회전익항공기 소음특성 및 소음인증기준 소개 2.3 소음인증기준 및 유효지각 소음레벨 계산절차 2.3.1 소음인증기준 항공기 소음인증기준은

항공기의 외부소음은 점차 항공운송이 많아짐에 따라 사회적 문제로 대두되었으

며, 이에 따라 국제항공기구인 ICAO에서 국제법의 성격으로 항공기 소음을 규제하

게 되었고, 각 국가들도 항공기의 인증단계부터 운영단계까지 소음기준에 따라 항

공기의 소음수준을 법적으로 관리하고 있다.

최근 들어 우리나라도 회전익항공기 개발 및 민간항공기 인증사업과 더불어 소음인

증에 관한 연구가 필요하나 아직까지 이에 대한 연구 및 경험이 부족한 현실이다.

이에 회전익항공기의 소음특성과 민간항공기 인증기준을 분석한 결과와 지각소음

및 이에 대한 계산절차를 제시하고자 한다.

주제어 : 소음, 인증, 감항성, 항공운항, 형식증명, 회전익항공기

회전익항공기 소음특성 및 소음인증기준 소개

123

논문접수일： 2010. 11. 1 게재확정일：2010. 11. 26

회전익항공기 소음특성 및

소음인증기준 소개

최 주 원*, 강 철**한국항공우주연구원 선임연구원

【국문요약】

항공진흥 제55호

124

I. 개 요

항공교통의 증가와 함께 항공기 소

음문제가 사회문제로 대두되었으며, 이

로 인한 피해로 사회적비용이 점차 증

가함에 따라 각국에서는 항공기 소음을

법적으로 규제하게 되었다. 또한 국경

을 넘나드는 항공기의 특성상 국제항공

기구인 ICAO(International Civil

Aviation Organization)에서도 국제법의

성격으로 항공기의 소음을 규제하고 있

다.

현재 항공기의 소음은 항공기의 형식

설계 인증인 형식증명(Type Certificate)

의 과정에서 설정된 최대소음기준을 만

족하도록 요구되며, 운용과정에서도 개

별 항공기의 감항증명을 통해 승인된

소음 수준을 만족하도록 되어있다. 또

한 항공기가 소음에 영향을 미칠 수 있

는 개조가 발생 시 다시 소음인증기준

에 따라 소음수준을 만족하도록 하여,

항공기의 소음 수준을 항공기 수명주기

까지 관리하도록 제도화하고 있다.

현재 항공분야에서 국제적으로 사용

하고 있는 항공기 소음인증기준인 ICAO

Annex 16에서 요구하는 지각소음 계산

방법은 크게 A-weighting 방법과 EPNL

방법이 있으며, 모두 소음 주파수별 사

람의 청각기에 대한 민감도를 근거로

한 지각소음 값인 NOY 값을 기준으로

하고 있다. 소음인증기준의 계산방법

중 A-Weighting 방법은 소형 항공기를

대상으로 하고 있으며, 순음성분 및 소

음지속시간에 대한 고려가 없어 측정방

법 및 계산절차가 비교적 간단하다. 그

러나 우리 생활환경에 영향을 미치는

대부분의 헬기, 비행기 들은 보다 정교

하고 복잡한 지각소음레벨 계산방법인

유효지각소음레벨 (EPNL)의 적용 대상

이다. 이에 본 글에서는 소음인증기준

상의 유효지각소음레벨(EPNL)의 원리

와 계산법을 분석하고 소음특성이 상대

적으로 복잡한 회전익항공기의 소음특

성과 소음저감기술들을 제시한다.

Ⅱ. 회전익항공기의 소음특성

및 소음저감기술

2.1 회전익항공기의 소음특성 회전익 항공기의 소음은 기내소음과

외부소음으로 분류되며, 이중 외부소음

은 다시 환경소음으로 분류되어, 항공

기의 인증 시 소음인증기준 상의 제한

값 미만임을 입증하여야 항공기의 인증

및 운용이 가능하다. 또한 외부소음의

경우 사회적 비용뿐만 아니라, 군사용


125

<그림 1> 헬리콥터 소음 성분 [7]

<그림 2> 헬리콥터 소음 스펙트럼 [1]

항공기의 은익성에도 필수 요소로서,

그 중요성에 따른 관련 연구가 지속되

고 있다. 회전익 항공기의 주요 소음원

을 분석하면, 메인로터와 테일로터, 엔

진과 동력전달계통 등을 꼽을 수 있으며,

이러한 소음원들은 상호작용을 통하여

복잡한 소음특성을 나타낸다. 이중 엔진

과 동력전달계통의 소음은 Broadband

Noise가 특징으로, 기내소음의 주요 소

음원으로 작용하며, 외부소음의 주요

소음원은 <그림 1>과 같이 로터의 소

음으로서, 로터의 소음은 블레이드 회

전으로 인한 Harmonic Noise와 충격성

소음인 HSI(High Speed Impulse)와

BVI(Blade Vortex Interaction)가 그 특

징이다.

특히 로터소음의 경우, 상대적으로

회전수가 느리고 블레이드 개수가 작은


126

메인로터는 강한 저주파 성분의 소음을

나타내며, 블레이드 개수가 많고 고속

으로 회전하는 테일로터의 경우 상대적

으로 사람의 청각기에 예민한 주파수

대역의 소음을 발생하여, 더 시끄럽게

느껴지고 Noy 값을 근간으로 하는 소

음인증기준으로 계산 시 메인로터 보다

더 큰 지각소음 값을 나타낸다. <그림

2>는 헬리콥터 소음을 측정한 소음 스

펙트럼을 나타내며, <그림 2>의 R1은

메인로터의 Fundamental Noise이고, T1

은 테일로터의 Fundamental Noise이다.

실제 측정 소음 스펙트럼에서는 각

Fundamental Noise의 정수배로

Harmonic하게 Sideband Noise가 발생

하는 특징이 있다.

<그림 3> Noy Table - Equal Noisiness Contour [2]

<그림 3>은 소음인증기준의 근간인 Noy

Table로서, 많은 청각검사를 통하여 개

발된 등청감곡선을 기반으로 하고 있

다. <그림 2>의 로터 소음을 Noy Table

에 따라 계산하면, 메인로터의

Fundamental Noisiness는 2.5 Noy인데

반해, 테일로터의 Fundamental

Noisiness는 약 10 Noy로 4배가 큰 시

끄러움 정도를 나타낸다. 이에 테일로

터에서 발생하는 소음의 제어는 상당히

중요한 요소이다.

2.2 회전익항공기의 소음저감기술 회전익 항공기는 주로 저고도로 비

행하여, 군용항공기의 경우 외부소음으

로 인한 노출 및 피격의 가능성이 높아

지게 되며, 민간항공기의 경우 외부에

소음영향을 많이 미치게 된다. 또한 내

부소음의 경우에도 소음의 수준이 고정

익에 비해 상대적으로 높아 회전익항공

기의 소음저감을 위한 많은 연구들이

진행되고 있다.

지각소음에 큰 영향을 미치는 테일

로터 소음의 경우 아예 소음원인 테일

로터를 제거한 NOTAR 방식이 채용되

기도 하며, 조종성과 효율 등의 문제로

최근에는 기존 테일방식을 유지하데 소

음주파수를 높여 대기 중 흡수가 잘 되

도록 블레이드 수가 많은 Fenestron 방


127

NOTAR

MD 600N

Non-orthogonal type

AH-64

Ducted type

RAH-66

Fenestron

AS365

<그림 4> FAA 감항기술기준 체계

<그림 5> BVI Noise [8]

식을 사용하기도 한다. 또한 블레이드

간 간격을 등간격이 아닌 비등간격으로

하여 테일로터 발생 주파수를 광대역화

하여 최대레벨이 감소된 소음을 발생하

도록 하기도 한다.

고속 충격성소음인 HSI(High Speed

Impulse) 소음의 경우 소음저감을 위하

여 메인로터의 공력하중을 감소시키도

록 설계하거나 복합방식(Compound)으

로 설계하여, 고속에서 고정익이 양력

의 일부를 발생하거나 전진추력은 별도

의 프로펠러에서 발생하도록 하는 방식

과 블레이드 익단부를 후퇴익 또는 특

수형상으로 하여 전진익(Advancing

blade)의 상대속도를 낮춰 충격성소음을

감소시키는 기술들을 적용시키고 있다.

BVI(Blade Vortex Interaction) 소음의

경우 <그림 5>와 같이 블레이드 익단

에서 발생한 Vortex와 다음 블레이드가

상호작용을 하여 역시 강한 충격성 소


128

<그림 6> BVI 소음저감을 위한 블레이드 익단형상 및 ERATO 블레이드 형상 [7]

음을 발생한다. 이에 따라 그 강도는

항공기의 종류에 따라 속도와 하강율의

함수로 결정된다. 이를 감소시키기 위

하여 블레이드 익단에서 발생하는 강한

볼텍스를 최소화 시켜 소음을 감소시키

도록 블레이드 형상을 설계하거나, 설

계된 항공기에 대하여 BVI 소음이 최

소화되도록 운영절차를 개발한다.

<그림 6>의 좌측그림은 최근 연구중

인 BVI 소음저감을 위한 다양한 로터

블레이드 익단의 형상이며, 우측그림은

ONERA, DLR, Eurocopter의 공동연구로

개발된 Aroacoustic Rotor Optimization

Program(ERATO) 블레이드를 기반으로

한 블레이드로 BVI 발생 시의 Parallel

Collision을 Incidence Collision으로 발

생되도록 하여, BVI 소음을 저감하는

방법이다.

2.3 소음인증기준 및 유효지각 소음레벨 계산절차

2.3.1 소음인증기준

항공기 소음인증기준은 국제적으로

ICAO Annex 16, Volume Ⅰ "Aircraft

Noise"가 적용되고 있으며, 우리나라의

감항기준인 KAS(Korea Airworthiness

Standard) Part 36 소음기준도 ICAO 기

준을 채택하여 사용 중에 있다. 미국의

감항기준 상의 소음기준인 FAR

(Federal Airworthiness Regulation) Part

36의 경우 발전되어온 역사가 상이하

여 그 구성은 ICAO 기준과 다르나, 기

본적으로 최대제한소음 레벨과 소음단

위 및 절차는 동일하여 그 요건은

ICAO 기준과 동일하다.

이와 같이 각 국의 항공기 소음인증


129

1/3-Octave band SPL(i,k)

⇓Annoyance Correction

SPL(i,k) → n(i,k) → N(k) → PNL(k)

⇓Tone Correction Factor : C(k)

⇓Correction of spectra Irregularities

PNL(k) + C(k) → PNLT(k) → PNLTM

⇓Duration Correction : D

⇓Effective Perceived Noise Level

EPNL = PNLTM + D

<그림 7> 유효지각소음레벨(EPNL) 계산절차

법규 및 기준은 모두 동등하거나 동일

한 체계를 가지고 있으며, 국제 민간항공

기구인 ICAO(International Civil Aviation

Organization)의 부속서 Annex 16,

Volume Ⅰ "Aircraft Noise"를 근간으로

하고 있다.

국제 민간항공기구인 ICAO가 항공

기의 소음규제 규정을 만든 것은 국제

적인 소음기준이 필요하여, 협약국의

합의에 따라 전문가 그룹이 개발하여

제시한 것이다. 이에 ICAO의 회원국들

은 모두 Annex 16을 자국의 항공기 소

음기준으로 채택하거나 이를 만족하는

자체적인 법규정을 법제화하여, 자국

등록 항공기의 감항증명과 형식증명 시

기준으로 사용하여야 한다. ICAO

Annex 16은 1944년 체결된 시카고조약

의 제37조에 따라 1971년 4월에 최초

채택되어 Annex 16으로 명명되었으며,

현재 국제항공의 환경기준으로 채택되

어 사용되고 있다. 현재 소음기준은 5th

Edition으로 2008년 11월 20일부터 유

효판으로 적용되고 있으며, 개정을 통

하여 소음기준의 제한값(Noise Level

Limit)은 점점 더 엄격해지고 있는 추

세이다.

2.3.2 유효지각소음레벨 계산절차

현재 대형 항공기들은 EPNdB를 단

위로 하는 유효지각소음레벨(EPNL:

Effective Perceived Noise Level) 계산

방식을 적용하고 있다. EPNL 값은

PNL(Perceived Noise Level) 값과

C(Tone Correction Factor) 값 그리고

D(Duration Factor) 값으로 구성된다.

PNL 값은 소음 주파수 대역별로 물리

적인 음압에 따라 <그림 3>에 따른

Noy 값을 근간으로 계산되며, C(Tone

Correction Factor) 값은 순음성분이 클

수록 커지고 순음성분이 없을 경우 “0

“으로 된다. 그리고 D(Duration Factor)

값은 발생소음이 동일하더라도 기준점

에서 항공기의 소음이 특정 값 이상으


130

log

log

<그림 8> PNL 값의 계산절차

로 지속되는 시간이 길수록 커지고, 지

속시간이 짧을수록 작아지는 값으로,

항공기의 성능과 비행특성에 좌우되는

값이다. 이에 최종적인 EPNL 값은 항

공기의 비행시험 중 지정된 음압측정

위치에서 500ms 간격으로 측정한 소음

을 24개의 1/3-Octave band 별 SPL로

분해하여, 제시된 계산방법에 따라 다

시 단일수치화 한 값이 기준상의 제한

값 미만이 됨을 입증하도록 하는 방법

이다. 여기서 제한값(Noise Limit)은 항

공기의 종류별로 최대이륙중량의 로그

값으로 계산하도록 되어 있다. <그림

7>은 유효지각소음레벨(EPNL)의 계산

절차이다.

2.3.2.1 Perceived Noise

Level(PNL)의 계산

PNL(Perceived Noise Level) 값의 계

산은 측정된 소음의 주파수 스펙트럼에

따라 사람의 청각이 예민한 영역의 소

음에 가중치를 더하는 것으로, Annoyance

Correction 과정이다. PNL 값의 계산은

500ms 증분으로 측정한 24개의

1/3-Octave band의 물리적인 SPL(i, k)

를 Noy 값을 통하여 N(k) 값으로 가중

치를 더하여 계산하고, 다시 dB 단위의

PNL(k) 값으로 변환하는 과정이다. k번

째 시간에서 측정한 24개의 1/3-Octave

band 별 SPL(i, k) 값이 하나의 PNL(k)

값으로 계산되게 된다. PNL 값은 다음

3단계 계산절차를 통해 k번째 시간에

서의 각 밴드별 값이 단일 값으로 구해

지며, 각 k번째 시간에서의 값은 지속

시간의 보정과정을 통하여 다시 단일

값으로 계산되어진다.

2.3.2.2 Tone Correction Factor(C)

및 Tone Corrected

PNL(PNLT) 값의 계산

C(Tone Correction Factor) 값의 계산

원리는 동일한 에너지를 갖는 소음이라


131

Frequencyf, Hz

Level differenceF, dB

Tone correctionC, dB

50 ≤ f < 500 11/2 ≤ F < 33 ≤ F < 20

20 ≤ F

F/3-1/2F/631/3

500 ≤ f≤ 5,000 11/2 ≤ F < 33 ≤ F < 20

20 ≤ F

2 F/3-1F/362/3

5,000 < f≤ 10,000 11/2 ≤ F < 33 ≤ F < 20

20 ≤ F

F/3-1/2F/631/3

PNLT(k) = PNL(k) + C(k)<그림 9> Level difference에 따른 Tone Correction Factor와 PNLT(k) 계산절차

도 순음성분 소음은 사람에게 더 민감

하며, 날카롭게 느껴지는 것을 수식화

한 것으로서, 각 소음 스펙트럼 별로

인접 밴드의 소음 차이가 1.5dB 이상

차이 날 경우 순음성분이 큰 것으로 가

정하여, 차이 값의 크기에 따라 최소 0

부터 6.667(6+2/3) 값으로 계산된다. 즉

소음 스펙트럼상의 순음성분을 분석하

여 보정한 값을 구하는 과정으로 기준

에 따른 10단계의 계산방법을 통하여

Tone의 보정계수인 C(k) 값을 구하고,

앞서 구해진 PNL(k) 값을 합산하여 순

음성분이 보정된 PNLT(k) 값을 구한

다. Time-history에서 PNLT(k) 값 중 가

장 큰 값을 PNLTM 값으로 한다.

2.3.2.3 Duration Factor(D)의

계산

D(Duration Factor) 값은 발생소음이

동일하더라도 기준점에서 항공기의 소

음이 특정 값 이상으로 지속되는 시간

이 길수록 커지고, 지속시간이 짧을수

록 작아지는 값으로 항공기의 성능과

비행특성에 따라 좌우되는 값이다.

소음이 지속되는 시간에 대한 보정

을 위해서 계산되는 보정계수 D는

PNLTM 값을 기준으로 소음평가에 유

효한 소음의 범위를 시간에 대한 구간

으로 계산한다. 지속시간의 보정 값인

D 값을 구하는 식은 다음과 같다.

log

<그림 10>과 같이 PNLT(k)의 최대

값인 PNLTM-10dB 부터 PNLTM 값의


132

<그림 10> 항공기 Fly-over time에 따른 PNLT(k)의 변화 예시

M = Maximum take-off mass in 1,000kg 0 0.788 80.0

Take-off noise level (EPNdB) 89 90.03 + 9.97 logM 109Approach noise level (EPNdB) 90 91.03 + 9.97 logM 110Overflight noise level (EPNdB) 88 89.03 + 9.97 logM 108

<그림 11> ICAO Annex 16에 따른 헬리콥터의 소음 제한 값

영역을 소음 값에 영향을 미치는 부분

으로 간주하여, PNLTM-10dB인 값 보

다 커지는 최소의 시점부터 PNLTM-

10dB 보다 값이 작아지는 시점까지를

소음평가를 위한 유효한 시간 범위인 d

로 정의한다.

2.3.2.4 유효지각소음레벨(EPNL)

값의 계산 및 소음 제한값

최종적인 유효지각소음레벨 값인

EPNL 값은 다음 수식에 따라 Tone-

correction Factor가 적용된 PNLT(k) 값

중 최대값인 PNLTM 값에 Duration-

correction Factor인 D 값을 더하여 계

산한다.

EPNL = PNLTM + D

계산되어진 EPNL 값은 항공기의 최

대이륙중량에 따른 로그함수로 계산되

는 제한값(Noise Limit) 보다 작아야 한

다. 제한값은 헬기, 제트기, 프로펠러

항공기 등 그 종류와 인증일자에 따라

상이하게 적용된다.

<그림 11>은 헬리콥터에 해당하는


133

제한값으로서, 각각 이륙, 상공비행, 접

근비행 시 소음 제한값을 중량으로 계

산하도록 되어 있으며, 측정되어 계산

된 EPNL 값이 본 제한값 보다 작음을

입증하여야 한다.

Ⅳ. 결 론

항공기 소음인증기술은 상당히 특화

된 부분으로 해외에서도 보편화되어 있

는 분야는 아니나, 항공기 개발과 인증

에 있어 반드시 확보해야 하는 핵심적

인 기술이다.

항공기 소음인증기술은 소음 측정

및 분석장비, 비행시험기술, 비행경로

측정기술, 소음분석기술 등으로 구성되

며, 무엇보다 경험이 필요한 분야이다.

또한 항공기 인증에 있어 필수적인 요

소이다. 소음인증기술에 대해서 해외

항공 선진국들은 수십 년 전부터 현재

까지 많은 투자와 연구를 지속하고 있

으나, 우리나라의 경우 아직까지 관련

연구가 깊이 수행된바 없고 최근 들어

헬기사업과 인증기 개발사업을 진행하

며, 소음인증에 대한 연구와 경험을 쌓

아나가고 있다. 항공기 소음으로 인한

사회적 비용부담은 우리나라에서도 막

대한 수준으로 점점 증가추세에 있으

며, 향후 국제적인 인증체계 구축 및

항공기 개발에 있어 항공기 소음인증기

준과 소음인증은 반드시 고려되고 적용

되어야 한다. 또한 이러한 항공기 소음

기술은 항공기 개발 초기단계부터 적용

되어야 한다.

이에 우리나라의 항공기술 도약을

위해서는 현재 진행중인 항공기 개발

및 인증사업과 향후 지속적인 연구 및

투자를 통하여 우리나라에도 소음인증

에 대한 기술확보와 지속적 연구가 필

요할 것으로 판단한다.

<참고문헌>

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[2] ICAO Annex16 Vol.Ⅰ, "Aircraft Noise, 5th Edition", ICAO, July 2008.

[3] 황창전, 정기훈, 송근웅, 주진, 이욱, "KARI의 헬리콥터 로터 소음관련 기술개발

현황", 한국소음진동학회 2006년 춘계학술대회, 2006.


134

[4] 이재하, “틸트로터 항공기의 소음인증용 자료획득에 관한 연구”, 2007년도 한국

항공우주학회지 추계학술발표회 논문집, 2007.

[5] 이욱, 최종수, “헬리콥터 로터 시험장치의 개발 및 공력소음특성의 측정”, 항공

우주학회지, 제32권, 3호, 2004.

[6] 노오현, “항공기 소음 단위에 관하여”, 항공우주학회지, 제7권, 제2호, 1979.

[7] 정기훈, 김도형, 김덕관, 송근웅, 김승호, 황창전 “헬리콥터 로터 블레이드 소음

저감에 관한 국제연구동향 및 국내연구계획”, 한국소음진동공학회 2010년 추계

학술대회논문집, 2010.

[8] F.H. Schmitz and Y.H. Yu, “Helicopter Impulse Noise”, NASA TM 84390, Jan.

1984.


135

Introduction of Noise Characteristics and

Certification Standard for Rotorcraft

Choi Joo-Won*, Kahng cheol**Senior Engineer, Korea Aerospace Research Institute

【Abstract】

As the air transport have been increased, the external noise of the aircraft has been brought a social problem. Therefore the ICAO had decided to regulate aircraft noise. And the each contract nation started to regulate aircraft noise from the certification phase to operational phase in accordance with noise standard. Recently, There are several aircraft development programs under going including military rotorcraft and civil fixed-wing. And, all the aircraft is required to meet the noise requirements. However, the noise certification experience, infrastructure and study are not sufficient in Korea. In this study, I would like to introduce rotorcraft noise characteristics, certification standards, perceived noise units and calculation procedure which is more complex than fixed wing.

Key words : Noise, Certification, Air Operation, Type certificate, Rotorcraft

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