1.발파 진동 측정기에 사용되는 진동센서의 구조는 어떤 타입으로 제작된 방식인가?

국내 일부 발파진동 측정기라고 하여 일부 판매되는 제품의 진동센서를 MEMS 타입을 사용하는 경우가 있는데 이는 발파진동을 측정하기에 적합하지 않은 방식 및 구조로 제작된 센서 타입 입니다.

발파진동 측정시 왜 MEMS 타입 진동 센서를 사용하면 안되는 지에 대한 자세한 내용은 아래 블로그 내용을 참고하시기 바랍니다.

https://blog.naver.com/its-21/223415000910​

2. 소음 진동 센서의 설치 방법

소음의 경우 마이크로폰, 진동측정의 경우 지오폰을 사용하며 이 두 센서 모두 기본적으로 수평을 유지한 상태에서 폭원 방향을 향해서 설치 되어야 합니다. ISEE(국제발파공학회)에서 정한 "발파진동계측 현장실무지침"에 따르면 센서는 반드시 폭원 방향을 향해서 설치되어야 하며 구조물에 설치시 주택, 파이프라인, 전신주등이 될 수 있으나 차도, 보도, 슬패브등에서의 측정은 피해야 한다라고 기재되어 있습니다. 

1) 소음센서(마이크로폰 설치 방법)

소음센서인 마이크로폰의 경우 센서를 지면으로부터 1미터 이상 띄우고 폭원 방향을 지향한 상태에서 아래와 같이 스탠드에 거치 후 고정합니다.

2) 진동센서(지오폰 설치 방법)

진동센서인 지오폰 설치 시 측정 대상체의 매질에 따라서 적절한 방법에 선택되어야 하지만 현장에 가보면 이 또한 잘못된 매립 방법으로 설치되어 있고 심지어 폭원 방향으로 지오폰이 지향되지 않은 경우도 매우 많으니 반드시 아래 내용을 참고하여 알맞은 고정방법으로 설치하시기 바랍니다.

단단한 지반(암반/콘크리트)에 설치시: 진동센서(지오폰)을 암반 또는 콘크리트에 홀을 만들어서 볼트로 고정하고 몰타르 등으로 고정 후 그 위에 지오폰을 끼우고 너트로 고정 후 측정하여야 합니다.

지오폰 볼트 고정 방법

무른 지반(흙 또는 부드러운 토양)에 설치시: 매립시 진동센서(지오폰) 높이의 최소2~3배 정도 깊이로 매립하고 수평을 맞춘 후 스파이크가 장착된 진동센서(지오폰)을 폭원 방향에 맞춰 고정 및 매립 후 잘 단단히 다지는 작업 후 측정해야 합니다.(아래 그림 참고) 

추가로 진동센서(지오폰)의 고정이나 매립이 불완전하다고 판단되면 최소 4.5Kg 이상의 헐렁한 모래주머니로 진동센서(지오폰) 부위를 단단히 눌러준 뒤 측정하는 작업도 필요합니다.

3. ZCF(Zero Crossing Frequency)

ZCF(Zero Crossing Frequency)는 발파 소음 및 진동 측정에서 참고용으로 사용되는 중요한 측정 파라미터입니다. ZCF는 주파수 특성을 알려주는 중요한 정보로써 이는 진동 신호 또는 소음 신호가 시간 축의 0점을 초당 동안 얼마나 많이 교차하는지를 측정하여 주파수를 계산합니다.즉, 신호가 양에서 음 또는 음에서 양으로 변할 때 발생하는 성분을 측정 하는 겁니다.

당연한 얘기지만 ZCF값이 높으면 그만큼 고주파 신호가 많다는 것을 의미하고 ZCF가 낮으면 저주파 신호가 많다는 것을 의미 합니다. 

그럼 이것을 의미하는 것이 무엇이냐? 진동은 주파수 성분에 따라서 사람 또는 구조물에 미치는 영향이 다릅니다. 낮은 주파수(Low Frequency)가진 진동신호는 큰 파장으로 멀리 까지 전달되며 건물이나 구조물의 고유진동수와 공명하는 현상을 일으켜 구조물 전체에 변형을 유발하거나 심할 경우 균열 또는 손상을 초래할 수 있습니다. 높은 주파수 (High Frequency)는 짧은 파장을 가지기 때문에 물체의 표면이나 인체의 국부적인 부위에 집중적으로 영향을 미칩니다.

예를 들어 귀에서의 이명 현상을 유발하거나 근육 떨림, 불편감 또는 피로감, 스트레스등을 유발하여 긴장 또는 수면 방해 같은 부작용을 초래합니다.

간단히 정리하면 ZCF 값을 통해 진동에 대한 고주파/저주파 특성을 좀더 빠르게 파악할 수 있다는 것 입니다.

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5. 측정기 데이터 조작 가능 여부

일부 국내에서 제조한 계측장비의 경우 측정 데이터를 사용자가 임의로 조작할 수 있도록 설계되었습니다.

이는 엄연히 측정 데이터를 조작하여 누군가에게는 유리하도록 사용될 수 있을 것이므로 이러한 데이터 조작이 가능한 장비의 구매는 하지 말아야 할 것 입니다.

마지막으로 발파소음진동 측정 시 어떻게 정확하게 측정하는지에 대한 내용은 아래 블로그를 참고하시면 도움이 될 것 입니다. 이 블로그에는 현재 얼마나 많은 현장에서 엉터리로 발파소음진동을 측정하고 있는지에 대한 사례에 대한 내용도 확인하실 수 있습니다. 이 블로그를 운영하는 대표님의 경우 이 발파소음진동분야에 오랜기간동안 경험이 있고 다양한 노하우와 정확한 측정 방법에 대해 깊은 지식을 보유하고 있으며 지난 10여년 전부터 우리나라 고속도로 철도 국도 등 건설공사 현장을 점검하면서 문제점을 적발하고 그 원인을 파악하면서 잘못된 발파계측과 계측기의 사용이 건설부패뿐만 아니라 건설이나 개발 관련 민원의 주요 원인임을 간파하고 <발로 쓴 터널 이야기>라는 책을 내는 한편, 건설현장에서 올바른 발파계측과 바른 계측기 사용법을 전파하고 계신 이분야의 최고의 전문가 입니다.

https://blog.naver.com/imax62 

중학교 시절 키아누 리브스 주연의 영화 “폭풍속으로＂란 영화를 매우 감명 깊게 본 기억이 있습니다.

주인공 키아누 리브스가 신참 FBI로 은행강도를 벌이는 서퍼들을 수사하는 내용의 영화였는데 영화 마지막 부분에 범인이 마지막으로 역사상 최고의 파도가 있을 테니 마지막으로 이 파도를 탈 수 있도록 요청하였는데 결국 주인공인 키아누 리브스는 이 부탁을 들어주었고 결국 범인은 엄청나게 거대한 파도를 타면서 사라지고 영화는 막을 내리는 대략 이런 스토리 였습니다. 이때 엄청나게 큰 파도 속으로 범인이 사라지는 마지막 장면은 결코 잊을 수가 없었습니다.

발파소음진동에 대해 설명하기 이전에 왜 이런 영화이야기로 먼저 시작한 이유는 어떻게 하면 발파소음진동에 대해 어떻게 하면 최대한 쉽게 표현할 수 있을까 라는 고민을 하게 되었고 발파소음진동을 “파도”란 이미지로 표현하여 설명하면 매우 직관적이고 쉽게 이해하는데 도움이 될 거 같아서 이렇게 영화 이야기로 시작하게 되었습니다. 

서론이 길었습니다. 이제 본론으로 들어가서 이제 발파 시 발생하는 진동을 “파도”로 비유해서 설명해 보겠습니다.

우리가 바닷가에서 파고가 큰 파도에 부딪히면 사람이 휘청 하거나 심한 경우 휩쓸려 내려갈 수 있습니다.

발파 시 폭발로 인해 큰 에너지가 파도와 같은 형태로 전달된다고 가정하면 파고가 큰 경우 에너지가 크기 때문에 

건축 구조물에 큰 손상을 입힐 수 있습니다.(즉, 진폭 큰 진동은 구조물에 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다.)

간략하게 정리해서 얘기하자면, 

“파도(진동)의 높이가 가장 높은 부분의 값을 측정하는 것= PPV(Peak Particle Velocity), 최고입자속도” 입니다.

이것이 발파진동 시 PPV 값을 측정해야 하는 이유이고 이때 단위는 속도를 표현하는 단위인 Kine(cm/s)을 사용 합니다. 

발파소음진동에서 직관적인으로 표현할 수 있는 진동 표현 단위인 Kine(cm/s)는 전세계적으로 대부분의 국가에서 사용하고 있는 단위 입니다.

(단, 일부 국가는 in/s 사용)

위에서 파도로 비유해서 설명한 내용을 신호 형태로 표현하면 아래와 같습니다.

TV에서 일기 예보시 기상 캐스터가 바닷가에서 파도의 위험성을 알릴 때도 파고라는 단어를 사용 하죠 

왜냐하면 제일 큰 값이 순간적으로 가장 큰 에너지를 가졌기 때문이며 이 큰 에너지가 구조물 손상에 가장 큰 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

파도가 자주 친다=주파수가 높아진다

하지만 실제 발파 진동이 발생하면 위의 파도 이미지와 같이 서서의 진폭이 감쇠하는 형태의 매우 짧은 충격 진동 형태로 발생됩니다. 신호로 표현하자면 위 그림의 오른쪽과 같은 형태일 것입니다

발파진동 측정 시 사용되는 dB(V)는 무엇인가요?

위와 같은 질문을 많이 받습니다.

우선 이 질문에 답을 하기 위해서는 dB란 용어에 대해서 먼저 알아 보겠습니다.

현재 흔히 다양한게 사용되는 진동 측정 표현법인 dB(V)는 단위가 아닙니다.

dB(V)라는 표현법을 풀어서 알기 쉽게 설명하자면 우선 dB에 대해 정의를 해야할 것입니다.

흔히들 dB를 소음의 단위라고 생각하는데 이것 또한 잘못된 표현 방법 입니다.

우리가 dB(데시벨, decibel)를 사용하는 이유는 소리나 신호의 크기를 표현할 때 숫자를 더 작고 다루기 쉽게 만들어주기 때문입니다. 우리가 소리의 크기나 전기 신호의 세기를 일반적인 단위로 나타내면 너무 큰 숫자가 나오는 경우가 많아지게 됩니다.

예를 들어, 소리의 세기를 나타낼 때의 단위는 음압, 즉 압력의 단위인 Pascal 입니다.단위 면적당 작용하는 압력이란 의미 입니다. 사람이 들을 수 있는 크기 범위를 이 Pascal로 하면 0.00002Pa부터 20Pa 정도까지 범위가 나오는데, 이걸 그대로 사용하면 비직관적이고 복잡하게 느껴질 수 있습니다.

이럴 때 로그 스케일을 사용해서 크기의 차이를 쉽게 비교할 수 있게 해줄 수 있도록 표현한 방식이 dB입니다.

예를 들어, 10배의 차이는 dB로 10dB, 100배는 20dB로 간단히 나타낼 수 있습니다.

이처럼 dB로 표현하면 큰 숫자 범위를 작고 이해하기 쉬운 숫자로 바꿔주기 때문에 소리나 전기 신호의 크고 복잡한 데이터 숫자를 분석 및 비교하기 편하게 보다 직관적으로 사용하기 편리합니다.

우리가 소음 측정 시 dB(A)를 사용하는 것은 인간의 귀는 소리를 인식하는 방식이 대수(Log)적으로 이루어 지기 때문에 dB(A)를 사용합니다. 즉 인간의 귀는 소리를 선형적1,2,3 이런식으로 인식하는것이 아니라 대수적(Log 스케일, 지수함수 형태)으로 듣기 때문에 dB를 사용하여 표현하면 매우 편리하고 직관적으로 표현할 수 있기 때문입니다.

다시 dB(V)로 돌아와서 그러면 이 dB(V)로 측정하는 방법이 맞다 또는 틀리다를 정의하기 전에 진동의 형태가 어떤 형태인가에 따라 dB(V)로 측정하는 것이 맞고 틀릴지가 결정될 것 입니다. 

dB(V)로 측정하는 진동의 형태는 감쇠가 없는 아래와 같은 단순조화진동에 해당되는 진동 형태 즉, 측정할때 사용되는 방법이며 이를 발파진동 측정 방식에 적용하는 것은 잘못된 측정 방법입니다.

왜냐하면 "발파진동은 절대로 이러한 형태로 발생되지 않기 때문입니다."

위에서 파도로 비유했던 아래와 같은 매우 짧은 충격 진동 형태로 발생 됩니다.

dB(V)는 기계류 등에서 발생하는 진동가속도를 측정하여 편안함이나 승차감 등을 평가하기 위한 파라미터로 적당한 값이며 환경법에서 정한 인체에 미치는 소음진동의 영향을 수치화한데 대한 값의 단위이기도 합니다.(진동레벨의 단위) 따라서 우리나라 소음진동법이 소음진동에 관한 일반법이 아닌 단순히 환경소음진동 관련 규정만 보유하다 보니 여기서 빠진 진동이 두가지가 있는데 하나는 발파소음진동이고 다른 하나는 지진진동입니다. 

지진진동은 별도로 행정안전부의 <지진대책법>에서 규정하고 있어 다행이나, 발파소음진동의 경우, 인체에 관한 것만 <소음진동법>에서 규정하고 나머지 구조물이나 가축 등에 관한 부분은 현재 실종된 상태입니다.(건설관련 공공기관에서 자체 내규로 정하고 있으나 잘 알려져 있지 않고 법규가 아니어서 실효성도 없음)

발파소음진동경우 발생 진동의 형태도 아래와 같이 다 각도로 발생되어 사람 또는 구조물/가옥에 전달 됩니다.

이때 이 진동이 어느 경로를 통해 오는지를 파악하여 진동을 차단하거나 줄이는 등의 방안을 마련해야 하기 때문에 3축 지오폰이란 센서를 사용하여 여러 방향에서 전달되는 진동 측정이 필수 적입니다.

또한 진동과 더불어 지면 위에서는 발파시 지상에서 공기를 통해 전달되는 발파 풍압 레벨은 이를 측정하기 위한 전용 센서인 발파풍압 마이크로폰(Linear Microphone)을 사용하여 측정하며, 사람이 듣을 수 있는 가청 주파수 레벨의 소리를 측정하기 위한 환경 소음 측정용 마이크로폰(Sound Level Microphone)을 사용하여 소음 레벨 dB(A) 값을 측정 하여야 합니다.(아래 그림 참고)

그럼 dB(V)로 측정하는 방법은 잘못된 방식인가요?

네, 기술적인 측면에서나 국제적으로 사용되고 있는 측정 기준에서 봐도 이는 분명히 잘못된 방법 입니다.

위에서 언급하였듯이 dB(V)로 측정하는 방식은 지속시간이 일정한 기계류나 시설물등에서 발생하는 진동을 측정하기위한 파라메터로 적합한 값 입니다. 그럼에도 불구하고 여전히 일부 현장에서는 PPV(Peak Particle Velocity)값을 dB(V)로 환산해서 사용하려는 말도 안되는 시도들이 있는데 있는데 하루빨리 발파소음진동 측정 관련 법규를 새롭게 정비하고 제정할 필요가 있다고 생각합니다.

또한 현장에서 주로 언급되는 내용중에 하나가 발파소음진동 측정장비의 형식승인 취득 여부 이며 이런 질문을 많이 받습니다.

"형식 승인을 받지 못한 장비로 어떻게 발파소음진동을 측정할 수 가 있나요?"

하지만 이는 관련 법규를 잘 모르고 하는 얘기 입니다.

현재 국내에는 “발파 소음 진동＂에 관한 형식 승인 항목 자체가 없습니다.

이런 질문은 예전에 TV에서 김흥국이 조세호에게 안재욱 결혼식때 왜 안 왔어? 라고 물었는데 

조세호가 “모르는데 어떻게 가요?” 라고 대화하는 맥락과 비슷합니다.

ZCF(Zero Crossing Frequency)는 발파 소음 및 진동 측정에서 중요한 측정 파라미터입니다. 

ZCF는 주파수 특성을 알려주는 중요한 정보로써 이는 진동 신호 또는 소음 신호가 시간 축의 0점을 초당 동안 얼마나 많이 교차 하는지 를 측정하여 주파수를 계산합니다. 즉, 신호가 양에서 음 또는 음에서 양으로 변할 때 발생하는 성분을 측정 하는 겁니다.

당연한 얘기지만 ZCF값이 높으면 그만큼 고주파 신호가 많다는 것을 의미하고 ZCF가 낮으면 저주파 신호가 많다는 것을 의미 합니다. 그럼 이것을 의미하는 것이 무엇이냐? 진동은 주파수 성분에 따라서 사람 또는 구조물에 미치는 영향이 다릅니다.

낮은 주파수(Low Frequency)가진 진동신호는 큰 파장으로 멀리 까지 전달되며 건물이나 구조물의 고유 진동수와 공명하는 현상을 일으켜 구조물 전체에 변형을 유발하거나 심할 경우 균열 또는 손상을 초래할 수 있습니다.

높은 주파수 (High Frequency)는 짧은 파장을 가지기 때문에 물체의 표면이나 인체의 국부적인 부위에 집중적으로 영향을 미칩니다. 예를 들어 귀에서의 이명 현상을 유발하거나 근육 떨림, 불편감 또는 피로감, 스트레스등을 유발하여 긴장 또는 수면 방해 같은 부작용을 초래합니다.

간단히 정리하면 ZCF 값을 통해 진동에 대한 고주파/저주파 특성을 좀더 빠르게 파악할 수 있다는 것 입니다.

인스탄텔(Instantel)사의 발파소음진동 측정기 전세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 발파소음진동 분야의 No1 측정 장비이며 아래와 같은 장점이 있습니다. 

1. 최고의 데이터 신뢰성을 보장 합니다.

타사 제품의 경우 측정 데이터를 사용자가 수정/변경할 수 있어서 이로 인해 데이터 신뢰성이 매우 문제가 되고 있습니다.

2. 솔레노이드 방식의 지오폰(Geophone) 센서를 사용 합니다.

최근 이 분야에 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 마이크로 전자 기계 시스템 기술이 적용된 타입의 가속도센서를 건설 및 발파를 포함한 다양한 산업의 진동 측정 및 모니터링 장비에 사용고 있는 것을 종종 볼수 있으나 이는 자칫하면 잘못된 측정 결과를 초래할 수 있습니다.

3. 소형으로 휴대 및 간편하게 사용할 수 있습니다.

참고로 아래 블로그 내용에는 솔레노이드 방식의 지오폰(Geophone) 센서와 MEMS 가속도계를 성능을 비교하고 이를 분석하는 테스트에 대한 내용이 기재되어 있으니 참고하시기 바랍니다.

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