화재 경고음의 종류에 따른 성인과 노인의 심리음향학 인지 및 뇌파 변화의 비교 = Comparison of psychoacoustic recognition and brain activity changes between young and old adults in types of fire alarm

국문 초록 (Abstract)

목적: 효과적인 경고음은 경고음 청취를 통해 위험 상황에 대한 인지와 위험을 상기시킴으로써 적절한 조치를 취할 수 있도록 유도한다. 현재 화재 경고음에 대한 국내⋅외 표준음은 규정되지 않았으며, 국제적으로 권고되는 T-3 패턴(Temporal three pattern)은 시간적 패턴만을 고려했을 뿐, 강도, 주파수 및 주기와 같은 다양한 음향학적 특성을 세분화하여 적용하지 않는다. 이는 순음 혹은 복합음 여부에 상관없이 T-3 패턴이 유지된다면 어떠한 자극음의 종류에도 적용할 수 있기에 사실상 표준음이라고 간주하기는 어렵다. 더욱이, T-3 패턴은 청취자의 심리음향학적, 주관적 인지의 관점에서 화재와 관련된 경고음이 아닌 기계음 혹은 전화벨로 인지될 수 있으며 보편적으로 사용되는 경종(bell) 또는 slow whoop이 경고음 인지 측면에서 우수한 것으로 주장되었다. 따라서 현재 사용되는 경고음들의 음향학적 특성에 대한 과학적인 근거가 부족하며, 화재 경고음 선정에 음향학적 요소가 고려된 근거 기반의 논의가 필요하다. 본 연구는 경고음의 음향학적 요소들과 청취 상황에서 주관적으로 인지하는 심리음향학적 반응 및 뇌파 변동의 관계를 규명하고, 이를 활용하여 실제 상황(화재)에 적합한 경고음을 확인하고자 하였다.

방법: 본 연구는 성인과 노인 총 50명을 대상으로 화재 경고음 청취에 따른 주관적 반응 및 뇌파 변동을 측정하였다. 경고음의 종류는 화재 경고음으로써 대표성을 갖는 bell, slow whoop 및 T-3 (520 Hz, 3100 Hz) 경고음과 노인성난청을 시뮬레이션한 Simualted T-3 (520, 3100 Hz)로 총 6종의 경고음을 제시하였다. 경고음은 1분 동안 대상자를 기준으로 1m 거리에서 0°에 위치한 스피커를 통하여 75 dBA로 제시하였다. 주관적 평가는 경고음 청취에 따른 각성도, 위급도 및 몰입도의 세 가지 요인에 대하여 실시하였으며, 요인별 4문항씩 총 12문항으로 구성된 설문지를 7점 척도로 측정하였다. 한편, 객관적 평가인 뇌파는 주파수 대역에 따라 세타파(4~8 Hz), 알파파(8~13 Hz), SMR파(12~16 Hz), mid-베타파(16~21 Hz), high-베타파(21~29 Hz), 감마파(30~50 Hz)로 분류하였다. 경고음 청취에 따른 뇌파의 파형 변화를 산출하기 위해, 경고음별 측정된 뇌파와 무자극 상태에서 측정된 배경 뇌파를 감산(경고음 청취 뇌파 – 배경 뇌파)하였다.

결과: 경고음의 종류에 따른 각성도, 위급도 및 몰입도의 주관적 반응 측정 결과에서는유의미한 차이가 확인되었다. 각성도 및 위급도는 경고음의 기본주파수가 증가함에 따라, 혹은 주파수가 점진적으로 상승하는 slow whoop에서 높게 나타났고, 기본주파수가 낮은 T-3 (520 Hz)와 Simualted T-3 (520 Hz)에서는 유의미하게 낮은 각성도 및 위급도를 보였다. 또한, 노인성난청을 시뮬레이션한 Simualted T-3 (520, 3100 Hz) 경고음은 감쇠가 적용되지 않은 T-3 (520, 3100 Hz) 경고음보다 유의미하게 낮은 각성도 및 위급도를 나타냈다. 경고음의 음향학적 특성에 따라 몰입도 또한 유의미한 차이가 확인되었으며, simulated T-3 (520 Hz)에서 가장 낮은 몰입도가 측정되었다. 그러나 노인성난청을 시뮬레이션 한 simulated T-3 경고음과 T-3 경고음 간에는 유의미한 차이가 확인되지 않았다. 객관적 평가인 뇌파 측정에서는 경고음음을 청취할 때 부정적인 감정과 관련된 세타파 및 알파파는 감소하였으며, 긴장, 흥분 및 초조함과 관련된 감마파는 증가하는 경향을 보였다. 그러나 경고음의 음향학적 특성에 따른 뇌파의 파형 간 유의미한 차이는 확인되지 않았다.

결론: 주관적 반응인 각성도, 위급도, 몰입도는 경고음의 음향학적 특성에 따라 영향을 받으며, 경고음의 기본주파수가 높아질수록 또는 slow whoop에서는 각성도 및 위급도가 높아졌다. 즉, 화재 경고음의 목적이 위험 상황에 대한 인지와 위험을 상기시키는 것임을 고려할 때, 기본주파수가 높거나 (e.g., bell, T-3 3100 Hz) 점진적으로 주파수가 상승하는 slow whoop은 상대적으로 높은 각성도 및 위급도를 유발할 수 있었다. 비록 모든 뇌파 결과에서 음향학적 특성에 따른 유의미한 통계적 차이가 확인되지 않았지만, 기본주파수가 높은 경고음일수록 세타파와 알파파가 감소하며, 감마파는 증가하는 경향이 확인되었다. 이는 기본주파수가 높을수록 부정적인 감정, 긴장, 초조함 등의 감정을 유발한 것을 의미한다. 그럼에도 뇌파의 변화는 청취자의 심리적 경험과 직접적인 대응 관계이기보다는 수많은 요소가 복합적으로 적용되기 때문에 본 연구에서는 구체적인 변화를 확인하기 어려울 수 있다. 종합적으로, 고주파수의 화재 경고음은 전달 범위가 좁고, 즉각적인 반응을 유발할 수 있는 개인 가정 및 침실에 사용이 적절할 것이다. 이와 반대로 저주파수의 경고음은 전달 범위가 넓고, 회절 및 차폐에 유리할 수 있다. 따라서 공공기관 및 아파트 옥외 소화전 등에 사용이 적절할 것이다. 또한, 국주파수 대역이 점진적으로 상승하는 slow whoop은 약 500 ~ 1500 Hz의 주파수 대역에도 불구하고, 높은 각성도 및 위급도로 평가된다. 즉, 저주파수의 음향학적 이점과 고주파수의 인지적 이점을 모두 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 후속 연구에서는 각성도, 위급도, 몰입도 이외의 주관적 인지 개념을 좀 더 세분화하여 경고음 간의 차이를 검증하여 경고음 특성에 따른 적합한 대처 상황에서 알맞게 사용될 필요가 있다.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 제1장 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 1) 화재 경고음의 정의 및 종류 1
• 2) 국내⋅외 화재 경고음 문헌조사 4
• 3) 화재 경고음의 음향학적 특성에 따른 문헌조사 6
• 2. 이론적 배경 9
• 1) 화재 경고음의 심리음향학적 인지 9
• 2) 화재 경고음과 뇌파 12
• 3) 성별에 따른 뇌파의 차이 15
• 3. 연구 목적 16
• 4. 연구 가설 17
• 제2장 연구 방법 19
• 1. 연구 대상자 19
• 2. 연구 도구 21
• 1) 화재 경고음의 선정 및 제작 21
• 2) 심리음향학적 인지 평가를 위한 주관적 설문지 24
• 3. 연구 장비 26
• 1) 청력선별검사 장비 26
• 2) 뇌파 측정 장비 27
• 4. 연구 절차 28
• 5. 자료 분석 30
• 6. 통계 분석 32
• 제3장 예비 연구 34
• 1. 연구 대상자 34
• 2. 연구 방법 및 결과 35
• 제4장 연구 결과 38
• 1. 심리음향학적 인지 측정 38
• 1) 설문지 문항의 신뢰도 38
• 2) 설문지 주요 변인의 요인분석 38
• 2-1) 기술 통계 분석 41
• 2-2) 추론 통계 분석 48
• 2. 뇌파의 변화를 통한 객관적 분석 54
• 1) 전극 위치에 따른 뇌파 분포 54
• 2) 경고음의 종류에 따른 뇌파의 변화 59
• 2-1) 기술 통계 분석 60
• 2-2) 추론 통계 분석 74
• 제5장 고찰 90
• 1. 심리음향학적 인지 측정 90
• 2. 뇌파의 변화를 통한 객관적 분석 95
• 2-1) 전극 위치에 따른 뇌파 분포 95
• 2-2) 경고음 종류에 따른 뇌파의 변화기호 97
• 3. 한계점 및 후속 연구 제안 102
• 제6장 결론 104
• 제7장 참고문헌 107
• 국문초록 116
• 영문초록 119
• 부록 122
• 부록 1. 한림대학교 생명윤리위원회 심의 결과 122
• 부록 2. 경고음 청취에 따른 각성도, 위급도 및 몰입도 평가지 123
• 부록 3. 경종 (fire alarm bell)의 예 사진 124
• 부록 4. 전극위치 및 경고음 종류에 따른 세타파 분포 125
• 부록 5. 전극위치 및 경고음 종류에 따른 알파파 분포 128
• 부록 6. 전극위치 및 경고음 종류에 따른 SMR파 분포 131
• 부록 7. 전극위치 및 경고음 종류에 따른 mid-베타파 분포 134
• 부록 8. 전극위치 및 경고음 종류에 따른 high-베타파 분포 137
• 부록 9. 전극위치 및 경고음 종류에따른 감마파 분포 140