타이어-도로포장 소음에 대한 우려가 많은 분야에서 증가하고 있음. 도시 및 교외의 도로를 따라 방음벽의 설치가 확산되고 있는 것은 이러한 사실에 대한 증거임. 교통 관련 소음은 인간의 건강과 동물의 행동에 영향을 미치기 때문에, 이에 대한 통제와 완화 조치는 중요함.

다양한 도로포장의 표면에 대해 타이어-도로포장의 소음 특성을 예측할 수 있다는 것은 이점이 될 것임. 정확한 모델을 사용하여, 도로포장의 표면 성질이 변화함으로써 발생하는 영향은 시행 전에 평가될 수 있을 것임. 다양한 인자들의 장기적 영향이 추정될 수 있고, 적절한 설계가 개발될 수 있을 것임.

이 프로젝트는 미국 미네소타 주의 도로포장(MnROAD) 시험시설에서 가용한 다양한 도로포장 및 소음 데이타를 탐색하여 도로포장의 표면 특성을 고려한 소음 모델을 개발하기 위해 시작되었음.
 

 이 연구의 목적은 현장 및 실험실 데이타를 사용하여 고온 배합 아스팔트(hot mix asphalt, HMA) 도로포장에서 차량 위 소음 강도(on-board sound intensity, OBSI)를 예측하는 모델을 개발하는 것이었음. 그와 같은 예측 모델을 개발하기 위해서, 계절 변동성이 아스팔트의 표면 특징에 미치는 영향을 결정하고, 타이어-도로포장의 소음 생성에 영향을 미치는 표면의 특징과 재료의 특성을 파악하는 것이 필요함.

궁극적으로, MnROAD의 테스트 구간에서 측정된 데이타는 두 개의 비선형 통계적 모델(nonlinear statistical models)을 개발하는데 사용되었음. 이 모델은 옥타브 밴드(octave band)의 1/3과 아스팔트 표면의 도로포장 위의 전반적인 소음 강도 수준을 에측하고, 타이어-도로포장 소음 생성에 가장 중요하게 영향을 미치는 것으로 밝혀진 도로포장의 인자들을 포함함.

이 모델은 MnROAD의 도로포장 시험시설에 있는 25개의 아스팔트 표면 도로의 테스트 구간에서 수집된 소음 및 물리적 특성 데이타에 근거하여 개발되었음. 이 테스트 구간은 주로 2007년과 2008년에 건설되었는데, 다양한 재료, 배합 및 층 두께를 가지고 있음. 표면 재료에는 다양한 바인더 등급을 가진 슈퍼페이브 배합(Superpave mixtures), 중온 배합 아스팔트, 다공성 아스팔트, 노바칩(Novachip)가 포함됨.

건설 후 수 년이 지나서 막대한 양의 데이타가 수집되었음. 가용한 데이타의 타입에는 소음, 마찰력, 표면 질감, 승차감, 온도, 피로 및 구조적 용량 등이 포함됨. 도로포장의 물리적 특성에 근거하여 OBSI 소음 수준을 예측하는 모델을 개발하기 위해 이러한 데이타가 분석되었음.

MnROAD에서 테스트된 아스팔트 표면의 타입에 대해 가용한 테스트 데이타의 타입에 근거하여 모델이 개발되었음. 이 모델을 다른 표면 타입이나 다른 입력 변수를 가지고 적용하기 위해서는 모델의 검증과 수정이 필요할 것임. 그러나, 모델은 미래의 수정이 쉽게 이루어질 수 있도록 엑셀 스프레드시트(Excel spreadsheet)에서 구성되었음.
 

제안된 연구를 완료하는데 있어 주요 임무는 아래에 서술되어 있음. 이러한 임무는 궁극적으로 두 모델의 개발로 이어져서, 여러 다른 입력 변수를 사용하여 OBSI 소음 수준을 예측하게 됨. 이 임무의 결과와 최종 모델은 이 보고서에서 기술되어 있음.

- 임무 1: 미국 및 해외에서의 최신 타이어-도로포장 소음 모델링과 도로포장의 특성이 타이어-도로포장 소음에 미치는 영향에 대한 문헌을 철저하게 검토함.
- 임무 2: 온도 및 습도에서의 계절별 변동성이 HMA 도로포장의 표면 특성에 미치는 영향에 대한 연구를 수행함.
- 임무 3: 타이어-도로포장 소음에 중요한 변수들과, 이러한 변수들이 OBSI와 정(+) 또는 부(-)의 관계로 연관되어 있는지를 파악함.
- 임무 4: MnROAD 테스트 구간에서 측정된 데이타를 사용하여 OBSI의 수학적 모델을 개발하고 이 모델의 제한사항을 결정함.
- 임무 5: 모델, 모델의 개발, 그리고 모델의 사용에 대한 상세한 정보를 포함하는 최종 보고서를 작성함. 미네소타 교통부(Minnesota Department of Transportation, MnDOT)와 미네소타 대학(University of Minnesota)의 교통연구센터(Center for Transportation Studies)의 출판 절차를 거쳐 모델을 제출함.
- 임무 6: MnDOT로부터의 모든 의견을 반영하는 최종 보고서를 작성하고 이를 출판을 위해 제출함.

이 보고서는 이 연구의 다양한 임무에 대한 결과를 요약하고 타이어-도로포장 소음의 예측 모델과 이를 사용하는 방법을 서술함. 이 보고서의 나머지 부분은 다음과 같이 구성되어 있음

- 제 2장은 타이어-도로포장 소음이 어떻게 여러 다른 연구자들에 의해 측정되는지; 타이어-도로포장 소음의 생성과 증폭 매커니즘; 타이어-도로포장 소음에 영향을 미치는 도로포장과 배합의 특성과, 이들이 측정되는 방법; 그리고 기후 상태와 계절별 변동성이 타이어-도로포장 소음에 미치는 영향에 대한 배경 정보를 제공함.
- 제 3장은 기존의 타이어-도로포장의 소음 모델, 이러한 모델을 MnROAD 테스트 데이타에 적용하는 가능성, 그리고 MnROAD 데이타에 근거하여 새로운 모델을 개발하기 위해 사용된 매커니즘-분해 방법(mechanism-decomposition approach)에 대한 검토로 구성됨.
- 제 4장은 타이어-도로포장 소음에 상당히 영향을 미치는 변수들을 요약하고, 다양한 인자들이 전반적인 소음 수준에 미치는 영향을 평가하기 위해 사용된 타이어-도로포장 소음의 인자 축소 모델(reduced-parameter models)을 제시함.
- 제 5장은 이 연구의 일환으로 개발된 최종 타이어-도로포장 소음 예측 모델을 제시함.
- 제 6장은 결과, 결론 및 미래의 연구, 그리고 실행의 니즈에 대한 개요를 제시함.

이 프로젝트의 목적은 MnROAD로부터의 현장 및 실험실 데이타를 사용하여 아스팔트 도로포장에서 OBSI 수준을 예측하기 위한 모델을 개발하는 것이었음. 이 모델은 도로포장의 표면과 재료의 특성이 미치는 영향을 고려하기 때문에, 어떤 특성들이 타이어-도로포장 소음에 영향을 미치는지를 우선 파악하는 것이 필요함. 이 목적을 달성하기 위해서, 계절별 변동성이 소음의 생성에 영향을 미칠 수 있는 이러한 특성들에 대한 효과를 결정하는 것도 필요하였음.

이 프로젝트에서는 아스팔트 표면만이 연구되었음. 그러나, 폭넓은 범위의 표면 타입이 있었는데, 여기에는 밀입도(dense-graded) 아스팔트, 다공성 아스팔트, 4.75 mm 표면, 초박막 마모 표면(ultrathin wearing courses), 칩실(chip seals) 등이 포함되었음. 이러한 표면의 대부분은 2007년과 2008년에 건설되어서, 도로포장의 연령은 제한적임. 이 연구의 여러 부분에서 전체 25개의 테스트 구역이 사용되었음.

여러 다른 소음 생성과 증폭 매커니즘은 여러 다른 주파수 범위에 영향을 미침. 이 연구는 매커니즘-분해 방법을 사용하여 다양한 매커니즘과 관련 도로포장의 특성을 탐색하였는데, 이는 다양한 인자에서의 변화가 고주파, 중주파, 저주파 소음 영역에 미치는 영향이 예측될 수 있도록 하였음. 개별 영역에서의 변화는 전반적인 타이어-도로포장 소음과 1/3의 옥타브 밴드 수준을 추정하기 위해 지수적으로 추가되었음.

가용한 MnROAD 데이타를 사용하여, 어떤 인자가 MnROAD에서 측정된 소음에 가장 강력하게 영향을 미치는지 연구하기 위해서 일련의 인자 축소 모델이 개발되었음. 각각의 단순화된 모델은 하나 또는 두 개의 변수만을 포함하였고, 다른 변수 모두는 통제되었음. 가능한 많은 도로포장과 기후 인자들에 대해 단순화된 모델이 개발되었음.

이렇게 단순화된 모델로부터의 결과를 사용하여, 일련의 유의한 변수들이 파악되었음. 일반적으로, 저주파 영역은 거시적 질감(macrotexture) 인자들에 의해 가장 많이 영향을 받고, 미시적 질감(microtexture), 흡수(absorption) 및 온도에 의해 덜 영향을 받는 것으로 나타남. 중주파 영역은 모든 질감 인자들과 흡수에 의해 영향을 받았음. 고주파 영역은 미시적 질감과 공기 온도에 의해 가장 많이 영향을 받았음. 변수 두 개의 연령-온도 모델(two-parameter age-temperature model)을 사용하여, 연령이 저주파 및 중주파 영역에서는 상당한 영향을 미치지만 고주파 영역에서는 그렇지 않다는 것이 밝혀졌음. 변 수 두 개의 온도-탄력계수 모델은, 탄력계수와 온도 모두가 고주파 영역에 고려되어야 하지만 저주파 영역에 대해서는 필수적이지 않다는 것을 보여주기 위해 사용되었음. 세 개의 영역에 있어서 일부 변수들은 필요하지 않은 것으로 나타났고, 이러한 변수들은 나중의 모델 개발에서 제거되었음. 남아있는 변수들의 쌍(pairs) 상당수가 매우 상관관계가 높았기 때문에, 최종 모델에서 두 변수 모두가 포함되어야 하는지가 탐색되었음.

인자 축소 모델을 통하여 유의한 것으로 파악된 변수들은 두 개의 완전 모델의 개발을 위해 모델에 입력되는 사전적인 변수로 사용되었음. 결과적으로, 모델은 도로포장의 거시적 질감, 공기 온도, 도로포장 표면층의 탄력계수, 온도와 탄력계수의 조합 효과를 고려할 필요가 있음이 밝혀졌음. 데이타 셋에는 두 가지의 다공성 도로포장만이 포함되었는데, 더 많은 다공성 도로포장이 포함된다면 흡수(absorption) 인자는 유의한 것으로 밝혀질 수도 있음.

모델은 엑셀 스프레드시트로 제공되어 세 개 또는 네 개의 입력값을 필요로 함: 12.5 mm 질감 수준, 공기 온도, 그리고 표면 탄력계수. 레이저 프로파일러(laser profiler) 데이타가 질감 수치에 사용될 때, 질감 측정과 소음 결정 간의 시간도 요구됨. 입력 요소를 변화시키는 것은 전반적인 OBSI 소음 강도 수준과 1/3 옥타브 밴드 수준 예측치의 자동적인 변화로 이어짐.

모델에 의하면, 저소음 도로포장을 달성하기 위해서 낮은 취성(stiffness)을 가진 평탄한 표면이 선호됨. 거시적 질감과 취성이 감소함에 따라 전반적인 OBSI와 OBSI 최고치도 감소함. 평탄계수는 온도와 관련 있기 때문에, 온도의 증가는 평탄성의 감소로 이어짐. 그러나, 일부 표면 재료는 다른 것보다 온도 변화에 더 민감함. 일반적으로, 취성이 높은 재료는 연성 재료보다 취성에서 더 큰 감소를 경험하는 경향이 있음. 이 연구에서, 초박막 마모 표면은 더 취성이 높은 재료 중 하나였고, 더 높은 소음 수준을 만들어냈음. 칩(chip)이나 표면 실(surface seals)을 가진 구간은 더 높은 질감과 더 높은 소음 수준을 가졌음. 중온 배합 구간은 매우 부드러운 바인더 등급(PG58-28)을 사용하였고 시공 중에 연령의 감소를 경험했을 수 있음. 낮은 교통량에 대해 설계된 배합은 골재 구조만큼 단단하지 않을 수 있는데, 이는 표면의 전반적인 취성에 영향을 미칠 수 있음. 모델에 의하면, 소음은 도로포장의 연수가 늘어남에 따라 증가하는 경향이 있으나, 테스트된 구역 중 어떤 것도 그들의 서비스 수명의 끝에 도달하지 않았음.

MnROAD에서 테스트된 아스팔트 표면의 타입에 대해 모델이 개발되었고, 모델은 가용한 테스트 데이타의 타입에 근거하고 있음. 모델은 탄력계수에 크게 의존하기 때문에, 다른 취성 값을 가지고 온도 변화에 다르게 반응하는 다른 타입의 도로포장에서는 신뢰성 있게 사용될 수 없을 것임. 폭넓은 아스팔트 배합이 연구되어서, 모델은 다양한 타입의 아스팔트 표면에 적용가능하나 높은 수준의 피로와 노후화된 도로포장은 테스트되지 않았음.