복소음향인텐시티법을 이용한 HVAC의 소음원 검출 논문자료

복소음향인텐시티법을 이용한 HVAC의 소음원 검출
Identification of Noise Source of the 
HVAC Using Complex Acoustic Intensity Method

기계에서 발생하는 진동과 그로 인해 방사되는 소리 사이의 관계는 매우 복잡하며, 소음 측정과 소음원을 식별하기 위해 음향 강도(acoustic intensity) 기법이 널리 활용되고 있습니다.이 연구에서는 먼저 기초 작업으로서, 복합 음향 강도(complex acoustic intensity) 기법을 활용하여 다양한 자유 공간 점음원 환경에서 소음원과 전달 경로를 식별하는 실험을 수행했습니다. 이후 산업적 적용 사례로, HVAC(난방·환기·공조 시스템)에 해당 기법을 적용해 근접장(near field)에서의 소리 방사 특성을 분석했습니다. 실험을 통해 복잡한 소음장 내에서 서로 관련되어 있는 여러 소음원을 식별할 수 있었고, 복합 음향 강도 기법의 유효성(validity) 또한 입증되었습니다. 특히, 능동(active) 강도와 반응(reactive) 강도를 함께 사용하는 방식은 소음 식별 전략을 수립하는 데 핵심적인 역할을 한다는 점이 확인되었습니다. 추가로, HVAC 시스템의 근접장에서 음향 강도의 벡터 흐름을 조사함으로써 소리 강도 분포와 에너지 흐름도 효과적으로 파악할 수 있었습니다.

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연구 주제

 

1. 문제 정의

이 논문에서는 복소음향인텐시티법을 이용하여 인접한 음원에서의 방사음의 위상이 같은 경우 액티브 인텐시티만을 이용하여도 소음원의 정확한 규명이 가능하지만 위상이 크게 달라 서로 상관관계가 큰 경우 액티브인텐시티 만으로는 소음원의 규명이 어려운 경우가 많기 때문에 서로 인접하여 상관관계를 갖는 시스템의 다음원계 음장특성을 통하여 복소음향인텐시티의 유효성을 검증하였다.

실험에서는 HVAC을 작동시키고 그때 발생하는 소음을 측정하여 HVAC에서 발생하는 소음원을 규명하고자 하였다.

이 연구에서는 차량용 HVAC의 소음측정을 실험하였으며 상대적으로 높은 소음을 방사하는 모터 및 CAM 부위의 측정 결과 값을 중심으로 소음원을 규명하고자 하였다.

측정된 데이터를 이용한 스펙트럼의 비교 및 복소인텐시티 등고선도의 분석을 통해서 소음원을 규명하고자 하였다.

 

연구 방법

 

1. 제안 방법

특히 종래의 음압 특성을 이용하여 소음원 규명 결과와 비교를 통해 복소음향인텐시티법을 차량용 HVAC(heating, ventilation and air conditioning)에 적용하여 근접 음장에서의 음향방사특성 및 소음원을 규명하였다.

음향인텐시티의 측정을 위하여 HVAC 을 소음이 크게 발생하는 작동모드로 설정하여 88점(8×11)으로 격자를 나누었다.

2개의 마이크로폰으로 부터의 신호는 2채널 실시간 신호분석기(B&K)를 통하여 스펙트럼 분석을 하여 전주파수 대역 등고선, 주파수 대역별 등고선 및 특정 주파수 별 등고선을 나타내었다.

이 연구에서는 차량용 공조기인 HVAC을 마이크로폰 장비를 이용하여 소음측정실험을 하였다.

동시에 HVAC 의 수직면에 대한 복소음향인텐시티의 액티브인텐시티 및 리액티브인텐시티에 대한 벡터선도를 가시화 하였다.

2개의 마이크로폰으로부터 계측된 음압을 이용하여 각기 액티브인텐시티와 리액티브인텐시티를 계산하였다.

FFT 분석기에 저장된 음압신호는 FFT 프로그램을 이용하여 각 마이크로폰의 시간 데이터 들의 스펙트럼을 얻어낸 후 음향 인텐시티 프로그램을 이용하여 소음원을 검출한다.

그러므로 이 연구에서의 데이터 분석의 주안점은 이들 두 부위의 발생 소음을 비교하여 차이가 많은 주파수들에 대해 중점적으로 관심을 두었다.

이 논문에서는 HVAC 의 소음원 규명에 중점을 두었기 때문에 부품별 고유진동수의 데이터는 생략하고 실험치를 근거로 결정된 관심주파수에 대하여 음압 등고선도를 이용하여 비교, 분석하였다.

선정된 주파수에서는 복소음향인텐시티 실험결과를 비교하여 그 원인 및 발생 위치를 규명 하였다.

HVAC에 대한 복소음향 인텐시티의 측정은 가장 중요하게 생각되는 모터부위, CAM 부위을 대상으로 하였으며 소음을 협대역 주파수분석을 행하였다.

이때 관심주파수는 전체 소음레벨에서 특히 중요하다고 생각되는 주파수를 관심주파수로 설정하고 중점적으로 분석하였다.

이 연구에서는 차량용 HVAC의 소음원 규명을 위하여 복소음향인텐시티법을 사용하여 음향 방사 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

 

연구 결과

 

1. 성능/효과

측정면을 대상으로 전체 소음레벨을 측정한 결과 Fig. 3에서 보이는 바와 같이 HVAC의 음압 스펙트럼에서 알 수 있듯이 전 주파수 대역에서 높은 레벨을 나타내고 있으며 특히 0~500 Hz, 700~1500 Hz, 2700~4000 Hz 대역에서 높은 피크치를 나타내고 있다.

실험분석 결과, 예측했던 주파수 대역에 그 음원이 있는 것으로 판명되었으며 레벨의 차이는 그다지 크지 않은 것으로 나타났다.

468 Hz에 대한 음향인텐시티 등고선도를 비교해 보면 모터 부위와 CAM부위에서 넓은 범위로 음이 방사되고 있는 것으로 보아 액티브 인텐시티의 경우 약 6~8 dB의 피크 값의 차이를 보이고 있으며 리액티브 음향인텐시티의 분포도를 보면 모터부위와 CAM부위에 정확한 소음원을 보이고 있다.

HVAC로부터 방사된 음의 실험을 통하여 비교한 결과 음압의 주파수 응답 특성을 분석한 결과 소음원의 개략적인 특성을 파악하였으며 보다 정확한 소음원 규명을 위해 복소음향인텐시티를 즉 액티브인텐시티와 리액티브인텐시티를 해석한 결과 리액티브 인텐시티는 정확한 소음원의 규명에 효과적임을 알았다.

다수의 복잡한 복수소음원이 존재하여 인접한 음원들 간의 위상이 다르고 서로 상관관계가 큰 경우 액티브 인텐시티는 복잡한 경로를 보여 정확한 방사특성의 규명이 어려우나 리액티브인텐시티를 이용하여 음장내의 음향 에너지의 분포를 규명 할 수 있는 복소음향인텐시티법을 적용함으로써 정확한 소음원 및 근거리 음향방사특성을 규명할 수 있으며 에너지의 존재를 파악할 수 있었다.

HVAC의 운전시 복소음향인텐시티법을 이용하여 소음원을 규명한 결과 59 Hz, 468 Hz, 1178 H에서 소음이 큰 비중을 차지하고 있었으며 HVAC의 모터부위 및 CAM부위 소음이 주원인이 되고 있음을 알았다.

또한 소음원이 근접하여 서로 상관관계를 갖는 경우 액티브인텐시티는 정확한 소음원 규명이 어려웠으나 리액티브인텐시티를 함께 적용하는 복소음향인텐시티법을 적용함으로써 소음원을 정확히 규명 할 수 있었다.

2. 후속 연구

또한 동일한 주파수에 대한 음향인텐시티의 벡터선도를 가시화하여 소음원을 검출 할 수 있을 것으로 예상된다.

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▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201001039069658

[논문]복소음향인텐시티법을 이용한 HVAC의 소음원 검출