항공기 소음

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1. 개요
2. 항공기 소음 발생 원인
3. 항공기 소음의 영향
- 3.1. 건강 영향
- 3.2. 인지 능력 영향
4. 항공기 소음 저감 대책
- 4.1. 기술적 대책
- 4.2. 정책적 대책
5. 대한민국의 항공기 소음 문제 및 대응
참조

1. 개요

항공기 소음은 항공기 및 관련 구성 요소에서 발생하는 소음 공해로, 엔진, 공기역학적 요인, 항공기 시스템 등 다양한 원인에 의해 발생한다. 이러한 소음은 청력 손실, 심혈관 질환, 수면 장애 등 건강에 악영향을 미칠 수 있으며, 인지 능력 저하도 유발할 수 있다. 항공기 소음을 줄이기 위해 기술적 대책(저소음 엔진 개발 등)과 정책적 대책(소음 기준 규제 등)이 시행되고 있으며, 야간 비행 제한과 같은 조치도 이루어지고 있다.

2. 항공기 소음 발생 원인

항공기 소음은 항공기 또는 그 구성 요소에서 발생하는 소음 공해로, 항공기가 이동하는 모든 과정에서 발생한다. 여기에는 보조 동력 장치와 같이 주차된 상태, 택싱 중, 프로펠러 및 제트 배기 작동 시, 이륙 및 착륙, 비행 중 등이 포함된다. 제트 엔진 또는 프로펠러를 포함한 움직이는 항공기는 공기를 압축하고 희박하게 하여 공기 분자의 운동을 생성한다. 이 움직임은 압력파로 공기를 통해 전파된다. 이러한 압력파가 충분히 강하고 가청 주파수 스펙트럼 내에 있으면 청각 감각, 즉 소리가 발생한다. 항공기 유형에 따라 소음 수준과 주파수는 달라진다.

항공기 소음은 크게 세 가지 원인으로 발생한다.

엔진 및 기타 기계적 소음
공기역학적 소음
항공기 시스템 소음

2. 1. 엔진 및 기타 기계적 소음

엔진 소음은 항공기 소음의 주요 원인 중 하나이다.^[4] 제트 엔진의 경우, 연소 과정과 터빈, 팬 등의 회전 부품에서 소음이 발생하며, 특히 엔진 부품 중 팬 블레이드가 초음속에 도달할 때 발생하는 소음이 가장 크다. 프로펠러 항공기는 프로펠러 회전으로 인해 소음이 발생한다. 헬리콥터는 메인 로터와 테일 로터의 회전, 그리고 메인 기어박스 및 다양한 변속 체인에서 발생하는 기계적 소음이 주요 소음원이다. 이러한 기계적 소음은 회전 속도 및 움직이는 부품의 움직임과 관련하여 좁은 대역에서 높은 강도의 피크를 생성한다. 컴퓨터 모델링 관점에서, 움직이는 항공기에서 발생하는 소음은 선형 소스로 취급될 수 있다.

제트 엔진은 이륙 및 상승 중 항공기 소음의 많은 부분을 차지하며, 팬 블레이드 끝이 초음속에 도달할 때 발생하는 ''버즈소 소음''과 같은 소음이 발생한다. 높은 바이패스비의 터보팬 엔진도 상당한 팬 소음을 발생시킨다. 엔진 뒤쪽에서 나오는 고속 제트는 전단층 불안정성을 가지며 링 와류로 말리고, 이는 나중에 난류로 분해된다. 엔진 소음과 관련된 음압 레벨(SPL, Sound Pressure Level)은 제트 속도에 비례하여 증가하므로, 배기 속도를 약간만 줄여도 제트 소음을 크게 줄일 수 있다.

기어드 프랫 & 휘트니 PW1000G는 봄바디어 C시리즈, 미쓰비시 MRJ 및 엠브라에르 E-제트 E2 크로스오버 협동체 항공기의 소음 수준을 줄이는 데 도움이 되었다. 기어박스는 팬이 LP 터빈 속도의 3분의 1인 최적의 속도로 회전할 수 있도록 하여 팬 팁 속도를 낮추며, 현재의 동급 기종보다 소음 면적이 75% 더 작다.^[4] 수호이 슈퍼제트 100의 파워제트 SaM146은 3D 공기역학적 팬 블레이드와 소음을 줄이기 위한 긴 혼합 덕트 유동 노즐이 있는 나셀을 특징으로 한다.^[4]

2. 2. 공기역학적 소음

공기역학적 소음은 항공기 동체 및 조종면 주변의 기류로 인해 발생한다. 이러한 유형의 소음은 항공기 속도가 증가함에 따라, 그리고 낮은 고도에서 공기 밀도가 높아짐에 따라 증가한다. 제트 추진 항공기는 공력에서 발생하는 강렬한 소음을 낸다. 저고도로 비행하는 고속 군용 항공기는 특히 큰 공력 소음을 발생시킨다.^[5]

항공기 앞부분, 앞 유리 또는 캐노피의 형태는 발생하는 소리에 영향을 미친다. 프로펠러 항공기 소음의 대부분은 블레이드 주변의 공기 흐름으로 인해 발생하며, 이는 공력 기원에서 비롯된다. 헬리콥터의 메인 로터 및 테일 로터 또한 공력 소음을 발생시킨다. 이러한 유형의 공력 소음은 주로 로터 속도에 의해 결정되는 저주파수이다.^[5]

일반적으로 소음은 날개나 착륙 장치와 같이 항공기의 물체를 통과하는 흐름이 발생할 때 생성된다. 기체 소음은 크게 두 가지 주요 유형으로 나뉜다.^[5]

둔체 소음: 둔체의 양쪽에서 번갈아 발생하는 와류(소용돌이)가 와류 중심에서 저압 영역을 생성하여 압력파(또는 소리)로 나타난다. 둔체 주변의 분리된 흐름은 매우 불안정하며, 흐름은 고리 와류로 "말려 들어가" 나중에 난류로 붕괴된다.^[5]
가장자리 소음: 난류가 물체의 끝이나 구조물의 틈새(높은 양력 장치 간극)를 통과할 때, 관련된 압력 변동이 물체의 가장자리(방사형 아래로)에서 전파되면서 소리로 들린다.^[5]

2. 3. 항공기 시스템 소음

조종실 및 객실 가압 및 조절 시스템은 민간 및 군용 항공기 모두에서 객실 내 주요 소음 발생원인 경우가 많다. 그러나 엔진 외에 상업용 제트 항공기 객실 소음의 가장 중요한 원인 중 하나는 보조 동력 장치(APU)이다. APU는 항공기의 주 엔진을 시동하고, 일반적으로 압축 공기를 사용하여 항공기가 지상에 있는 동안 전력을 공급하는 데 사용되는 기내 발전기이다. 일부 군용 항공기의 특수 전자 장비와 같은 다른 내부 항공기 시스템도 소음에 기여할 수 있다.

3. 항공기 소음의 영향

항공기 엔진은 소음의 주요 원인이며, 이륙 시에는 140데시벨(dB)을 초과할 수 있다. 비행 중에는 엔진과 동체 상의 고속 난류가 주요 소음원이다.^[6]

항공기 소음은 항공기 내부의 승무원과 승객에게도 영향을 미친다. 1998년에는 64명의 상업 항공기 조종사를 대상으로 청력 손실 및 이명에 대한 설문 조사가 실시되었다.^[16] 1999년 NIOSH는 여러 소음 조사를 실시하고 건강 위험 평가를 수행하여 권장 소음 노출 제한치인 85 A-가중 데시벨을 8시간 TWA로 초과하는 소음 수준을 발견했다.^[17] 2006년에는 순항 중인 에어버스 A321 내부의 소음 수준이 약 78 dB(A)로 보고되었으며, 항공기 엔진이 최소 추력을 생성하는 택싱 중에는 객실 소음 수준이 65 dB(A)로 기록되었다.^[18] 2008년, 스웨덴 항공 객실 승무원에 대한 연구에서 평균 소음 수준이 78~84 dB(A) 사이였으며 최대 A-가중 노출은 114 dB였지만, 주요 청력 역치 변화는 발견되지 않았다.^[19] 2018년에는 6개 항공기 그룹을 대표하는 200편의 비행에서 측정된 소음 수준에 대한 연구에서 평균 소음 수준이 83.5 db(A)였으며 특정 비행에서는 110 dB(A)에 달했지만, NIOSH 권장 8시간 TWA 85 dB(A)를 초과한 것은 4.5%에 불과했다.^[20]

3. 1. 건강 영향

높은 소음 수준은 건강에 악영향을 미친다. 직장 등에서 높은 소음에 지속적으로 노출되면 청력 손실, 고혈압, 허혈성 심장 질환, 불쾌감, 수면 장애를 유발하고 학업 수행 능력을 저하시킬 수 있다.^[7] 일부 청력 손실은 나이가 들면서 자연스럽게 발생하지만,^[8] 많은 선진국에서는 소음으로 인해 평생 동안 청력이 손상될 수 있다.^[9]^[10] 높은 소음 수준은 스트레스를 유발하고, 직장 사고율을 증가시키며, 공격성과 기타 반사회적 행동을 유발할 수 있다.^[11] 공항 소음은 고혈압과 관련이 있다.^[12] 항공기 소음은 심장 마비 위험을 증가시킨다.^[13]

2000년대 후반, 독일 환경청인 연방 환경청(Umweltbundesamt)의 베른하르트 그라이저(Bernhard Greiser)는 항공기 소음이 건강에 미치는 영향에 대한 대규모 통계 분석을 수행했다. 쾰른 공항 주변 100만 명 이상의 주민의 건강 데이터를 분석하여 항공기 소음과 관련된 건강 영향을 조사했다. 그런 다음, 데이터 왜곡을 줄이기 위해 주거 지역의 다른 소음 영향과 사회 경제적 요인을 보정했다.^[14]

독일 연구는 항공기 소음이 건강에 명확하고 유의미한 영향을 미친다고 결론 내렸다.^[14] 예를 들어, 주간 평균 소음 수준이 60 데시벨일 때 남성의 관상 동맥 심장 질환은 61%, 여성은 80% 증가했다. 또 다른 지표로, 야간 평균 소음 수준이 55 데시벨일 때 남성의 심장 마비 위험은 66%, 여성은 139% 증가했다. 그러나 통계적으로 유의미한 건강 영향은 평균 소음 수준이 40 데시벨부터 시작되었다.^[14]

3. 2. 인지 능력 영향

65dB(A)의 시뮬레이션된 항공기 소음은 기억력과 청각 정보 회상 능력에 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.^[21] 항공기 소음이 인지 능력에 미치는 영향과 알코올이 미치는 영향을 비교한 연구에 따르면, 65dB(A)의 시뮬레이션된 항공기 소음은 혈중 알코올 농도(BAC) 0.10% 상태에서 음주한 것과 같은 수준으로 청각 정보 회상 능력을 저하시킨다.^[22] 혈중 알코올 농도 0.10%는 오스트레일리아 등 많은 선진국에서 자동차 운전 시 법적 허용치의 두 배에 해당한다.

4. 항공기 소음 저감 대책

1960년대 후반 미국에서 항공기 소음이 사회적 문제로 대두된 이후, 정부는 항공기 설계자, 제조업체, 운영자에게 더 조용한 항공기와 운항 절차를 개발하도록 하는 입법적 통제를 시행해왔다.

1980년대에 미국 의회는 FAA에 공항 근처 주택의 단열 프로그램을 고안하도록 권한을 부여했다. 이는 외부 소음 문제를 해결하지는 않지만, 주거 공간 내부에는 효과가 있었다. 이 기술이 처음 적용된 공항 중 일부는 캘리포니아주 샌프란시스코 국제공항과 산호세 국제공항이었다. 컴퓨터 모델을 사용하여 항공기 유형, 비행 패턴 및 지역 기상학의 변동을 고려하여 건물 개조 전략의 이점을 평가하였다. 건물 개조에는 지붕 개량, 창문 유리창 개선, 벽난로 배플 설치, 코킹 구조 이음새 등이 포함된다.^[24]

4. 1. 기술적 대책

현대식 고바이패스 터보팬 엔진은 1960년대의 터보제트 및 저바이패스 터보팬보다 훨씬 조용하다. FAA(미국 연방 항공청) 항공기 인증은 "Stage 3" 항공기로 분류되는 소음 감소를 달성했으며, 이후 "Stage 4" 소음 인증으로 업그레이드되어 더 조용한 항공기를 만들었다.^[23] 최신 엔진에서는 소음 감소 셰브론이 엔진 소음을 더욱 줄여준다.^[31]

항공기 엔진이 날개 아래에 위치하는 경우 소음 감소 능력이 제한될 수 있다. 미국 항공우주국(NASA)은 2026~2031년까지 4단계(Stage 4) 제한치보다 누적 20~30dB 감소를 예상하지만, 공항 경계 내에서 항공기 소음을 유지하려면 최소 40~50dB 감소가 필요하다.^[32] NASA는 날개 위 및 동체 중앙에 위치한 엔진 덮개(nacelle)가 혼합익기의 경우 30~40dB, 심지어 40~50dB까지 소음을 줄일 수 있다는 것을 발견했다.^[32]

4. 2. 정책적 대책

미국 연방 항공국(FAA)은 민간 항공기가 낼 수 있는 최대 소음 수준을 규제하고, 항공기가 특정 소음 인증 기준을 충족하도록 요구한다. 이 기준은 "단계" 지정을 통해 최대 소음 수준 요구 사항의 변경을 지정한다. 미국의 소음 기준은 연방 규정집(CFR) 14장 36부 – 소음 기준: 항공기 유형 및 감항성 인증(14 CFR Part 36)에 정의되어 있다.^[15] FAA는 최대 주야간 평균 소음 수준이 65dB인 경우 주거 지역과 양립할 수 없다고 밝히고 있다.^[15] 영향을 받는 지역의 지역 사회는 방음과 같은 완화 조치를 받을 수 있다.

소음 단계는 미국 연방 규정집(CFR) 14조 36항에 정의되어 있다.^[26] 민간 항공기의 경우, 미국 연방 항공국(FAA) 1단계가 가장 시끄럽고 4단계가 가장 조용하다.^[25] 3단계는 2000년부터 미국 민간 공항의 모든 대형 제트 및 터보프롭 항공기에 적용되었으며,^[26] 2015년 12월 31일까지 약 34019.40kg 미만의 최대 이륙 중량(MTOW) 제트기에는 최소 2단계가 적용되었다.^[25] 이전에는 대형 항공기의 경우 4단계로, 국제 민간 항공 기구(ICAO) 부록 16, 1권 4장 표준과 동일했으며, 더 엄격한 14장이 2014년 7월 14일에 발효되었고, 2016년 1월 14일부터 FAA에 의해 5단계로 채택되어, 2017년 12월 31일 또는 중량에 따라 2020년 12월 31일부터 새로운 형식 증명에 효력이 발생한다.^[26]

미국에서는 더 시끄러운 1단계와 조용한 2단계 헬리콥터를 모두 허용한다.^[25] 가장 조용한 3단계 헬리콥터 소음 기준은 2014년 5월 5일에 발효되었으며, ICAO 8장 및 11장과 일치한다.^[26]

ICAO 소음 기준^[27]
장	연도	3장 여유	유형^[28]
-------------	-------------	-------------	보잉 707, 더글러스 DC-8
2	1972	~+16 dB	보잉 727, 맥도넬 더글러스 DC-9
3	1978	기준선	보잉 737 클래식, MD-80
4 (4단계)	2006	−10 dB	에어버스 A320, 보잉 737NG, 보잉 767, 보잉 747-400
14 (5단계)	2017–2020	−17 dB	에어버스 A320neo, 에어버스 A330, 에어버스 A350, 에어버스 A380, 보잉 737 MAX, 보잉 757, 보잉 777, 보잉 787

런던의 히드로, 개트윅, 스탠스테드와 독일 프랑크푸르트 공항에서는 야간 소음 노출을 줄이기 위해 야간 비행 제한이 적용된다.^[29]^[30]

위성 항법 시스템의 사용은 소음 완화에 기여할 수 있으며, 2013~14년의 실험에서 이러한 결과가 나타났지만, 비행 경로가 집중되면서 항상 긍정적인 결과를 가져오지는 않았다. 비행 각도 및 비행 경로를 변경하면 일부 지역 주민에게 소음 완화에 일부 변화가 있었다.^[33]^[34]

5. 대한민국의 항공기 소음 문제 및 대응

대한민국은 항공 교통량 증가와 공항 주변 도시화로 인해 항공기 소음 문제가 심각하다. 김포국제공항, 김해국제공항 등 주요 공항 주변 지역 주민들은 지속적인 소음 피해를 호소하고 있으며, 특히 군 공항의 경우 전투기 소음으로 인한 피해가 크다.

참조

_[1] 논문 Effects of Aircraft Noise Exposure on Heart Rate during Sleep in the Population Living Near Airports 2019
_[2] 논문 WHO Environmental Noise Guidelines for the European Region: A Systematic Review on Environmental Noise and Effects on Sleep 2018
_[3] 논문 Aircraft Noise and Psychological Ill-Health: The Results of a Cross-Sectional Study in France 2018
_[4] 뉴스 How Crossover Jets Are Meeting The Noise Challenge http://aviationweek.[...] Aviation Week & Space Technology 2017-12-18
_[5] 웹사이트 Aircraft Airframe Noise—Research Overview http://www2.eng.cam.[...] 2008-07-13
_[6] 웹사이트 AIRCREW SAFETY & HEALTH https://www.cdc.gov/[...] 2017-05-09
_[7] 논문 Aviation Noise and Cardiovascular Health in the United States: a Review of the Evidence and Recommendations for Research Direction 2018-04-26
_[8] 논문 Presbycusis and noise-induced hearing loss
_[9] 뉴스 Aging nation faces growing hearing loss http://www.cbsnews.c[...] CBS News 2007-02-18
_[10] 간행물 Noise Pollution and Abatement Act of 1972 Senate Public Works Committee
_[11] 서적 The handbook of hearing and the effects of noise: physiology, psychology, and public health Academic Press
_[12] 뉴스 Analysis {{!}} Where noisy roads and airports take the biggest toll on our health and sanity https://www.washingt[...] 2017-05-20
_[13] 논문 Aircraft Noise, Air Pollution, and Mortality From Myocardial Infarction 2010-11
_[14] 뉴스 Tödlicher Lärm Spiegel (magazine) 2009-12-14
_[15] 웹사이트 Noise Monitoring http://www.massport.[...] Massport 2014-01-31
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_[18] 논문 In-cabin noise levels during commercial aircraft flights https://jcaa.caa-aca[...] 2006
_[19] 논문 Hearing status among cabin crew in a Swedish commercial airline company 2008-10-30
_[20] 논문 Assessment of noise in the airplane cabin environment 2018-03-15
_[21] 문서 Improving intelligibility at a safety critical point: In flight cabin safety Safety Science 2013
_[22] 문서 Using the effect of alcohol as a comparison to illustrate the detrimental effects of noise on performance Noise & Health 2013
_[23] 웹사이트 Stage 4 Aircraft Noise Standards http://rgl.faa.gov/R[...] Rgl.faa.gov 2012-09-28
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_[25] 웹사이트 Aircraft Noise Issues https://www.faa.gov/[...] FAA
_[26] 웹사이트 Details on FAA Noise Levels, Stages, and Phaseouts https://www.faa.gov/[...] FAA
_[27] 웹사이트 Reduction of Noise at Source https://www.icao.int[...] ICAO
_[28] 웹사이트 Airport Charges for Quieter Aircraft http://www2.westsuss[...] Gatwick Airport Community Group 2016-10-20
_[29] 웹사이트 Night flying restrictions at Heathrow, Gatwick and Stansted Airports http://www.dft.gov.u[...] 2006-06
_[30] 웹사이트 Night restrictions at Heathrow, Gatwick and Stansted (second stage consultation) http://www.dft.gov.u[...]
_[31] 논문 Evolution from 'Tabs' to 'Chevron Technology'–a Review http://www.afmc.org.[...]
_[32] 뉴스 Problems Aerospace Still Has To Solve http://aviationweek.[...] Aviation Week & Space Technology 2016-05-06
_[33] 웹사이트 Modernising UK airspace http://www.heathrow.[...] heathrow.com 2015-09-24
_[34] 웹사이트 Westerly And Easterly Departure Trials 2014 - Noise Analysis & Community Response https://www.heathrow[...] 2017-11-29

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