수평각이 넓은 형태의 대형공간의 공간 디자인 방법론

필자는 2017년 5월초에 대전의 D교회로부터 컨설팅의뢰를 받고 대전으로 향했다. 도면을 보니 꽤 큰규모의 본당이었다.

그림 1에서 보는 바와 같이 약 1500석 규모의 대전 D교회의 경우는 타원형 형태의 구조로 음의 초점 현상이 잘 발생하고 또한 공간의 크기로 인한 저음대의 긴 잔향시간이 문제가 대두될 것을 예상되었다.

일반적으로 대형공간에서 대두되는 문제는 첫째로, 저음에서의 과도한 잔향시간, 둘째로 이로 인한 낮은 음성명료도, 셋째 늦게 도착하는 반사음인 에코현상이 많이 발생한다.

이런 문제를 해결하기 위해서 현재 디자인 상태를 파악하기 위해서 현재의 도면 상세도를 기반으로 음향 시뮬레이션을 검토하기 했다.

그림 2의 (b),(c)의 자료를 보면 저음역(63Hz, 125Hz)에서 2.5초 이상의 긴 잔향시간이 보이는 것으로 판단된다. 이는 결국 저음에서의 낮음 명료도의 원인이 되고, 시간차가 길어진 성분의 에너지가 줄어들지 않는 에코 성분의 증가를 초래할 수 있기 때문에, 우리는 여기서 저음비((RT65Hz + RT125Hz)/(RT500Hz + RT1000Hz)) 가 현재 1.66인데 이를 최소 1.3이나 1.4까지는 줄여주어야 할 것으로 판단되었다.

이런 긴 잔향요소를 판단하기 위해서 그림 3과 같은 Ray-tracying기법을 통해서 긴 음선괘적을 분석하여 보았다. 기존안의 경우는 그림3에서 보는 것처럼 소리의 수직적인 Bouncing이 발생하여 길게 돌아오는 Ray가 발생함으로 천정부분의 디자인을 변경하여 긴 Ray를 제어할 필요가 있었다.

이런 필요에 의해서 그림 4처럼 천정구조를 반개방형 형태로 디자인하여 저음을 줄이기 위한 새로운 디자인을 제시하여 저음을 줄여서 저음비를 개선하기 위한 노력을 하였다. 그래서 그림 5에서 보는 것처럼 상부의 반개방형 형태를 모델리엥 포함하여 시뮬레이션 한 결과 저음에서의 잔향시간이 1초 가량 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 우리가 원하던 저음비에 가까운 1.3정도의 수준으로 주파수 밸런스가 조정되었다고 볼 수 있다.

이런 저음비의 개선은 저음역의 명료도의 개선하고 전주파수 대역의 평단성를 개선함으로 다이나믹 레인지를 증가시켰다고 볼 수 있다.

여기서 우리는 그러면 디자인 하는 과정을 몇가지로 살펴보고자 한다.

1. 천정면의 새로운 디자인 접근 방법

기존의 많은 대형 집회시설들의 상부 공간을 보면 공조(HAVC)나 시각적인 이유로 상부의 대면적을 표면형 마감재인 음향 뿜칠(Acoustic Spray)을 활용하여 마감하는 경우가 많다. 그러나 이런

흡음재의 경우 대부분 고음역대의 흡음을 하는 자재로 정작 회절성이 강하고 파장의 길이가 긴 저음역에 대해서는 거의 대책이 없는 상황이라고 할 수 있다. 또한 고음역대의 경우 음원으로 거리감쇄만으로도 공기중에 대부분 에너지가 감쇄하기 때문에 객석 후면쪽의 천정의 고음역 흡음재들은 오히려 고음역대의 지나침 흡음으로 인해서 주파수 균일성을 무너뜨리고 음의 밝기가 떨어지는 현상을 가져올 수 있다.

이런 주파수 불균형을 해결하기 위해서 TNSD에서는 반개방형 천정구조를 도입하여 고음은 되도록이면 보존하고 저음을 잡기 위한 구조를 도입하여 디자인하였다.

그리고 TNSD는 교회의 특성상 성가대의 경우 자연스런 확성이 주요하기 때문에 마이크를 활용하지 않고 어커스틱한 음장이 후면에도 잘 전달될 수 있도록 상부 캐노피의 유성성을 검토하기 글라스호퍼(Grasshopper)를 활용한 수학적 모델을 기반으로 한 머큐리(Mercury) 소프트를 활용하하여 객석에 유도되는 1차반사음의 궤적을 검토하였다.

여기서 사용된 머큐리(Mercury) 툴을 활용하여 우리는 음원이 반사체를 통하여 2층 객석에 고르게 반사되는지를 검토하고 객석(청음면)의 음원의 정확한 전달 위치를 검토/수정 할 수 있었다.

이런 과정을 통해서 건축음향 시뮬레이션을 통한 검증(verification)전단계에서 실시간으로 유효영역과 형상을 검토함으로 반복적인 과정을 줄일 수 있어 설계 시간을 단축할 수 있었다.

이렇게 최적의 케노피 각도와 형상들을 결정하여 성가대와 같은 자연음장이 뒤에까지 밀도있게 잘 전달될 수 있는 구조를 만들었다.

여기서 우리는 이런 반사체가 전기음향을 통한 확산에서 콤빙(Combing)영역을 확장시켜 음질을 좋지 않게 만들 수 있음을 알 수 있을 것이다. 하지만 자연음장의 음원의 위치화 방사 커버리지와 스피커를 통한 방사 커버리지와 백터들이 다르게 때문에 제안된 캐노피의 틸트 각도가 객석에서의 컴필터링을 증가지키지 않는 각도임을 그림을 통해서 확인 할 수 있다.

그림 10에서 보는 것처럼 스피커로 부터 방사된 유효한 음선 궤적은 객석을 직접지향하지만 comb filtering을 유발하느 궤적들은 천정구조에 의해서 상부에서 소진되는 구조로 설계되어서 마이크를 활용하지 않을 경우의 유효한 1차반사음 궤적을 위한 캐노피의 각도는 스피커 활용시 음질을 왜곡시키지 않는 구조가 된다.

이런 설계 원칙에 따라서 스피커를 활용한 프로그램시 저음의 부스트를 제어하고 자연음을 활용한 프로그램 운용시 고른 음압분포를 이루는 천정구조를 얻을 수 있다.

2. 성가대 근처의 확산구조

또한 이번 대전 D교회의 전체적인 구조가 달걀 형태의 타원형 구조로 촛점 현장이 주로 발생하기 때문에 후면부 대면적의 경우 흠음구조의 벽체 구조를 가져가 무대쪽으로 돌아오는 궤적들을 제어함으로 에코나 정재파 등을 제어하게 되었는데, 그 밖의 다른 면들 특히나 클래식 악기나 성가대의 경우 흡음을 할 경우 저음역에서의 커플링 효과를 가져가기 힘듬으로 강한 반사 마감재의 확산 구조체로 디자인 하여서 객석으로의 자연스러운 확산과 내부적인 앙상블을 느낄 수 있도록 디자인 하였다.

가끔 우리는 몇가지 경험을 통해서 음원 주변의 마감재의 환경의 중요성을 인식할 수 있는데, 베이스나 바리톤의 경우에 후벽과의 거리나 후벽 마감재의 재질에 따라 객석에서 느껴지는 느낌이 상당이 다른 경우는 쉽게 경험하는 것도 이런 예라고 할 수 있다.

특히 저음의 경우 파장의 길이에 의한 커플링 효과가 크기 때문이다.

성가대의 경우 대부분 자연확성을 하지만 보조적으로 마이킹을 하는 경우가 있는데, 이런 경우 베이스나 바리톤의 저음을 개별적으로 마이킹하기가 쉽지 않고, 대부분 스테레오로 마이킹을 하여야 하는데, 이런 상황에서 성가대의 전체 밸런스가 잘 형성되기 위해서도 성가대의 주변환경이 어떻게 형성되는가가 중요하게 대두되기 때문이다.

3. 결론

위에서 언급한 것처럼 대형 공간의 경우, 특히 부채꼴 형태의 홀에서는 과도한 긴 저음의 잔향시간과 포커싱 현상으로 인한 에코의 발생이나 다이나믹 레이지의 축소나 부가적인 사이드 이팩트 현상이 발생할 수 있는데, 이를 저음을 소진 시키기 위한 디자인 방법론이나, 형상의 제어를 통해서 저음비의 개선을 통한 주파수 대역의 평탄성 개선을 통한 헤드룸의 중가 및 주파수 운용범위 확장을 통한 공간의 표현 능력을 증대시키는 방법들에 대해서 논의 했다.

또한 3D/BIM 기반의 디지털 정보 설계나, 가시화 기반 설계를 통해서 증명을 위한 시뮬레이션 전단계에서 동시공학적 접근을 통해서 설계시간을 줄이고 판단을 용이하게 하는 실시간 대응을 가능하게 하는 수학적 프로그램을 통해서 기존의 경험에 의존한 한계를 극복하고 휴먼 팩터에 의한 오류를 최소화함으로 최적의 솔류션을 제공하는 것을 내용들을 검토해 보았다.

- TNSD 정재선이사