms 이내의 직접음 및

초기반사음과 초기에너지의 비를 Definition 또는

Deutlichkeit라고 한다. Fig. 8은 대상 실내체육관의 음

성명료도 실측치를 좌석별로 비교한 결과이며, 인간의

귀에 가장 민감하게 잘들리고 실내에서 음향성능의 평

가기준이 되는 평균 500 Hz에서 D50은 평균 19.88%로

나타났고, 표준편차는 7.1%로 나타났다. 일반적인 다

목적 홀의 경우 강연에 적합한 D50은 55~60%가 적당

하나 대상 실내체육관은 긴 잔향시간으로 인해 음성명

료도가 떨어짐을 알 수 있다.

3.4. 음악명료도(C80, Clarity)

D50과 유사한 개념으로 음악에 대한 명료도지수

(Clarity Index)인 C80은 반사가 회화음에서 보다 덜 인

지되기 때문에 80 ms를 지연시간의 한계로 사용한다.

Fig. 9는 대상 실내체육관의 음악명료도 실측치를 좌

석별로 비교한 결과이다.

Fig. 9에서 음악명료도를 보면 500 Hz에서 −7~

−0.8 dB의 분포를 보였으며 평균은 −4.0 dB, 표준편차

는 1.5dB로 나타났다. 따라서 공연장의 C80평가를 위

한 최대치인 +6/−2 dB의 범위를 만족하지 못하며, 이

에 따라 대상 실내체육관의 경우 실내에서 음악 감상

시 풍부한 음량과 음색을 감상하기가 어려울 것으로

판단된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 적절한 잔향

Fig. 6. RT of the Subject Gymnasium by Frequencies.

Fig. 7. Optimal Reverberation Time Comparison of the

Subject Gymnasium.

Fig. 8. D50 by Frequencies of the Subject Gymnasium.

Fig. 9. C80 by Frequencies of the Subject Gymnasium.

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시간의 확보가 필요하며, 이를 위해 천장의 현수 흡음

판 설치 및 반사·흡음구간의 재배치가 필요할 것으로

사료된다.

3.5. 음성전달지수(RASTI)

실내공간에서 음성 신호음의 요해도를 떨어뜨리는

주된 요인을 원음의 왜곡 때문이라고 생각하여, 그러

한 왜곡의 정도를 측정함으로써 음성 전달성능을 객관

적으로 정량화 하고자 하는 것과 또한 실내에서 음성

의 전달에 따른 이해도(Speech Intelligibility)를 나타내

는 주관적 척도 간 음성전달지수이다. Fig. 10은 대상

실내체육관의 음성전달지수 실측치를 좌석별로 비교

한 결과이며, RASTI 평가기준은 Table 4와 같다.

Fig. 10을 보면 음성전달지수가 평균 38.8%로 나타

났고, 표준편차는 3.5%로 나타났다. 이는 Table 4

RASTI 평가기준에 의해 “잘 알아듣지 못한다”로 평가

되었다.

4. 음향시뮬레이션을 이용한

음향성능 예측평가

4.1. 음향 Simulation 개요

대상 실내체육관의 음압분포 및 음향인자들의 예측

분석은 음선추적법(Ray-tracing Method)과 허상법

(Image Model Metod)에 의한 3차원 컴퓨터 시뮬레이

션을 이용하였으며, 사용프로그램은 Odeon ver.4.21

(Naylor et al., User manual)이다. 음원의 위치는 실측

과 동일한 조건으로 연단에서 1.2 m 높이에 위치해 있

으며, 무지향성 음원(Omni Directional Source)을 사용

하였다. 음향 시뮬레이션의 측정조건은 정확한 DATA

를 위해 Impulse Response 길이를 20,000 ms로

Smooth late decay는 OFF Smoothing late ratios는 ON

으로 설정하였다. 그 외 온도나 습도는 현장 측정치와

동일하게 하였고, Transition Order는 3으로 설정하였

다. 대상 실내체육관의 설계도면을 토대로 Computer

Similation을 수행하기 위한 3차원 모델링 작업은 Fig.

11과 같으며, 음원과 수음점의 위치는 Fig. 12와 같다.

본 연구에서는 실내체육관의 음압분포 특성을 보다

정확하게 파악하고, 음향결함 등 문제점 검토를 통한

음향개선을 위해 음선추적법(Raytracing Method)을 사

Table 4. RASTI Evaluation Standard

RASTI (%) Evaluation Scale

0~32 Bad (Unable to catch word.)

32~45 Poor (Unable to understand well.)

45~60 Fair (Understandable if Listen carefully.)

60~75 Good (Hearing well.)

75~100 Excellent (Able to hear Very Well.)

Fig. 10. RASTI of the Subject Gymnasium.

Fig. 11. 3-Dimensional Modelling using AutoCAD.

Fig. 12. Sound Source & Sound-Receiving Point Position

of the Subject Gymnasium.

Fig. 13. Ray-Tracing Method through Simulation.

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Fig. 14. Comparison on Room Acoustics Characteristics of the Subject Gymnasium.

Table 5. Examination Result on Confidence using

Chronbach's Alpha Coefficient

Valuation Parameter N of Items Chronbach's α

SPL

16

0.998

RT 0.865

D50 0.796

C80 0.754

RASTI 0.797

용하였다. 이 방법은 설계상의 도면을 이용하여 실내

디자인변수와 마감재료의 변화에 따라 음이 어떻게 반

사되어 가는지를 쉽게 알 수 있어 음향설계 시 많이 사

용되는 방법이다. 대상 실내체육관의 시뮬레이션을 통

한 음선추적법(Raytracing Method)은 Fig. 13과 같다.

4.2. 음향 시뮬레이션을 이용한 실측치와 예측치의

신뢰성 검토

현장측정 통한 데이터의 실측치와 음향시뮬레이션

에 의한 예측치의 실내음향특성 비교 및 크론바하 알

파(Chronbach's α) 계수를 이용한 신뢰성 검토결과는

Fig. 14, Table 5와 같다.

Table 5는 Fig. 14를 바탕으로 크론바하 알파(Chron-

bach's α) 계수를 이용한 신뢰성 검토결과이다. 일반적

으로 크론바하 알파값이 0.7이상 경우에 신뢰도가 높

은 것으로 평가되며, Table 5를 보면 모든 평가파라메

터에서 크론바하 알파값이 최소 0.754로 나타나 대부

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한국생활환경학회지

분의 평가 파라메터의 실측치와 예측치의 차이가 크지

않아 시뮬레이션을 통한 결과는 매우 신뢰할 수 있을

것으로 사료된다.

4.3. 음향성능 개선 후 음향성능 평가

4.3.1. 대상 실내체육관의 현수 흡음판 설치 및 마감

재료의 변경

(1) 현수 흡음판 설치

대상 실내체육관은 바닥 플로링이나 2층 객석부 및

벽체의 마감재료의 개선만으로는 3.6초의 높은 잔향시

간을 1.6초의 최적 잔향시간으로 줄이기에는 한계가

있으며, 이에 따라 최근 많이 사용되고 있는 실내체육

관 천장에 현수 흡음판을 설치하는 방식을 이용하여

흡음면적을 크게하였으며, 적정잔향시간을 확보할 수

있도록 개선을 실시하였다. 설계에 적용된 현수 흡음

판은 Fig. 15와 같으며, 현수 흡음판의 재료로는 글라

스울 100T를 사용하였다. 글라스울 100T의 1개 판의

크기는 4 m×3 m이며, 개선 후 실내체육관의 천정에

총 48개의 현수 흡음판을 설치하였다. 이렇게 설치된

현수 흡음판의 총 흡음면적은 1152 m2이다.

(2) 마감재료의 변경

음향설계를 통하여 변경되어진 마감 재료의 종류와

흡음률(잔향실법을 이용하여 각 회사에서 측정된 카

달로그를 인용.)은 Table 6과 같다.

실측치와 개선 전 예측치의 신뢰성이 검증되었으므

로 개선 후 음향성능의 개선정도를 시뮬레이션 프로그

램으로 분석해 보면 다음과 같다.

4.3.2. 개선 후 음향성능 평가

(1) 음압레벨(SPL)

시뮬레이션을 통한 개선 전·후 음압레벨은 Fig. 16

과 같다. 개선 후의 평균 음압레벨은 57.1 dB(A)로 개

선 전 평균인 66.8 dB(A)에 비해 낮아졌는데 이는 잔

향시간을 줄이기 위해 설치한 현수 흡음판과 흡음성능

이 높은 마감 재료로 인해 잔향시간이 줄었기 때문인

것으로 사료된다.

(2) 잔향시간(RT)

시뮬레이션을 통한 개선 후 주파수별 잔향시간을 보

면 Fig. 17과 같다. 개선 후의 500 Hz 평균 잔향시간은

1.6초로 개선 전의 3.6초보다 낮아진 것을 확인할 수

있다. 이것은 현수 흡음판의 설치로 인해 음에너지의

반사가 억제되고 울림현상이 최소화 된 것으로 판단되

며, 이로 인하여 음악의 명료성 및 대화를 통한 의사전

Table 6. Finishing Material of Subject Gymnasium, After-Improvement

Location MaterialFrequency (Hz)

125 250 500 1k 2k 4k

Stage Aqueous Paint on Mortar (450 m2) 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.02

Seat Plaster on Concrete (680 m2) 0.12 0.09 0.07 0.05 0.05 0.04

Floor Wooden Floor (1100 m2) 0.16 0.14 0.12 0.11 0.09 0.09

Wall WALL SKY VIVA 50 mm (1100 m2) 0.2 0.48 0.76 0.93 0.95 1.0

CeilingCELLING TEPLON 3 mm (2000 m2) 0.18 0.23 0.25 0.3 0.45 0.47

Glass-Wool 100T (S.A.P) 0.6 0.95 0.95 0.85 0.8 0.9

*S.A.P(sound-absorbing panal, 흡음판)

Fig. 15. Sound-Absorption Plate Feature applied to

Gymnasium.

Fig. 16. Comparison on SPL (dB(A)), Before-Improvement

& After-Improvement.

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소형 실내체육관의 음향성능 개선 201

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달 등에 무리가 없을 것으로 사료된다.

(3) 음성명료도(D50)

시뮬레이션을 통한 개선 후 주파수별 음성명료도는

Fig. 18과 같으며, 대상 실내체육관의 500 Hz에서 개선

후 D50의 분포가 53%로 개선 전의 19.1%로 보다 매우

높아진 것을 알 수 있다. 이는 울림의 발생이 줄어들어

명료도가 증가한 것으로 판단된다. 따라서 강연의 음

성명료도의 경우 적정 값이 55~60% 정도 나타나야 명

료하게 관객에게 음성이 전달될 것으로 사료된다.

(4) 음악명료도(C80)

시뮬레이션을 통한 개선 후 주파수별 음악명료도는

Fig. 19와 같으며, 500 Hz를 기준으로 개선 후의 음악

명료도의 값이 +5.9/−1.9 dB로 공연장에서 C80평가를

위한 최대치인 +6/−2 dB를 만족하여 음악을 명료하게

감상할 수 있을 것으로 사료된다.

(5) 음성전달지수(RASTI)

시뮬레이션을 통한 개선 전·후 음성전달지수는 Fig.

20이다. 음성전달지수는 대체적으로 음원에서 가까운

곳이 높으며, 음원에서 멀어질수록 값이 낮아진다. 개

선 전 음성전달지수가 평균 40%에서 개선 후 60%로

많이 개선된 것을 알 수 있으며, Table 4의 RASTI 평

가기준표에 넣어본 결과 “Good(잘 들린다.)”로 평가됨

을 알 수 있다.

5. 결 론

본 연구는 음향적 결함이 발생하고 있는 소형 실내

체육관의 음향성능을 측정하여 건축 음향적 특성을

파악하였으며, 이를 토대로 개선 전의 실측치와 컴퓨

터 시뮬레이션을 이용한 개선 후 예측치의 음향특성

을 비교분석하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 다음

과 같다.

1. 현상태의 소형 실내체육관의 음향특성을 측정한

결과 반사성 마감 재료로 인한 울림현상으로 500 Hz

에서 RT는 평균 3.6초, D50은 평균 19.8%, C80은 −7~

−0.8 dB, RASTI는 평균 30.8%로 나타났다. 따라서 이

러한 음향특성을 갖는 실내체육관은 체육활동 및 지역

사회의 커뮤니티 공간으로서 활용하기에는 많은 음향

적 결함이 발생하므로 리노베이션시 이러한 음향적 결

함을 최소화할 수 있는 방안이 강구되어야 할 것으로

판단되었다.

2. 실측치와 예측치를 크론바하 알파 계수를 이용하

여 신뢰성을 검토해 본 결과 모든 평가파라메터에서

최소 0.754로 나타났다. 따라서 대부분의 평가파라메

터의 실측치와 예측치의 차이는 거의 없다고 판단되며,

시뮬레이션을 통한 결과는 매우 신뢰할 수 있을 것으

로 사료된다.

3. 음향 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 음향성능

Fig. 17. RT by Frequencies, After-Improvement.

Fig. 18. D50 by Frequencies, After-Improvement.

Fig. 19. C80 by Frequencies, After-Improvement.

Fig. 20. Comparison on RASTI, Before-Improvement &

After-Improvement.

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202 박영지·최 둘·김재수

한국생활환경학회지

을 개선한 실내체육관의 음향성능을 평가해본 결과

RT는 평균 1.6초, D50은 평균 53%, C80은 평균 2.1 dB,

RASTI는 60%로 나타나 개선 전에 비해 물리적 음향

평가지수가 만족할만하게 개선되었다. 이에 따라 실내

체육관과 같이 음향성능 결함이 발생하는 대형공간의

경우 설계단계에서 음향시뮬레이션 프로그램을 이용

한 구체적인 음향성능의 개선정도를 정확히 파악할 필

요가 있다.

위와 같은 연구결과는 향후 이와 유사한 실내체육관

의 건립 시 설계 단계에서부터 음향적 문제를 예측·제

어하여 시공비 절감효과 및 음향성능을 향상시킬 수

있는 유용한 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

후 기

이 논문은 2009년 원광대학교 교비 지원에 의해서

수행되었습니다.

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투 고 일: 2009. 3. 16

수정접수일: 2009. 4. 22

게재승인일: 2009. 4. 24