제1부 비행체 기술 기반
1.31 소음: 로터 소음의 원리·측정·심리음향·저감
1.31.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
소음은 사람 위 비행의 에너지(1.30)와 함께 도심 운용을 가장 먼저 제한하는 벽이다. 기체가 떨어지지 않아도 날고 있다는 사실만으로 사람에게 닿는다. 이 장은 로터 소음이 어디서 나오는지, 무엇이 크기를 정하는지, 사람은 그것을 어떻게 듣는지, 어떻게 재고 어떻게 줄이는지를 한 호흡으로 세운다. 소음 인증의 절차는 20.11, 지역 사회의 수용성은 21.10가 맡는다.
배우는 것:
- 소음원 — 하중 소음·두께 소음·광대역 소음·깃-와류 상호작용·전기 소음, 그리고 깃 통과 주파수의 톤.
- 깃끝 속도와 지름 — 소음이 속도의 5~6제곱으로 커진다는 이론과 "지름을 키우면 조용해진다"는 설계 논리.
- 데시벨 연산 — 합산(같은 소음원 4개는 +6 dB), 거리 감쇠(거리 두 배에 6 dB), 지면 반사와 대기 흡수.
- 심리음향 — A 가중이 놓치는 것, "같은 dB인데 더 거슬린다"는 보고와 그 한계.
- 측정·규제·저감 — ISO 3744 호버 음향 파워 레벨, EU 규정 2019/945의 표시·한도, ICAO Annex 16 체계, 저감 설계, 군용 음향 시그니처의 개념.
선수 지식: 로터 호버 동력·디스크 하중은 1.2, 프로펠러 설계와 팁 마하수는 1.3, 대기 밀도는 1.1.3을 본다. 로그와 데시벨의 감각이면 된다.
특히 중요한 독자: 엔지니어는 1.31.4의 지름·깃끝 속도 트레이드를 본다. 인증 담당자는 1.31.7과 1.31.8에서 측정이 무엇을 재는지 확인한다. 정책·사업 담당자는 1.31.2·1.31.8·1.31.10으로 소음이 입지와 수용성을 어떻게 정하는지 읽는다. 법무 담당자는 1.31.8의 요건 표와 1.31.14를 본다.
기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로 작성하며 지식은 2026년 중반까지다. EU 규정 2019/945의 음향 파워 레벨 한도는 EUR-Lex 원문을 읽지 못하고, 독일 연방환경청(UBA)·DLR 논문(2022)의 계산과 EASA 쉬운 접근 규칙의 문구 요약으로 대조했다. ISO·IEC 표준은 유료라 본문을 열람하지 못했다. 대기 흡수와 A 가중은 알려진 식을 구현해 표값과 맞는지 확인했다
(표준 본문 재확인 필요). 워크스루의 기체(2 kg 쿼드콥터)는 가상 기체이며 음향 파워 레벨은 공개 측정에 맞춘 가정이다. 개발사가 주장하는 UAM 소음 수치는 측정 조건이 달라 비교할 수 없어 싣지 않았다.
1.31.2 개념·직관 — 소음은 왜 설계를 지배하는가
로터는 공기를 아래로 밀어 선다(1.2). 그 과정에서 깃이 공기를 때리고 가르며 압력 변동이 퍼져 나간다. 그것이 소리다. 추력을 만드는 일 자체가 소음을 만든다는 점이 이 장의 출발점이다. 같은 추력을 만들더라도 어떻게 만드느냐(큰 로터를 천천히, 작은 로터를 빠르게)에 따라 소음이 크게 달라진다.
소음은 두 길로 설계를 묶는다. 첫째, 깃끝 속도가 소음을 가장 크게 좌우하므로 지름·회전수·디스크 하중의 선택이 소음 목표에 묶인다(1.2.10). 둘째, 소음은 인증과 입지의 조건이다(20.11·18.26).
세 축에서 문제의 모양이 다르다.
- 군용 드론. 소음은 곧 음향 시그니처다. 들리면 위치가 드러난다(5.6). 저소음은 생존성이다.
- 민간 UAS. 제품 단계에서는 음향 파워 레벨의 표시(EU)가, 운용 단계에서는 야간 배송·민원이 문제다(14.2·21.11).
- AAM. 도심에서 반복 운항하므로 한 번의 소리보다 평균 레벨·빈도·시간대가 문제다. 소음 증명과 사회적 수용성이 사업 성립의 조건이다(20.11·21.10).
1.31.3 소음원 — 무엇이 소리를 내는가
| 소음원 | 무엇이 만드나 | 성격 | 크기를 정하는 것 |
|---|---|---|---|
| 하중 소음 | 깃 표면의 압력 분포(추력·토크)와 그 주기 변동 | 깃 통과 주파수의 톤, 저주파 | 추력·깃끝 속도·깃 수 |
| 두께 소음 | 깃이 공기를 밀어내는 부피 변위 | 톤, 팁 마하수가 높아야 두드러짐 | 팁 마하수·깃 두께 |
| 광대역 소음 | 깃 표면 난류 경계층의 뒷전 통과, 유입 난류, 팁 와류 | 넓은 주파수, 1 kHz 이상 | 상대 속도, 레이놀즈수 |
| 깃-와류 상호작용 | 깃이 앞 깃·인접 로터의 와류를 가로지름 | 임펄스에 가까운 톤 | 로터 간섭·접근 조건(1.2.7.3) |
| 비정상 유입 | 후류가 로터로 되돌아옴, 기체 구조물 근처 유입 왜곡 | 톤 증가·변동 | 배치·재순환(1.2.7.2) |
| 전기·기계 | 모터 슬롯·극 주파수, 전자 변속기(ESC) 스위칭 성분, 베어링 | 고주파 톤 | 모터 형식(1.18) |
소형 호버 드론에서는 하중 소음과 광대역 소음이 지배적이고 두께 소음은 팁 마하수가 낮아 작다고 알려져 있다 (문헌 정성). 이론의 골자는 쌍극자 방사의 음향 파워가 속도의 6제곱, 깃 뒷전 광대역 소음이 5제곱에 따라 커진다는 것이다(Curle의 쌍극자 이론, Brooks·Pope·Marcolini의 뒷전 소음 모형).
깃 통과 주파수(BPF)는 고정된 한 점을 1초에 깃이 지나가는 횟수다. 깃 수가 $B$, 회전수가 $N$ [rpm]이면 다음이다.
$$f_{\mathrm{BPF}}=\frac{B\,N}{60},\qquad f_k=k\,f_{\mathrm{BPF}}\quad(k=1,2,3,\dots)$$
2날 프로펠러가 6,432 rpm(1.7.7.1 표의 기준 로터 호버)이면 214 Hz, 3날이 5,000 rpm이면 250 Hz, 5날이 4,000 rpm이면 333 Hz다(파이썬 계산). 소음에는 이 주파수와 정수배(고조파)에 톤이 솟는다. 로터마다 회전수가 조금씩 달라 두 톤이 가까우면 맥놀이가 생겨 소리가 울렁인다 (문헌 정성). 멀티콥터는 자세를 잡으려고 로터 회전수를 계속 바꾸므로 이 울렁임이 생기기 쉽다.
로터들의 소리는 위상이 제각각이라고 보고 에너지를 그대로 더한다(비간섭 합산). 같은 소음원이 $N$개이면 레벨은 $10\log_{10}N$ dB 늘어난다. 쿼드콥터는 로터 한 개보다 6.0 dB, 옥토콥터는 9.0 dB 크다(1.31.5).
1.31.4 깃끝 속도와 지름 — 소음을 정하는 가장 큰 변수
결론부터: 같은 추력을 내는 로터의 지름을 키우면 깃끝 속도가 지름에 반비례해 내려가고, 소음은 속도의 5~6제곱에 따라 줄어든다. 지름 20 % 증가가 약 4~5 dB 감소에 해당한다.
추력계수 $C_T=T/(\rho A U^2)$가 일정하다고 두면 한 로터의 추력 $T$를 내는 깃끝 속도는 다음이다.
$$U=\sqrt{\frac{T}{C_T\,\rho\,\pi R^2}}\ \propto\ \frac{1}{D},\qquad \Delta L=10\,n\,\log_{10}\!\frac{U}{U_{\mathrm{ref}}}=10\,n\,\log_{10}\!\frac{D_{\mathrm{ref}}}{D},\quad n=5\sim 6$$
| 기호 | 뜻 |
|---|---|
| $U$ | 깃끝 속도 $\Omega R$ |
| $C_T$ | 추력계수(기준 로터의 호버값 0.0108 — 1.7.7.1 표의 6,432 rpm·깃끝 속도 85.5 m/s에서 계산) |
| $n$ | 소음의 속도 지수(5 또는 6, 이론) |
| $D_{\mathrm{ref}}$ | 기준 지름(0.254 m) |
2 kg 쿼드콥터(로터 한 개당 추력 4.905 N)에서 지름을 바꿀 때의 값이다.
| 지름 [m] | 깃끝 속도 [m/s] | 소음 변화 [dB] | 이상 호버 동력(로터당) |
|---|---|---|---|
| 0.20 | 108.6 | +5.2 ~ +6.2 | 39.2 W |
| 0.254(기준) | 85.5 | 0 | 30.8 W |
| 0.30 | 72.4 | −3.6 ~ −4.3 | 26.1 W |
| 0.40 | 54.3 | −9.9 ~ −11.8 | 19.6 W |
지름을 키우면 소음뿐 아니라 이상 호버 동력도 준다(디스크 하중이 낮아진다, 1.2.3). 조용한 설계와 효율적인 설계가 같은 방향이다. 대가는 질량과 관성이다. 큰 로터는 응답이 느려 제어가 둔해지고(1.1.7.3), 같은 모터에서 토크 요구가 커진다(1.3). 이 표는 추력계수 일정의 이론이며 실측의 지수는 5~6을 벗어날 수 있다 (확인 필요). 기준 로터의 깃끝 속도 85.5 m/s는 마하 0.25이고 압축성 효과는 훨씬 높은 마하수에서 두드러진다(1.3).
1.31.5 데시벨 연산 — 합산·거리·지면·대기
결론부터: 소음은 로그 척도라서 더하고 곱하는 감각이 선형과 다르다. 10 dB 낮은 소리를 더해도 레벨이 거의 변하지 않고, 같은 소리 둘은 3 dB 커지며, 거리가 두 배면 6 dB 줄어든다.
레벨 $L_i$의 비간섭 합산과 점음원의 거리 감쇠는 다음이다.
$$L=10\log_{10}\sum_i 10^{L_i/10},\qquad L_p(r)=L_W-20\log_{10}r-8-\frac{\alpha\,r}{1000}$$
$L_W$는 음향 파워 레벨, $r$는 거리 [m], 상수 $-8$은 반사 지면 위의 반구 방사(자유음장 점음원이면 $-11$)이다. $\alpha$는 대기 흡수 계수 [dB/km]다. 합산은 다음과 같다(파이썬 계산).
| 합산 | 결과 |
|---|---|
| 60 dB + 60 dB | 63.0 dB |
| 60 dB + 50 dB | 60.4 dB |
| 60 dB + 40 dB | 60.04 dB |
| 같은 소음원 2·4·6·8개 | +3.0·+6.0·+7.8·+9.0 dB |
대기 흡수는 주파수가 높을수록 급히 커지고 온도·습도에 달린다. ISO 9613-1의 순음 계수를 20 °C·상대습도 70 %에서 계산하면 다음과 같다.
| 주파수 [Hz] | 125 | 250 | 500 | 1,000 | 2,000 | 4,000 | 8,000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 흡수 [dB/km] | 0.33 | 1.1 | 2.8 | 5.0 | 9.0 | 23.1 | 77.6 |
그림은 음향 파워 레벨 87 dB(A)인 점음원의 레벨이다. 거리 100 m 안에서는 기하 감쇠가 거의 전부이고 흡수는 4 kHz에서도 2.3 dB 이내다. 500 m에서 4 kHz 성분은 퍼짐만 있을 때보다 11.5 dB 더 줄고 1 km에서는 23 dB 더 줄어든다. 그래서 멀어질수록 같은 기체가 낮은 음으로 들린다. 이 계산은 단일 주파수·무방향 점음원 가정이며 지면 흡수·바람·온도 구배는 넣지 않았다. 실제 로터 소음은 방향성이 있어 로터 면의 아래와 옆에서 레벨이 다르다 (문헌 정성).
1.31.6 심리음향 — 같은 dB인데 왜 더 거슬리는가
소음 측정기의 표준 지표는 A 가중 레벨($\mathrm{dB(A)}$)이다. 사람 귀가 낮은 소리에서 저주파에 둔하다는 점을 반영해 주파수별로 보정한다. IEC 61672-1의 식은 다음이다.
$$A(f)=20\log_{10}\!\frac{12194^2 f^4}{(f^2+20.6^2)\,\sqrt{(f^2+107.7^2)(f^2+737.9^2)}\,(f^2+12194^2)}+2.00\ \mathrm{dB}$$
| 주파수 [Hz] | 63 | 125 | 250 | 500 | 1,000 | 2,000 | 4,000 | 8,000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $A(f)$ [dB] | −26.2 | −16.2 | −8.7 | −3.2 | 0.0 | +1.2 | +1.0 | −1.1 |
소형 프로펠러의 BPF 기본 톤은 대개 100~500 Hz에 있어 A 가중으로 크게 깎인다(기준 로터의 214 Hz에서 10.1 dB). 반면 1~4 kHz의 광대역과 고조파는 그대로 남는다.
A 가중 레벨 하나로는 소리의 음질을 알 수 없다. 심리음향은 여러 지표로 나눈다.
| 지표 | 단위 | 무엇을 나타내나 | 드론 소음과의 관계 |
|---|---|---|---|
| 라우드니스 | sone | 크기감(ISO 532-1) | 레벨과 함께 움직임 |
| 날카로움(sharpness) | acum | 고주파 비중 | 광대역 고주파가 많으면 큼 |
| 거칠기(roughness) | asper | 약 15~300 Hz의 빠른 진폭 변조 | 로터 맥놀이 |
| 변동 강도 | vacil | 약 20 Hz 이하의 느린 변조 | 회전수 변화·바람 |
| 톤성(tonality) | — | 광대역 위의 톤 돌출(ECMA-418-2, ISO 1996-2의 톤 보정) | BPF 톤 |
"드론 소음이 더 거슬린다"는 보고는 있다. NASA 랭글리의 예비 피험자 시험(Christian·Cabell, 2017)은 비슷한 레벨에서 도로 차량보다 무인기가 더 거슬린다고 평가했고, 후속 연구들도 사중 로터 소음의 심리음향적 성가심이 높다고 보고한다(Hui 등 2021이 인용 (원문 결과 절 직접 확인 못함)). 그러나 원인은 아직 정리되지 않았다. Hui 등(2021, 국제환경연구공중보건지)의 시험에서는 성가심이 세기 지표(L_Aeq·라우드니스 등)와 강하게 상관했고 날카로움·거칠기·변동 강도는 약하게 상관했다. 저자들은 세기를 넘어선 요인(지속 시간·톤·배경)을 더 살펴야 한다고 결론 내렸다. 또 같은 최대 레벨에서 낮은 고도의 호버가 지나가는 비행보다 더 거슬렸다. 설계에는 레벨을 낮추는 일이 먼저이고, 톤과 변조를 줄이는 일이 다음이다.
사람 곁 1~2 m에서 소음과 하강풍이 대화·불쾌감에 미치는 영향은 7.16.4.3이 다룬다.
1.31.7 측정 — 규격 방법과 야외 측정의 변수
같은 "소음"이라도 무엇을 재느냐에 따라 세 종류가 있다.
| 종류 | 무엇을 재나 | 방법 | 용도 |
|---|---|---|---|
| 음향 파워 레벨 $L_{WA}$ | 기체가 방사하는 소리의 총량(거리와 무관) | 정지 호버 상태에서 반구 면 위 마이크로폰(ISO 3744) | 제품 표시·한도(EU) |
| 비행 소음 | 이륙·접근·상공 통과에서 지상 한 점의 레벨 | 비행시험, 유효감지소음레벨(EPNL)·소음 노출 레벨(SEL) 같은 지표 | 소음 증명(20.11) |
| 현장 소음 | 지역 사회가 장기간 받는 평균 레벨 | $L_{Aeq}$·$L_{den}$ 장기 측정(ISO 1996) | 환경 평가·수용성(21.10) |
EU의 호버 측정은 EN ISO 3744:2010을 기초로 한다. 반사면 위에 반구형 마이크로폰 배열을 두고, 최대이륙중량·충전된 배터리 상태로 호버링한 기체를 재며, 기체 구성마다 반복 측정해 가장 높은 값을 정수로 반올림한다. 표시값(보장 값)은 측정값에 확장 불확도를 더한 값이다. 호버 높이 0.5 m 규정은 2020/1058 개정에서 본문에서 빠지고 초안 표준에 남았다(DLR·UBA 논문).
DLR·UBA의 실측 사례(Treichel 등, 2022)가 어려움을 보여 준다. 12개 마이크로폰, 반경 4 m로 소형 쿼드콥터 등을 재서 0.5 kg급이 $L_{WA}$ 80.3 dB(A), 1.32 kg이 85.5, 2.355 kg이 87.3, 6~10 kg 멀티콥터가 96~98.6 dB(A)였다. 확장 불확도는 약 3 dB였다. 어려움은 다음과 같다.
- 배경 소음 보정. ISO 3744의 최소 반경 4 m는 원래 건설기계용이다. 4 kg 미만 기체에는 이 반경이 너무 멀어 기체 소음과 배경의 차이가 모자라고 보정이 무효가 되는 경우가 있었다.
- 호버 위치 유지. 규정된 위치 오차 ±0.05 m를 위성항법만으로 충족하기 어렵고, 삼각대·줄로 묶으면 제어기가 추력을 바꿔 측정이 왜곡된다.
- 환경 변수. 바람(마이크로폰 풍잡음)·지면 종류(반사·흡수)·온도와 습도(흡수)·배터리 충전량에 따른 회전수 변화·반복성이 모두 불확도에 들어간다.
EASA는 2023년경 최대이륙중량 600 kg 미만 무인기의 소음 측정 지침(호버와 수평 비행 두 절차)을 자발적 지침으로 냈다 (발간일 확인 필요). 인증이 아니라 특정 범주 운용 승인에서 당국이 참고할 수 있게 한 것이다.
1.31.8 규제와 요건
| 체계 | 요건 | 확인 |
|---|---|---|
| EU 규정 2019/945(개방 범주 기체) | C1·C2 비고정익은 $L_{WA}$ 표시. 한도: C1(250 g~900 g 미만) 85 dB, C2(900 g~4 kg 미만) $85+18.5\log_{10}(m/900\,\mathrm{g})$ dB(첫 단계). 이후 단계에서 낮아지는 값(83·81 dB 계열)과 시점은 (확인 필요). C3 등은 표시만 | 2차 대조 |
| EASA 지침(600 kg 미만) | 호버·수평 비행 소음 측정의 자발적 지침 | EASA 보도 |
| ICAO Annex 16 Vol. I | 헬리콥터(제8장·제11장)와 틸트로터(제13장·부록 F)의 소음 증명 기준. 무인기·eVTOL 전용 기준은 확인하지 못했다 (확인 필요) | 검색 요약 |
| FAA 14 CFR Part 36 | 틸트로터 기준을 2013년 ICAO 제13장에 맞춰 채택(관보 2013-01-08). 동력양력(eVTOL)의 소음 기준은 (확인 필요) | 관보 |
| WHO 유럽 지침(2018) | 항공기 소음 $L_{den}$ 45 dB, $L_{night}$ 40 dB 미만 권고(강한 권고) — 드론 전용이 아님 | 2차 요약 |
| 한국 | 소음기준 적합증명과 무인기·도심항공교통 적용은 확인하지 못했다 (확인 필요) | 20.11 |
DLR·UBA의 측정에서 표시값(불확도를 더한 값)이 첫 단계 한도를 넘은 기체가 있었다(1.32 kg 쿼드콥터의 표시 89 dB 대 한도 88.1 dB). 다만 이 논문은 결과가 표준에 완전히 부합하는 대표값이 아니라고 단서를 붙였다. 측정 방법의 불확도가 한도 여유보다 크면 한도는 충족하기 어려운 요건이 된다.
AAM의 소음은 별도 쟁점이다. 한 번의 상공 통과 레벨보다 반복 운항의 평균 레벨과 호버·이착륙의 레벨이 입지를 정한다(18.26). 도심 소음 목표를 정하는 방식은 크게 셋이다.
- 음압 레벨 한도. 이륙·접근·통과의 최대 레벨(예: $L_{Amax}$)이나 소음 노출 레벨(SEL)에 상한을 둔다. 인증과 연계되기 쉽다.
- 누적 지표. 하루 평균($L_{den}$)처럼 빈도와 시간대를 가중한다. 운항 횟수가 늘면 평균이 올라 운항 규모가 소음 목표를 정한다.
- 배경 대비 초과량. 배경 소음보다 몇 dB 높은가를 본다. 조용한 지역에 엄격하지만 측정과 합의가 어렵다.
WHO 권고는 도심 목표를 정할 때의 참고선이지 eVTOL 기준이 아니다. 소음 인증 절차는 20.11, 수용성은 21.10·21.11, 환경 영향은 21.14에서 다룬다.
1.31.9 워크스루 — 2 kg 쿼드콥터의 소음
가정은 다음과 같다(해면 표준대기, 모두 가상 값).
| 항목 | 값 | 비고 |
|---|---|---|
| 질량·로터 | 2 kg·4개, 지름 0.254 m | 로터당 추력 4.905 N, $C_T=0.0108$ |
| 2날 프로펠러 회전수 | 6,432 rpm | 깃끝 속도 85.5 m/s(마하 0.25). 1.7.7.1 표의 기준 로터(1.3.10의 BEMT) |
| 음향 파워 레벨 $L_{WA}$ | 87 dB(A) | DLR·UBA 측정(1.7 kg 86.9, 2.355 kg 87.3)에 맞춘 가정. 회전수에서 계산한 값이 아니다 |
| 방사·배경 | 반구, 배경 40 dB(A) | 가청 거리 계산용 가정 |
음향 파워 레벨은 실측 문헌에 맞춘 값이라 회전수·깃끝 속도에서 나오지 않는다. 그래서 로터 제원을 기준값으로 바꿔도 87 dB(A)는 그대로다. 깃끝 속도 모형(1.31.4)은 지름을 바꿀 때의 상대 변화(⑤)에만 사용한다.
- ① 톤. BPF는 214 Hz다(회전 주파수 107.2 Hz의 2배). 214·429·643 Hz에 톤이 서며 A 가중으로 각각 10.1·4.3·1.8 dB 깎여서 측정기 값만 보면 낮은 톤이 작아 보인다(1.31.6).
- ② 합산. 로터 한 개가 81 dB(A)이면 네 개는 +6.0 dB로 87 dB(A)다.
- ③ 거리. 반구 방사에서 10·25·50·100·200 m의 레벨은 59.0·51.0·45.0·39.0·33.0 dB(A)이다. 대기 흡수(4 kHz 성분)를 넣으면 100 m에서 36.7, 200 m에서 28.4 dB(A)다.
- ④ EU 한도와의 비교. 2 kg의 C2 첫 단계 한도는 $85+18.5\log_{10}(2000/900)=91.4$ dB다. 87 dB(A)는 여유가 4.4 dB다. 뒤 단계가 83·81 dB 계열이면 한도는 89.4·87.4 dB로 내려가 이 기체는 한도 부근이 된다
(단계값 확인 필요). 표시값은 불확도 약 3 dB를 더해 90 dB가 되므로 첫 단계 한도에도 여유가 1.4 dB뿐이고, 뒤 단계 값이 위와 같다면 한도를 넘는다. - ⑤ 지름 변경. 지름을 0.30 m로(18 %) 키우면 깃끝 속도는 72.4 m/s, 소음은 3.6~4.3 dB 줄어 82.7~83.4 dB(A)가 된다. 이상 호버 동력은 로터당 30.8 W에서 26.1 W로 15 % 준다.
- ⑥ 가청 거리. 배경 40 dB(A)에서 87 dB(A) 기체는 퍼짐만으로 89 m, 4 kHz 흡수까지 넣으면 73 m에서 배경과 같아진다. 지름 0.30 m 기체는 54~59 m로 줄어 가청 거리가 34~39 % 짧아진다. 배경이 30 dB(A)로 조용하면 87 dB(A) 기체의 가청 거리는 282 m(퍼짐만)로 3.2배 늘어난다. 도심 조용한 밤에 같은 기체가 더 멀리서 들리는 이유다.
결론: 지름을 18 % 키워 약 4 dB(3.6~4.3 dB)를 줄이면 가청 거리는 3분의 1 넘게 짧아진다. 깃끝 속도가 소음에 가장 민감한 설계 변수다. 그러나 이 가청 거리는 사람 귀가 배경과 구별하는 평균 레벨의 어림이고 톤이 배경 아래에서도 들리는 협대역 효과는 넣지 않았다.
1.31.10 저감 설계 트레이드오프
설계 선택지는 소음을 줄이는 곳에 따라 셋이다.
- ① 소음원 쪽(지름 증가·깃끝 속도 감소·깃 수·깃 형상). 가장 효과가 큰 길이다. 지름을 키우고 회전수를 낮추며 깃 수를 늘려 부하를 나눈다. 대가는 질량·관성·부피, 깃 수 증가에 따른 BPF 상승과 효율 변화다(1.3). 소형 기체는 제어 응답이 느려질 수 있다.
- ② 소음 구조 쪽(불균등 간격·로터 배치·위상·덕트). 깃을 불균등한 간격으로 배치하면 BPF 톤의 에너지가 여러 주파수로 퍼져 톤성이 준다
(문헌 정성). 인접 로터 사이의 거리와 위상을 조절해 간섭을 줄이는 연구가 있고(연구 단계, 확인 필요), 덕트는 팁 와류 소음을 줄이지만 흡입구 소음과 무게가 는다(1.3). - ③ 운용 쪽(고도·경로·시간대·호버 회피). 고도를 100 m에서 120 m로 올리면 직하 거리가 20 % 늘어 1.6 dB 준다. 사람이 적은 경로와 시간대를 고르고 낮은 고도 호버를 줄인다. 대가는 항속·임무 제약이다.
견해: 설계 초기에 지름과 깃끝 속도를 소음 목표에서 역산하는 편이 낫다고 본다. 근거는 둘이다. 첫째, 소음은 깃끝 속도에 5~6제곱으로 민감해서 소음원 쪽 대책의 효과가 다른 둘을 합친 것보다 크다. 둘째, 큰 로터는 소음과 호버 동력을 함께 줄이므로 목표가 충돌하지 않는다(1.2.10). 다만 군용 소형 기체나 휴대성이 우선인 민간 기체는 지름을 키우기 어려워 ②와 ③에 기대야 한다. 측정 없이 이론 지수만으로 목표를 정하면 틀릴 수 있어 프로펠러 시험대에서 확인한다(1.3).
1.31.11 군용 음향 시그니처 — 탐지 거리의 개념
군용에서 소음은 탐지 거리의 문제다. 소음원 레벨이 배경 소음과 탐지 문턱의 합을 넘는 거리까지 들린다. 개념식은 다음이다.
$$L_W-8-20\log_{10}r_d-\frac{\alpha\,r_d}{1000}=L_{bg}+D_T$$
$r_d$는 탐지 거리, $L_{bg}$는 배경 레벨, $D_T$는 탐지 문턱(필요 신호 대 잡음비)이다. 이 식이 주는 개념은 둘이다. 첫째, 레벨을 10 dB 줄이면 탐지 거리는 3.2배 짧아진다(퍼짐만 있을 때). 둘째, 탐지 문턱은 수신자에 달려 있다. 사람 귀는 광대역으로 듣지만 마이크로폰 배열과 협대역 분석은 광대역 배경보다 낮은 톤도 찾아낸다(6.9·11.1). 그래서 귀에 안 들리는 거리가 탐지되지 않는 거리가 아니다.
공개된 일반 원리로 저감의 방향은 위의 1.31.10과 같다(큰 지름·낮은 깃끝 속도·불균등 간격·톤 억제). 이 책은 특정 방공·음향 탐지 체계의 성능이나 그것을 회피하는 절차를 다루지 않는다. 시그니처 관리의 일반 원리는 5.6다.
1.31.12 세 축 비교
| 항목 | 군용 드론 | 민간 UAS | AAM |
|---|---|---|---|
| 소음의 의미 | 음향 시그니처·생존성 | 제품 표시·민원·야간 운용 | 소음 증명과 사회적 수용성 |
| 우선 지표 | 탐지 거리(협대역·톤) | $L_{WA}$(EU), 음압 레벨 | 호버·상공 통과 레벨, 평균 레벨 |
| 지배 설계 변수 | 깃끝 속도·톤 억제, 소모성은 비용 | 지름·깃끝 속도(휴대성과 충돌) | 지름·디스크 하중·깃 수 |
| 규제 | 군 규격(5.6) | 규정 2019/945, 지역 조례 | Annex 16 계열 소음 증명(20.11)과 입지 규제(18.26) |
| 관련 장 | 5.6·6.9 | 14.2·21.11 | 18.26·21.10 |
1.31.13 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 |
|---|---|---|---|
| EN ISO 3744:2010 | ISO·CEN | 반사면 위 정지 소음원의 음향 파워 레벨(엔벨로프 면 방법) | 20.11 |
| EN 4709-001 | ASD-STAN·CEN | UAS 제품 요건과 입증, 소음 측정 상세(DIN판은 초안 단계로 인용됨) (판·범위 확인 필요) | 17.11 |
| ISO 9613-1:1993 | ISO | 순음의 대기 흡수 계수 | — |
| IEC 61672-1 | IEC | 소음계와 A·C 주파수 가중 | — |
| ISO 1996-1·-2 | ISO | 환경 소음의 기술·평가(톤 보정 포함) | 21.10 |
| ISO 532-1:2017 | ISO | Zwicker 라우드니스 | — |
| ECMA-418-2 | ECMA | 톤성·라우드니스·거칠기 모델 (판 확인 필요) | — |
| ICAO Annex 16 Vol. I | ICAO | 항공기 소음 증명(헬리콥터·틸트로터 포함) | 20.11 |
| ICAO Doc 9501 | ICAO | 환경기술 매뉴얼, 소음 증명 절차 | 20.11 |
유료 표준의 본문은 옮기지 않았다. 규격의 지형은 9.1, 찾는 법은 0.9에 있다.
1.31.14 관련 규제·인증 요구와의 연결
| 이 장의 기술 | 일으키는 규제·인증 요구 | 상세 |
|---|---|---|
| 호버 음향 파워 레벨 | EU 규정 2019/945의 $L_{WA}$ 표시·한도, CE 표시 | 17.11·17.18 |
| 로터 소음 | 소음 증명(헬리콥터·틸트로터 기준, eVTOL은 개발 중 (확인 필요)) | 20.11·17.7·17.14 |
| 도심 반복 운항 | 입지·조례·야간 운용 제한 | 18.26·18.27 |
| 지역 민원 | 시민 구제와 소음 분쟁 | 21.11 |
| 환경 평가 | 소음·탄소를 포함한 환경 영향 | 21.14 |
| 군용 시그니처 | 소음 시그니처 요건 | 5.6 |
1.31.15 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| "dB 값이 같으면 같은 소음이다" | 톤성·변조·지속 시간이 다르면 성가심이 다르다 | 1.31.6 |
| "A 가중 레벨이 낮으면 조용하다" | 저주파 톤이 깎여 보이고 음질은 알 수 없다 | 1.31.6 |
| "음향 파워 레벨과 음압 레벨은 같다" | $L_{WA}$는 총량이고 음압 레벨은 거리·반사·흡수의 함수다 | 1.31.5 |
| "거리가 멀면 들리지 않는다" | 조용한 배경에서는 수백 m, 협대역 분석은 더 멀리 찾는다 | 1.31.9·1.31.11 |
| "5~6제곱 법칙으로 소음을 예측한다" | 이론 지수이고 실측은 어긋난다. 시험대 측정이 필요하다 | 1.3 |
이 장의 한계도 밝혀 둔다. 워크스루의 $L_{WA}$와 스펙트럼 모양은 가정이고 지름·깃끝 속도 계산은 추력계수 일정의 이론이다. 미해결: 드론 소음의 성가심을 설명하는 심리음향 모형, 도심 반복 운항의 평균 레벨 목표, eVTOL의 표준 측정 절차, 협대역 탐지와 사람 반응을 잇는 지표가 정리되지 않았다.
1.31.16 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 2날 프로펠러 5,400 rpm의 BPF와 처음 세 고조파는? 깃 수를 3으로 늘리면?
- 같은 소음원 네 개의 합산 레벨은 한 개보다 몇 dB 큰가? 60 dB와 40 dB를 합하면?
- 추력이 같을 때 로터 지름을 0.254 m에서 0.40 m로 바꾸면 깃끝 속도와 소음은 어떻게 달라지는가?
- 음향 파워 레벨 87 dB(A) 점음원의 반구 방사에서 50 m의 레벨은? 거리를 두 배로 하면?
- A 가중이 BPF 톤을 어떻게 다루는지 설명하고, 그것이 "작아 보이는 톤"과 무슨 관계인지 말하라.
- EU 규정의 $L_{WA}$ 표시값이 측정값보다 높은 이유는? 한도 여유와 불확도의 관계는?
연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)
- 소음 예측의 설계 통합 — BEMT 수준의 단순 모형으로 호버 소음의 톤과 광대역을 설계 초기에 예측할 수 있는가(1.3)?
- 성가심 모형 — 세기 이외에 톤·변조·지속 시간·배경 소음을 어떻게 한 지표로 묶는가? 반복 운항에서는 어떻게 달라지는가?
- eVTOL 소음 측정 절차 — 호버·천이·상공 통과의 측정 절차를 소음 증명과 현장 소음 평가에 어떻게 일치시킬 것인가(20.11)?
- 소형 기체의 $L_{WA}$ 측정 불확도 — 4 kg 이하 기체에 맞는 마이크로폰 반경과 위치 유지 방법을 어떻게 정할 것인가?
1차 출처(이 장)
- 규정 (EU) 2019/945(위임규정) 부속서의 소음 관련 부분(측정·표시·한도) 및 개정 2020/1058·2024/1108
(EUR-Lex 원문 직접 확인 못함). - Treichel, J.; Foerster, J.; Volkert, A.; Lieb, T. J., "Applicability of ISO standard 3744 to UA," EuroRegio 2022(UBA·TU Berlin·DLR).
- EASA, Guidelines on Noise Measurement of Unmanned Aircraft Systems Lighter than 600 kg Operating in the Open and Specific Category
(발간일·판 확인 필요). - ICAO, Annex 16 Vol. I, Environmental Protection — Aircraft Noise; ICAO Doc 9501 Environmental Technical Manual. FAA, "Noise Certification Standards for Tiltrotors," Federal Register, 2013-01-08.
- Hui, C. T. J. 외, "Quantification of the Psychoacoustic Effect of Noise from Small Unmanned Aerial Vehicles," Int. J. Environ. Res. Public Health 18(17): 8893, 2021. Christian, A.; Cabell, R., AIAA 2017-4051(NASA NTRS 20170005870).
- Brooks, T. F.; Pope, D. S.; Marcolini, M. A., Airfoil Self-Noise and Prediction, NASA RP-1218, 1989. Hubbard, H. H.(편), Aeroacoustics of Flight Vehicles: Theory and Practice, NASA RP-1258, 1991. Leishman, J. G., Principles of Helicopter Aerodynamics, 2nd ed., Cambridge UP, 2006.
- Zwicker, E.; Fastl, H., Psychoacoustics: Facts and Models, 3rd ed., Springer, 2007. WHO Regional Office for Europe, Environmental Noise Guidelines for the European Region, 2018. ISO 3744·ISO 9613-1·IEC 61672-1(유료 표준, 본문 미열람). 출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.
다음 장: 1.32에서 기체를 둘러싼 공기 자체를 본다. 밀도 고도와 고온 고지의 성능 감소, 경계층 풍속과 난류, 도심 건물 주변의 바람장, 착빙·강수·번개, 온도 극한과 먼지·염분·습기, 기상 정보와 운용 한계의 설정을 다룬다. 이 장의 소음이 기체가 공기에 일으키는 변화라면, 다음 장은 공기가 기체에 일으키는 변화다.