National Metrology Standards on Acoustics and Related International Standards

Cheung, Wan-Sup; Suh, Jae-Gap; Suh, Sang-Jun

Special Article

Others

Korean Journal of Audiology 2009;13(2):81-86.

National Metrology Standards on Acoustics and Related International Standards

Wan-Sup Cheung, Jae-Gap Suh, Sang-Jun Suh

Center of Fluid Acoustics, Research Institute of Stards Science, Daejeon, Korea

음향학적 국가표준과 외국의 사례

정완섭^, 서재갑^, 서상준

유동·음향센터, 한국표준과학연구원

Abstract

This paper was invited to introduce national metrology standards established on acoustics and related international standards. The significance of these standards in this academic society is obvious because the quality of acoustic pressure measurements collected by all the hospitals in Korea cannot be traceable without them. Logical ways of linking the traceability and assuring the quality of the measurements are considered in this paper. International standards have been established not only to promote international trade but also to protect the health and safety of humans and to preserve environmental and natural resources. National standards have been set up and maintained according to the constitution. Key international comparison results carried out by Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) are illustrated to show how well the measurement capacity of acoustic pressure standards in Korea has been established and extended in comparison to those of other advanced countries. Furthermore, national standards are shown to be well linked to the traceability to international standards through those key comparison results. The calibration service of measurement microphones by KRISS is shown to be available over the frequency range of 1 Hz to 31.5 kHz with the measurement uncertainty of 1 dB or less. This measurement and calibration capability is equivalent to the second or third rank in the world. A major interest of this academic society is to see realizable schemes of calibrating audiometry used in hospitals. This paper proposes one simple measurement and calibration scheme developed by B & K, plus another for hearing aids. Finally, this paper proposes a systematic way of linking to the national standards the traceability of acoustic pressure measurements in the hospitals: 1) Select a representative body for domestic audiometry as the second calibration laboratory dedicated to maintaining the quality assurance of a selected measurement chain (a unit for measuring a microphone and dedicated pre-amplifier) by calibrating it annually or bi-annually in KRISS, 2) provide a local calibration service for all the hospitals in Korea, and 3) make a standardized manual, including all the measurement and assessment procedures and the evaluation procedures of measurement uncertainty, which can be sufficiently shared with all the hospitals in Korea. The proposed ways of linking the traceability of acoustic pressure measurements in the hospitals to national standards are expected to be realizable. However, this traceability linkage cannot be established without a long-term effort shared with this academic society. This would lead not only to further improvement of the national health and welfare but also contribute scientific advances to society.

Keywords: Standards;Acoustics;Calibration;Traceability;Quality assurance.

Address for correspondence : Wan-Sup Cheung, ME, Center of Fluid and Acoustics, Korea Research Institute of Standards and Science, 209 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-340, Korea
Tel : +82-42-868-5302, Fax : +82-42-868-5643, E-mail : wansup@kriss.re.kr

서 론

본 논문을 시작하면서 서울 A병원에서 측정한 청력시험 결과와 지방 B병원에서 측정한 청력시험 결과가 어느 정도 일치하는지와 일치하지 않다면 어느 정도 차이를 보이는가 하는 문제를 같이 생각해보자. 만약 A병원과 B병원이 청력시험 결과에 따라 직업병 환자를 판정하는 경우 법적 규제치 적용을 위하여 두 병원의 평가치는 신뢰성와 공정성을 즉 법적계량(legal metrology)의 요구조건을 만족하여야 된다. 그리고 A병원과 B병원에서 수행된 청력시험 결과를 국내외 전문 학술지에 게재할 경우 또한 실험결과에 대한 신뢰도를 스스로 갖추어야 한다. 여기서 지적하는 가장 핵심은 기본 물리량을 측정하는 시험기관은 스스로 내부 품질 관리시스템을 통한 신뢰성 확보를 해야 한다는 점이다. 측정 및 시험기관들이 내부 품질 관리시스템을 갖추는 표준방법은 ISO 16025에 자세히 제시되어 있다. 측정 및 시험기관들이 내부 품질 관리시스템은 크게 법적계량(legal metrology)과 물리량적 계량(physical metrology)으로 나누어지며 법적 계량은 시험절차에 관한 일반 사항을 포함하고 있으며 물리양적 계량은 측정치에 대한 불확도(uncertainty) 즉 양적 신뢰수준을 나타내는 값을 평가하는 절차를 포함한다. 따라서 A병원과 B병원이 서로 내부 품질 관리시스템을 갖추고 있을 때에만 두 기관의 시험결과에 대한 신뢰성은 확보될 수 있다. 즉 A병원은 측정치 몇 dBA과 불확도 수준 몇 dBA을 그리고 B병원은 측정치 몇 dBA에 불확도 수준 몇 dBA의 측정 수준의 신뢰성이 확보되었다고 인정하게 된다.
위의 예는 병원에서 측정하는 음압의 한 예일 뿐이며, 시장에서 물건을 사고팔 때 이용되는 저울이나 자에서부터 최첨단 산업인 반도체 및 평판 디스플레이 산업에서 물리량의 정밀 측정 없이는 제품화가 될 수가 없다. 국내외적 상거래 뿐 아니라 과학 발전의 효율성을 도모하고자 1875년에 프랑스 파리에서 미터법과 도량형 제정과 보급을 위하여 미터협약을 체결하였으며 이를 기반으로 국제표준이 오늘까지 진전되어 오고 있다. 현재 국제표준은 국제 및 국내적 상거래, 환경보존, 국민보건, 그리고 모든 학문분야에 이용되고 있는 모든 기본 물리량들의 정의, 유지 및 보급을 위한 효율적 제도를 포함하고 있다. 1958년 우리나라도 미터협약의 회원국이 된 이후 우리 헌법으로 국가표준의 유지와 보급을 명시하고 있다.

제2절에서는 국제표준과 국가표준의 연계성을 그리고 제3절에서는 현재 확보된 대한민국의 음향표준체계와 수준을 각각 소개한다. 그리고 제4절에서는 청력계와 보청기에 관련된 최근의 국제표준 규격들과 시험기관의 내부 품질 관리시스템에 갖추어야 될 음압교정장치들에 대하여 소개한다. 마지막으로 학술대회에서 질의된 주요 내용과 이비인후과 전문의료원에서 직면한 표준소급 체계의 문제점 접근 방안을 결언으로 소개한다.

국제표준과 국가표준

미터협약에 따라 기본 물리량의 국제표준은(International Bureau of Weights and Measures: BIPM)에서 유지 보급하고 있다. 현재 기본 물리량(길이, 질량, 시간/주파수, 전류, 온도, 빛의 강도, 물질량)에 관련된 7개 분야의 전문위원회(seven Consultative Committees), 이온 방사선(Ion-izing radiation)관련 전문위원회, 기본단위(SI unit) 전문위원회, 그리고 음향/초음파/진동 전문위원회(Acoustics/ Ultrasound/Vibration Consultative Committee: CCAUV)로 구성된 총 10개 분야의 전분위원회가 모든 물리량적 표준을 유지 보급하고 있다.¹⁾ 우리의 관심사인 음압 표준은 매 2년마다 열리는 음향/초음파/진동 전문위원회(CCAUV) 회의에서 관리되고 있다(Fig. 1A). 국제음압 표준유지에서 가장 기본적 임무는 각 나라에서 측정하는 음압 레벨(단위: decibel: dB)이 얼마나 차이가 나고 있는지와 각 국가가 개별적으로 확보한 측정 불확도(measurement uncertainty)의 수준을 정량화하는 일이다. 이러한 업무는 각 국가별 표준기관(national metrology institute: NMI)이 참여하는 국제비교(key comparison: KC)를 통하여 수행되며 현재 5년 주기로 수행되고 있다.
우리나라가 속한 아태지역 계량 프로그램(Asia Pacific Metrology Program: APMP)에 따라 지역별 국제비교를 또한 수행하고 있으며, 아태지역 국제비교의 모든 세부사항들은 음향/초음파/진동 전문위원회(CCAUV) 회의의 심의를 거쳐 추진된다. 이러한 지역별 국제표준 유지는 인접국가간의 친밀한 교류와 관련 분야 전문기술의 상호지원 및 공유를 효율적으로 실행할 수 있는 장점이 있다. APMP 회의는 매년 개최되며 아태지역의 회원국이 돌아가면서 개최를 하고 있으며, 2005년 제주에서 APMP 회의를 성공적으로 개최한 바 있었다(Fig. 1B). 각 국가별 음압표준 장치를 구축하여 유지하면서 타국과의 국제비교를 수행하는 절차와 방법들은 청각시험을 수행하는 국내 이비인후과 전문병원의 시험결과에 대한 신뢰도 확보 즉 소급체계(traceability)를 향후 어떻게 해결할 수 있는가를 보이는 예라고 판단된다.

국내 음향표준 체계와 수준

우리나라에서 기본 물리량들의 표준 유지와 보급은 한국표준과학연구원(Korea Research Institute of Standards and Science: KRISS)가 수행해오고 있으며, 세계선도 수준의 측정능력과 서비스를 국내 고객에게 제공하고자 노력하고 있다(공식 web-site: www.kriss.re.kr). 음향분야의 국가표준은 30년 이상의 오랜 역사를 갖고 구축 유지 보급을 수행해 오고 있다. 음향분야의 국가표준 체계는 Fig. 2에 보인 바와 같이 음압측정용 마이크로폰의 음압교정, 자유음장 교정, 그리고 확산음장 교정으로 구분하고 있다. 음압교정은 IEC 61094-2에 따라, 자유 음장교정은 IEC 61094-3에 따라 각각 수행되며 본 교정은 각 국가의 표준기관(혹은 1차 교정기관)에서 가역교정(reciprocity calibration)방법을 통하여 수행을 한다. 그리고 2차 교정기관은 1차 교정기관에서 교정된 기준기급 마이크로폰(혹은 전달 표준기)과 교정하고자 하는 마이크로폰의 출력전압 비교를 통하여 교정을 수행한다. 국내 2차 교정기관의 음압교정은 IEC 61094-5에 따라서 수행되고 있다. 따라서 국내 2차 교정기관은 1차 교정기관인 한국표준과학연구원과 소급체계(traceability)를 유지하고 있는 실정이다. 자유 음장형 마이크로폰의 가역교정 시설과 소급체계는 표준연구원에 기확보되어 있으나 2차 교정기관은 아직 국내에는 보급체계를 이룩하자 못하고 있다. 그리고 확산 음장에 대한 교정방법은 국제적으로 표준이 아직 확립되어 있지 않다.
Fig. 3은 한국표준과학연구원에 구축된 음압 가역교정 장치를 보이고 있다. 본 장치는 신호 발생장치, 1/3-옥타브필터, 디지털 멀티메타, 마이크로폰 교정용 신호 증폭기 및 구동장치, 그리고 마이크로폰 교정용 음향결합기 등으로 구성되어 있다. 본 장치를 이용하여 1999~2000년 수행한 CC-AUV.A-K1 국제비교(주파수 범위: 63 Hz~8 kHz, 음압교정), 2003년 수행한 CCAUV.A.K3 국제비교(31.5 Hz~31.5 kHz, 음압교정), 2004~2005년 수행한 CCAUV.A-K2 국제비교(1~63 Hz, 음압교정), 그리고 2006~2008년 수행한 CCAUV.A-K4 국제비교(1~40 kHz, 자유음장 교정)을 수행하였다. 이러한 국제적 상호 비교를 통하여 음압 측정 및 교정에 대한 소급체계를 구축하였으며, Table 1은 현재까지 구축된 음압형 마이크로폰의 교정 서비스 범위와 측정 불확도를 자세히 보이고 있다. 사실 Table 1은 한국표준과학연구원의 음압 측정 및 교정 능력에 대한 세계적 수준을 보이는 자료로 세계 2~3위 수준에 도달한 현 위치에 매우 자부심을 갖고 있다.
2000년 이후 음향학관련 측정 분야에서 자유음장 교정에 대한 구축 작업이 덴마크를 주도로 시작되었다. 자유음장 교정은 음의 반사가 없는 공간에서 두 마이크로폰의 가역원리를 이용하여 감도를 교정하는 방법이다. 자유음장 교정감도 값은 환경소음 등의 측정에 활용되며 대부분의 산업계에서 직면하는 개방된 공간의 소음측정에 필요한 감도 값이다. Fig. 4는 덴마크, 일본 그리고 우리나라의 교정결과를 서로 비교한 결과이다. 세계선도 기관인 덴마크의 DPLA 결과와 우리 결과가 잘 일치됨을 확인할 수 있으며, 일본("ETL"이라 표시)보다 측정능력이 우위에 있음을 확인할 수 있다.

청력계와 보청기관련 국제표준 규격과 교정장치

순음청력검사를 수행하는 장치(adiometer, 본 논문에서는 "청력계"라 칭함)에 관한 표준규격은 IEC 60318-1, IEC 60318-2, 그리고 IEC 60318-3 이미 재정되어 청력계 제작사 및 관련 교정기관에서 사용하고 있으며, 보청기관련 규격은 현재 표준안 재정을 위한 초안 작업과정(Current Draft: CD)에 있으며 관련 표준규격은 IEC 60318-4(CD), IEC 60318-7(CD), IEC 60318-8(CD), IEC 60 318-13(CD)로 구분된다. 청력계를 교정하기 위하여 필요한 장비는 피시험자의 양귀를 덮는 두 헤드폰이 발생하는 음압을 정밀 측정하는 측정용 마이크로폰과 인간의 외이가 갖는 음향학적 특성을 모사한 장치(귀모형, artificial ear 혹은 ear simulator)가 필요하다. IEC 60318의 part 1, part 2 그리고 part 3는 귀모형과 이를 구성하는 요소들에 대한 음향학적 특성과 만족해야 할 사양들을 상술하고 있다.^2,^3,⁴⁾ Fig. 5A는 청력계의 음압 교정에 필요한 측정 장치들의 구성을 나타내고 있으며 본 구성도는 B&K사의 정밀 음압 측정기술서에서 인용하였다.
보청기에 대한 표준안은 앞서 설명한 바와 같이 최종 승인된 표준안이 재정 완료가 되지 않고 있다.^5,^6,^7,⁸⁾ 그러나 본 규격에 대한 최근까지 진행된 내용은 본 논문의 저자에게 문의하면 자세한 내용을 통고 받을 수 있다. 보청기 관련(International Elecrotechnical Commission: IEC) 표준안의 주된 관심사는 보청기의 성능평가 즉 주파수 대역별 보청기가 발생하는 음압 레벨의 정확한 평가에 초점을 맞추고 있다. 그리고 인체 안전에 영향을 미치는 유해인자 즉 전자기파와 발생부의 자기력의 외부 전달양을 측정하는 표준안을 제시하고자 개정작업을 진행 중에 있다. Fig. 5B는 보청기의 음압 성능평가에 필요한 측정 장치들의 구성을 나타내고 으며 본 구성도 또한 B&K사의 정밀 음압 측정기술서에서 인용하였다.

결 론

서론에서 언급한 바와 같이 국내 이비인후과 전문기관에서 측정하는 음압레벨의 신뢰도를 어떻게 확보할 것인가가 가장 현안으로 판단된다. 본 강연회 후 가진 질의시간에 지적된 바와 같이 국내 이비인후과 관련 업계의 노력과 인내로밖에 이를 해결할 수가 없다. 즉, 1990년대 한국보건안전연구원이 작업장 노동자의 청각손실의 정도관리를 위해 걸어온 길을 국내 이비인후과 관련 업계 또한 가야만 될 것으로 사료된다. 신뢰도 확보를 구현하는 방법은 우선 물리량적 소급체계 확보가 필요하며 이와 더불어 법적표준(legal metrology) 즉 표준 절차서 확립이 필요하다. 물리량적 소급체계는 국내 이비인후과 관련 대표업체(예를 들어 청력계 조합)가 청력계 교정용 마이크로폰과 전용 신호 증폭기를 마련하여 이를 제1 교정기관인 한국표준과학연구원에서 정기적으로 교정을 받은 후 기 교정된 마이크로폰과 전치 증폭기를 이용하여 국내 이비인후과 병원에서 사용되는 청력계를 전체적으로 교정하는 방법이 현실적 해결 방안으로 사료된다. 그리고 국내 이비인후과 관련 대표업체가 청력계 사용 및 측정에 대한 표준 매뉴얼을 작성하여 이를 국내 청력계 사용 지침으로 이용하는 방안을 제안한다. 대한이비인후과 학회의 전문가 소위원회를 구성하여 국내 청력계 관련 대표업체(예를 들어 청력계 조합)의 선정과 더불어 청력계 사용 및 측정에 대한 표준 매뉴얼 작성에 지술 지도와 지원을 반드시 해야 할 것으로 판단된다. 물론 한국표준연구원 또한 청력계관련 국내 2차 교정/검사 기관의 선정 및 장비 구축 뿐 아니라 표준 절차서 마련에도 기술 지도와 지원을 수행할 수 있다는 점이다.

REFERENCES

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