1. 서 론
2. 마이크로폰의 측정 원리
3. 실험 구성
3.1 모형 콘크리트 벽체 및 공동
3.2 마이크로폰 신호 측정시스템
3.3 마이크로폰 신호의 측점
4. 실험 결과 및 분석
4.1 신호의 정규화 및 윈도우 적용
4.2 주파수 영역에서의 마이크로폰 신호
5. 요약 및 결론
1. 서 론
최근 도심지 중심으로 인구가 과밀화되고 지상의 도로교통망이 포화됨에 따라 지하구조물의 건설이 증가하고 있다(Kim, 2019). 지하구조물 주변 매설관이 파괴되는 경우, 매설관 내부로 주변 흙이 이동하거나 매설관에서 유출된 물에 의해 흙이 유실됨에 따라 공동이 발생할 수 있다(Jaganathan et al., 2010). 특히, 지하구조물의 배수체계(drainage system)가 파괴되는 경우에는 벽체의 배면에 공동이 발생하여 벽체의 건전도가 심각하게 저하될 수 있다(Cho et al., 2016). 벽체 배면의 공동은 벽체의 파괴 이전에 미리 인지되기 어려우며, 오래 방치될 경우 결국 구조물이 파괴되어 심각한 피해가 발생할 수 있다(Hong et al., 2015; Fernandes and Pais, 2017).
벽체 배면의 공동에 대한 검측에는 벽체의 손상을 최소화할 수 있는 비파괴 탐사법이 주로 적용되고 있다. 콘크리트 벽체 구조물에 주로 적용되고 있는 탐사법으로는 적외선 열화상(infrared thermography, IRT) 탐사법, 지하투과레이더(ground penetrating radar, GPR) 탐사법 등이 있다(Cheng et al., 2008; Hong and Lee, 2018; Kang et al., 2017a; Kang et al., 2017b). Cho et al.(2016)은 콘크리트 판의 배면에 공동을 모사하였으며, 가열 및 냉각 과정에 따른 판 표면의 적외선 열 화상 이미지를 측정하였다. 측정 결과, 공기와 흙의 비열 차이로 인해 공동이 존재하는 구역에서는 존재하지 않은 구역에 비해 급격한 온도 변화를 보였다. 그러나 적외선 열화상 탐사법은 주변 기온과 판의 표면 상태에 의해 측정값이 크게 좌우될 수 있어 정확도가 일관되지 않을 수 있다(Büyüköztürk, 1998). Hong et al.(2018)은 도심지 내 지반이완 발생지역에 대하여 GPR 탐사법을 적용하였으며, 상대밀도가 감소하는 조밀한 흙 (상부)과 느슨한 흙 (하부)의 경계면에 해당하는 GPR 신호 위상을 선별하였다. 이후 전체 지역 중 해당 GPR 신호 위상을 보이는 지역을 상대밀도가 낮은 구간 (혹은 공동)으로 평가하였다. 그러나 전자기파를 이용하는 GPR 탐사법의 특성상 금속 물질에서 강한 반사파가 나타나며, 벽체 배면의 공동 검측에 적용될 경우 내부 철근에서의 강한 반사파가 벽체 배면의 지반 (혹은 공동)으로부터의 중요 신호를 가릴 위험이 있다(Yang et al., 2020).
Ganji et al.(1997)는 매설물의 규격 및 심도가 다양한 여러 지반 모델에 대하여 지반 접촉식(ground-coupled) 수신기를 이용하여 SASW(spectral analysis of surface wave) 방법을 적용하였으며, 분산 곡선 상의 요동(fluctuation)이 나타나는 구역을 매설물의 위치로 구분하였다. Al Wardany et al.(2007)은 콘크리트 슬래브의 건전도 및 다층 구조를 평가하기 위하여 지반 접촉식 수신기를 이용하여 표면파를 분석하였으며, 표면파 탐사 결과에 대한 철근 규격 및 간격의 영향은 작다고 평가하였다. 이와 같이 표면파 탐사법은 구조물 배면 공동 검측 시 비교적 내부 철근의 영향을 최소화할 수 있다. 그러나 기존 연구와 같이 표면파의 측정을 위하여 지반 접촉식 수신기를 이용할 경우, 대상 지반과의 접촉 상태에 따라 측정 신호가 달라질 수 있으며, 정확도가 저하될 위험이 있다(Hu et al., 2018).
본 연구에서는 비접촉식(air-coupled) 수신기를 이용하여 적외선 열화상과 GPR의 단점을 보완할 수 있는 표면파를 측정하고자 한다. 표면파 측정에 이용될 수 있는 비접촉식 수신기로는 가청주파수 영역의 마이크로폰(microphone)과 초음파 영역의 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer)가 있다(Zhu, 2008). 일반적으로 벽체 구조물은 주로 낮은 주파수 영역의 표면파를 이용하여 운동성 스펙트럼 및 동적 강성을 산정함으로써 건전도를 평가하므로(Ottosen et al., 2004; ASTM C1740, 2016), 마이크로폰이 보다 적합하다. 본 연구에서는 콘크리트 벽체에서의 누설 탄성 표면파를 측정하는 비접촉식 수신기로서 마이크로폰을 이용하였다. 배면의 흙에 공동이 발생한 콘크리트 벽체 구조물을 모사한 토조에 대하여 임팩트 해머와 마이크로폰을 이용하여 누설 탄성 표면파를 생성하고 측정하였다. 공동이 존재하는 구역과 존재하지 않은 구역에 대하여 마이크로폰 신호를 측정하였으며, 측점의 위치에 따른 고유주파수를 비교하였다. 본 논문은 누설 탄성 표면파와 마이크로폰에 대한 이론적 배경을 포함하며, 마이크로폰 신호를 이용한 벽체 배면의 공동 검측을 위한 실험 구성, 실험 결과 및 분석, 그리고 결론으로 구성되었다.
2. 마이크로폰의 측정 원리
마이크로폰의 종류에는 다이나믹 마이크로폰, 리본 마이크로폰, 콘덴서 마이크로폰 등이 있다. 각 마이크로폰 종류에 대한 특징을 Table 1에 정리하였다(King, 2016). Table 1과 같이 다이나믹 마이크로폰과 리본 마이크로폰은 주파수에 따른 마이크 감도(sensitivity)가 일정하지 않다는 단점에 의하여 연구에 적합하지 않다. 콘덴서 마이크로폰은 최대 25kHz의 주파수 범위까지 일정한 주파수 응답을 보인다(Zhu, 2008). 또한 외부 전자기파에 의한 잡음이 비교적 작고, 측정 가능한 주파수 영역이 넓다(Ballou, 2003; Bies et al., 2017). 이와 같은 이유로 본 연구에서는 콘덴서 마이크로폰을 이용하여 누설 탄성 표면파를 측정하였다. 일반적인 콘덴서 마이크로폰의 개요도를 Fig. 1에 나타내었다. 측정부인 일렉트릿 콘덴서(electret condenser)의 내부에는 고정된 백 플레이트(back plate)와 얇은 막 형태의 진동판(electret diaphragm)이 존재한다. 누설 탄성 표면파 입력 시 음압으로 인하여 측정부의 진동판이 진동하게 된다. 이로 인하여 백 플레이트와 진동판 사이의 간격이 변함에 따라 정전용량 또한 변하게 되어 입력된 누설 탄성 표면파는 마이크로폰 내부의 회로(microphone circuit)를 거쳐 전기적 신호로 출력된다.
Table 1.
Comparison of microphone types
벽체 구조물 표면에 타격을 가할 경우 Fig. 2와 같이 구조물의 표면을 따라 전파되는 표면파가 생성된다. 표면파에 의한 구조물 표면의 진동은 인접한 공기 입자에게 전달되고, 점차 공기 중으로 퍼져 나가며 음파가 생성된다. 이와 같이 표면파에 의해 생성된 음파를 누설 탄성 표면파(leaky surface acoustic wave)라고 한다(Zhu and Popovics, 2005; Ryden et al., 2006; Larson et al., 2003). 누설 탄성 표면파에 의한 공기의 입자속도는 구조물 표면의 입자속도와 비례한다(Zhu, 2008). 벽체 구조물을 타격할 시, 누설 탄성 표면파 이외에도 Fig. 2와 같이 타격 지점에서 구조물을 거치지 않고 곧바로 공기 중으로 전파되는 직접파(direct acoustic wave) 또한 발생한다. 직접파는 누설 탄성 표면파와는 달리 구조물의 정보를 포함하지 않으며, 마이크로폰에 집음기(waveguide)를 부착함으로써 직접파의 진폭을 약화시킬 수 있다(Larson et al., 2007; Kang et al., 2020).
3. 실험 구성
3.1 모형 콘크리트 벽체 및 공동
실험은 콘크리트 벽체 배면에 공동이 발생한 흙과 벽체 배면에 공동이 없는 흙(intact soil)에 대해 수행하였다. 콘크리트 벽체를 모사하기 위해 Fig. 3과 같이 길이 1,200mm, 폭 1,000mm, 높이 1,150mm의 토조를 제작하였다. 토조의 앞면에는 길이 1,100mm, 두께 140mm, 높이 1,100mm인 철근으로 보강된 콘크리트 판을 설치하여 콘크리트 벽체를 모사하였다. 일반적인 철근 콘크리트 구조물의 경우 철근이 격자로 배근되므로, 마이크로폰 신호 측정과 해머 타격을 특정 방향으로 이동해가며 탐사할 경우 대부분 철근이 탐사 방향과 직교할 것으로 판단하였다. 이에 따라 본 연구에서는 철근 콘크리트 벽체를 단순화하고자 z 방향으로 철근을 배치한 이후, 탐사 방향은 철근 방향과 수직하는 x 방향으로 설정하였다. 철근의 길이는 판의 높이와 동일한 1,100mm이다.
콘크리트 판 설치 후 Fig. 3(a)와 같이 직경이 300mm인 속이 빈 반구형 플라스틱 통을 콘크리트 판 배면에 설치하여 공동을 모사하였다. 통의 재질은 LDPE(low-density polyethylene)로서 탄성 계수가 약 170~280MPa(Callister and Rethwisch, 2020)이며, 이는 조밀한 모래에 대한 값과(160~320MPa)와 유사하다(Obrzud and Truty, 2012). 두 재질의 탄성 계수가 서로 유사하므로 플라스틱과 흙과의 임피던스 차이로 인한 오차는 최소화된 것으로 판단하였다. 공동의 중심은 Fig. 3(a)와 같이 콘크리트 판 왼편으로부터 x 방향으로 550mm, 콘크리트 하단으로부터 z 방향으로 375mm 떨어진 지점에 위치하도록 하였다. 공동의 중심을 지나는 xy-평면에 대한 토조의 저면도(bottom view)를 Fig. 3(b)에 나타내었다. 공동이 설치된 이후, 입경(D50)이 0.63mm이고 비중과 마찰각이 각각 2.65와 36°인 건조 모래를 이용하여 토조를 조성하였다. ASTM D698(2012)에 따르면, 흙의 다짐시험 시 24.5N의 해머를 304.8mm의 낙하고에서 25회 혹은 56회 낙하시켜 다짐을 수행한다. 본 연구에서는 모형 공동 이외의 공간을 조밀하게 조성하고자 ASTM D698(2012)에 비하여 해머 낙하고를 크게 증가시켰으며, 무게 24.5N, 직경 50mm인 해머를 700mm의 높이에서 50회 낙하시켜 다짐을 수행하였다. 또한 토조를 높이 100mm마다 구획한 이후 층 다짐을 수행함으로써 토조에 대한 총 다짐횟수를 더욱 증가시켰다. 층 다짐 결과, 토조는 상대밀도가 76%인 것으로 나타나 조밀하게 조성된 것으로 판단하였다(Shah and Shroff, 2003).
철근은 Fig. 3(b)와 같이 130mm의 동일 간격으로 8개가 매설되었으며, 공동의 중심을 기준으로 좌우대칭으로 배치되었다. 즉, 첫 번째와 여덟 번째 철근은 콘크리트 판의 양 외곽으로부터 각각 95mm 떨어진 지점에 위치한다. 네 번째와 다섯 번째 철근은 전체 길이 중 일부가 공동이 존재하는 구역에 포함된다. 두 철근은 공동의 중심으로부터 좌우로 65mm씩 떨어진 지점에 위치한다. 콘크리트 판의 설치 이후, 우레탄 폼(urethane foam)을 이용하여 토조와 판 간의 유격을 메움으로써 흙의 유실을 막고 경계 효과(boundary effect)가 측정 신호에 주는 영향을 최소화하였다.
3.2 마이크로폰 신호 측정시스템
조성된 토조에 대하여 Fig. 4와 같이 임팩트 해머(PCB Piezotronics, 086D05)로 콘크리트 판 표면을 타격하여 누설 탄성 표면파를 발생시켰다. 본 연구에 이용된 해머의 내부에는 로드 셀이 설치되어 있어 타격 시 콘크리트 판에 가해진 하중 신호를 측정할 수 있다. 타격에 의한 콘크리트 판 표면의 손상을 최소화하고자 플라스틱 재질의 해머 팁을 부착하였다. 특히 콘크리트와 임피던스가 비슷한 플라스틱 재질의 팁을 이용함으로써 불필요한 고주파수 영역의 신호를 최소화하고자 하였다(Davis, 2003). 본 연구에 이용된 해머와 해머 팁의 직경은 각각 25mm, 6.3mm이며, 해머의 무게는 10.8N이다.
해머의 타격으로부터 생성된 누설 탄성 표면파는 Fig. 4와 같이 콘덴서 마이크로폰(PCB Piezotronics, 378B02)을 이용하여 측정하였다. 각 측점 상에서 마이크로폰과 콘크리트 판의 간격은 20mm로 유지하였으며, 마이크로폰의 하부에는 직경 70mm의 컵 형태의 집음기를 부착하여 해머 타격에 의한 직접파의 수진을 최소화하였다. 집음기는 콘크리트 판으로부터 표면파가 전달되는 것을 방지하기 위하여 높이를 5mm로 설정하였다. 측점과 해머 타격 지점이 가까울수록 이상 신호의 발생 위치를 정확하게 지정할 수 있으며, 분석 결과의 공간적 해상도가 증가한다(Zhu, 2008). 이에 따라 측점과 해머 타격 지점 간의 간격을 좁게 설정하고자 하였으며, 마이크로폰과 집음기의 직경을 고려하여 70mm로 설정하였다. 해머에서 측정된 하중 신호와 마이크로폰 신호는 Fig. 4와 같이 필터(Krohn-Hite, 3944)를 이용하여 5kHz 이상의 주파수 성분을 제거하였다. 오실로스코프(Keysight, DOSX-3014A)를 이용하여 수진된 신호를 표시하고 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하였으며, 컴퓨터에 저장되었다.
3.3 마이크로폰 신호의 측점
공동이 존재하는 구역(공동 구역)과 존재하지 않은 구역(정상 구역)에서의 마이크로폰 신호를 비교하기 위하여 Fig. 5와 같이 공동의 중심을 기준으로 x 방향으로 총 10개 측점(공동 구역 3개, 공동 경계 1개, 정상 구역 6개)에서 누설 탄성 표면파의 측정을 실시하였다. 각 측점은 공동의 중심으로부터의 거리(D)가 0인 측점(D = 0mm)부터 50mm 간격으로 배치하였다(D = 0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450mm). 모형 공동의 직경이 300mm 이므로 D = 0, 50, 100mm 측점은 공동 구역, D = 150mm 측점은 공동 경계, D = 200, 250, 300, 350, 400, 450mm 측점은 정상 구역 내에 위치하였다. 철근은 공동의 중심을 기준으로 좌우대칭으로 매설되었으며 배근 간격은 130mm로 일정하므로(Fig. 3(b)), 철근의 위치는 Fig. 5와 같이 D = 65, 195, 325, 455mm인 지점이다. 추가적으로, 콘크리트 판 배면에 공동이 없으며(intact soil), 다짐 조건이 동일한 토조에 대하여 누설 탄성 표면파의 측정을 실시하였다. 측점은 공동의 중심으로부터 100mm 간격으로 배치하였다(D = 0, 100, 200, 300, 400mm).
4. 실험 결과 및 분석
4.1 신호의 정규화 및 윈도우 적용
본 연구에서는 해머를 통하여 측정된 하중 신호(load signal in Fig. 6)의 초기 도달 시간을 마이크로폰 출력값의 시계열에 대한 기준 (0ms)으로 설정하고 전체 도달 시간을 정렬하였다. 마이크로폰으로 측정된 신호의 진폭은 타격 에너지의 크기에 따라 달라진다. 이를 보정하기 위하여, 측정된 마이크로폰 신호를 하중 신호의 최대 진폭으로 나누어 정규화 하였다. 정규화된 마이크로폰 신호(normalized signal)의 예시를 Fig. 6에 나타내었다. 해머 타격 시 일부 표면파가 토조 외곽에서 반사된 이후 측점으로 되돌아와 마이크로폰에 측정될 수 있다. 따라서, 마이크로폰 신호에 윈도우를 적용하여 토조 외곽에서 반사된 신호를 최소화하고자 하였다. Fig. 6에 나타낸 정규화된 마이크로폰 신호의 경우, 타격 직후 첫 번째 파군이 최대 진폭으로 나타났으며 약 5.5ms 부근에서 두 번째 파군이 나타났다. 본 연구에서는 두 번째 파군을 토조 외곽에서 반사된 신호로 판단하였으며, 분석 대상에서 제외하고자 하였다. Fig. 6에 나타낸 마이크로폰 신호와 Tukey 윈도우 함수(windowing signal in Fig. 6)를 곱하여 윈도우가 적용된 신호(windowed signal in Fig. 6)을 생성하였다. 모든 측점에 대하여 윈도우 함수의 길이(length)는 8.0ms, 테이퍼율(taper ratio)은 0.25, 테이퍼 구간은 -2.0~-1.0ms, 5.0~6.0ms으로 설정함으로써, 첫 번째 파군이 테이퍼 구간에 포함되지 않도록 하였다. 즉, 모든 측점에 대하여 동일하게 윈도우 함수의 시점(tstart)과 종점(tend)은 각각 -2.0ms, 6.0ms이다. 모든 측점에서 측정한 마이크로폰 신호에 대하여 윈도우를 적용하였으며, 콘크리트 판 배면에 공동이 모사된 토조와 배면에 공동이 없는(intact soil) 토조에서의 신호에 대한 윈도우 적용 결과를 각각 Fig. 7(a)와 7(b)에 나타내었다.
4.2 주파수 영역에서의 마이크로폰 신호
본 연구에서는 윈도우된 마이크로폰 신호를 분석에 이용하였으며, 토조 조성부터 신호 분석까지의 일련의 과정을 Fig. 8과 같이 순서도로 나타내었다. 콘크리트 판 배면에 공동이 모사된 토조에 대한 주파수 영역에서의 마이크로폰 신호를 분석하기 위하여 Fig. 7(a)에 나타낸 윈도우된 마이크로폰 신호를 대상으로 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하였다. 전체 측점 중 D = 0, 100, 200, 300, 400mm 측점에 대한 FFT 결과를 Fig. 9에 실선으로 나타내었다. Fig. 9에서 볼 수 있듯이 측정된 마이크로폰 신호는 다수의 고유주파수(natural frequency)를 보였다. 그 중 가장 낮은 값인 1차 고유주파수는 D = 0mm(Fig. 9(a))에서 117Hz, D = 100mm(Fig. 9(b))에서 123Hz이며, 공동의 중심으로부터 멀어짐에 따라 점차 증가하여 D = 400mm(Fig. 9(e))에서는 324Hz로 나타났다. 또한, 콘크리트 판 배면에 공동이 없는 토조에 대한 D = 0, 100, 200, 300, 400mm 측점에서의 FFT 결과를 Fig. 9에 점선으로 나타내었다. Fig. 9에 따르면 배면에 공동이 없는 토조에서는 약 300Hz에 가까운 1차 고유주파수를 보였다.
콘크리트 판 배면에 공동이 모사된 토조와 배면에 공동이 없는 토조에 대하여, 공동의 중심으로부터의 거리에 따른 1차 고유주파수를 Fig. 10과 같이 각각 실선과 점선으로 나타내었다. 배면에 공동이 모사된 토조의 경우 1차 고유주파수는 D = 0mm에서 가장 낮았으며, D = 0~200mm 구간에 걸쳐 점차 증가하였다. 이후, D = 200~250mm에서 급격히 증가했으며, D = 250~450mm 구간에 걸쳐 다시 점차 증가하였다. 구조물을 타격하여 발생한 신호의 고유주파수는 구조물의 질량, 강성, 지반조건 등에 따라 결정된다(Zhu and Popovics, 2007; Song et al., 2018). 배면에 공동이 존재하는 콘크리트 판에 타격을 가할 경우, 공동 가장자리의 모든 지점이 힌지(hinge)가 되어 공동 구역 상에 위치한 상부 판이 진동하는 굽힘 진동(flexural vibration) 거동을 보일 수 있다(Tong et al., 2006; Kang et al., 2021; Kang et al., 2022). 이러한 굽힘 진동 거동이 나타난 경우 공동이 없는 정상 구역에서 측정한 누설 탄성 표면파에 비하여 더 낮은 주파수 영역의 신호가 측정된다(Sansalone and Streett, 1997; Mori et al., 2002; Zhu and Popovics, 2007). 즉, 측점 D = 0~200mm은 콘크리트 판이 굽힘 진동 거동을 보여 정상 구역에 비하여 1차 고유주파수가 감소하였으며, 이를 통하여 공동 구역은 D = 0~200mm(직경 400mm)으로 평가되었다. 실제 공동 구역이 D = 0~150mm(직경 300mm)임을 고려할 때 공동 직경은 실제보다 과대평가되는 것으로 나타났다. 그러나 Fig. 10과 같이 측점 D = 0~200mm에서의 1차 고유주파수(최댓값 136Hz)는 D = 250~450mm에서의 값(최솟값 275Hz)과 큰 차이를 보이므로, 공동 존재 여부에 대한 정확도는 높은 것으로 나타났다. 또한 Fig. 10과 같이 철근의 위치(D = 65, 195, 325mm)와 가까운 측점 D = 50, 200, 300, 350mm에서는 인접한 측점과 유사하게 1차 고유주파수가 점차 증가하는 경향만을 보였다. 이와 같이 1차 고유주파수 분석을 이용한 공동 구역 평가 시 철근의 영향은 작은 것으로 판단된다. 추가적으로, 콘크리트 판 배면에 공동이 없는 토조(점선)에는 모든 측점(D = 0, 100, 200, 300, 400mm)에서의 1차 고유주파수가 290~310Hz의 범위에 해당하였으며, 공동의 중심으로부터의 거리에 따라 증가 혹은 감소하는 경향은 나타나지 않았다. 이를 통하여 본 연구에서 설정한 측점 위치에 의한 경계 효과 영향은 크지 않으며, 공동 중심에서 멀어질수록 1차 고유주파수가 감소하는 경향은 경계 효과의 영향이 아닌 공동의 존재에 의한 것으로 판단된다.
공동 구역으로 평가된 측점 D = 0~200mm 구간과 1차 고유주파수가 급격히 상승한 D = 200~250mm 구간에 대하여, 각 1차 고유주파수에 해당하는 진폭을 Fig. 11에 나타내었다. Fig. 11에 따르면 측점 D = 0mm에서 최대 진폭을 보인 이후, 공동의 중심으로부터 멀어짐에 따라 진폭이 다소 감소하는 추세를 보였다. 이는 배면에 공동이 존재하는 경우에는 콘크리트 판에 가한 타격 에너지가 구조물 배면의 지반에 전달되지 않고 판 내부에 유지되어 표면파의 감쇠가 작아지기 때문이다(Nazarian and Reddy, 1996). 즉, 공동의 중심에서 멀어질수록 점차 많은 타격 에너지가 콘크리트 판 배면의 모래로 전달되고 마이크로폰으로 전달되는 누설 탄성 표면파의 에너지는 감소함에 따라 진폭이 감소한 것으로 판단된다. 또한 측점 D = 50mm와 D = 200mm에서는 다른 측점에 비해 진폭이 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 마이크로폰 신호의 진폭은 해머 타격으로 인한 구조물 표면의 입자속도가 클수록 증가한다(ASTM C1740, 2016; Kee and Gucunski, 2016). 측점 D = 50, 200mm는 각각 철근의 위치인 D = 65, 195mm와 인접한 위치이므로, 철근의 존재에 의해 해당 측점에서의 콘크리트 판의 입자 속도가 국부적으로 감소함에 따라 마이크로폰 신호의 진폭 또한 감소한 것으로 판단된다. 추가적으로, 공동 경계인 D = 150mm 측점에서는 공동 중심과 멀어짐에 따른 진폭 감소 추세 이외의 특징은 나타나지 않았다. 이는 공동 모사에 이용된 플라스틱 통에 전달된 타격 에너지는 모래에 전달된 에너지에 비하여 무시할 수 있을 정도로 적기 때문인 것으로 판단된다.
5. 요약 및 결론
본 연구에서는 마이크로폰을 이용하여 콘크리트 벽체 구조물 배면의 공동을 검측하기 위해 모형 실내실험을 수행하였다. 토조 내에 콘크리트 판을 설치하고 배면에 플라스틱 통으로 공동을 조성한 후에 흙을 채움으로써 모형 콘크리트 벽체 구조물을 모사하였다. 콘크리트 판을 해머로 타격함에 따라 발생한 누설 탄성 표면파를 마이크로폰을 이용하여 공동 구역, 공동 경계, 정상 구역에 대해 측정하였다. 해머의 타격 에너지에 대한 보정을 위해 측정된 마이크로폰 신호를 정규화하였으며, 윈도우 기법의 적용을 통해 불필요한 신호를 제거하였다. 이와 같은 과정을 거쳐 얻어진 신호는 1차 고유주파수와 그에 대응하는 진폭으로 분석되었다. 본 연구를 통해 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 비접촉식 수신기인 마이크로폰은 다양한 경로로 전파된 누설 탄성 표면파가 수진될 수 있으므로, 윈도우를 적용하여 해머 타격 직후의 최대 진폭으로 나타난 파군만을 분석 대상으로 설정함으로써 분석의 정확도를 향상시킬 수 있다.
(2) 1차 고유주파수는 공동의 중심에서 멀어짐에 따라 증가하였다. 이는 공동 구역에서는 콘크리트 판이 굽힘 진동 거동을 보임에 따라 주파수가 감소하기 때문이다.
(3) 마이크로폰 신호의 1차 고유주파수에 해당하는 진폭은 공동의 중심에서 최댓값을 보였으며, 공동의 중심으로부터 멀어짐에 따라 점차 진폭이 감소하였다. 이는 공동 구역에서는 콘크리트 판에 가한 타격 에너지가 배면의 흙으로 전달되지 않고 콘크리트 판 내부에 유지됨으로써 표면파의 감쇠가 작아지기 때문이다.
(4) 철근의 위치와 인접한 측점에서는 1차 고유주파수의 진폭이 급격히 감소하였다. 이는 철근과 인접함에 따라 상부 판의 입자속도가 국부적으로 감소하게 되어 마이크로폰 신호의 진폭 또한 감소한 것으로 판단된다.
(5) 마이크로폰을 적용한 결과 공동 구역에서는 굽힘 진동 거동에 의한 신호의 1차 고유주파수 감소, 타격 에너지가 유지됨에 따른 적은 감쇠 등을 근거로 공동 구역을 검측할 수 있다. 공동의 직경은 다소 과대평가되나, 공동 구역과 정상 구역 간의 1차 고유주파수 차이가 명확하게 나타남에 따라 높은 정확도로 공동 존재 여부를 판별할 수 있으므로 콘크리트 벽체 배면의 공동 탐사에 효율적으로 적용될 수 있다.
(6) 추후 벽체의 두께 혹은 배면 공동의 규격 및 형상에 따른 마이크로폰의 공동 검측 가능성에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
