타이어-휠가드 공간의 음장모드와 고주파성 로드노이즈의 상관성 연구
A study on the relationship between acoustic modes in tire-wheel guard space and high frequency road noise
이종현,† 구요천, 이진모
(Jong Hyun Lee,† Yo Cheon Ku, and Jin Mo Lee) 현대자동차 NVH 연구개발본부
(Received May 2, 2016; revised May 17, 2016; accepted June 6, 2016)
초 록: 타이어와 휠가드 사이의 공간은 타이어 패턴음의 전달경로가 된다. 본 논문에서는 타이어-휠가드 공간에서 발생하는 음향현상을 음장모드 분석과 휠 가드 표면에서 음압분포 가시화를 통해 규명하였다. 타이어 패턴음 저감을 위해 음향학적 댐퍼 역할을 수행하는 캐비티를 휠가드 표면상에 적용하였다. 실내소음은 2 dB(A) 감소하였는데, 본 연구에서 다룬 소음저감방법은 완성차 단계에서 원가/중량의 증가없이 실내음질을 개선하는 효과적인 방안이 될 것이 라고 판단된다.
핵심용어: 고주파수 로드노이즈, 타이어 패턴음, 기주공명, 휠가드 음장모드, 캐비티, 음향댐퍼
ABSTRACT: The space between tire and wheel guard acts as a path for tire pattern noise transmission. In this study, acoustic phenomenon occurring in the tire-wheel guard space is investigated using acoustic mode analysis and visualization of the sound pressure distribution over the wheel guard surface. We introduced a cavity over the wheel guard surface to reduce the tire pattern noise, where the cavity acts as an acoustic damper. The interior noise was reduced by 2 dB(A), and the noise control measures treated in this study may provide an efficient method to improve interior sound quality without increasing cost and weight at the final stage of the vehicle development.
Keywords: High frequency road noise, Tire pattern noise, Air pipe resonance, Wheel guard acoustic mode, Cavity, Acoustic damper
PACS numbers: 43.50.Lj, 43. 20.Ks
†Corresponding author:
Jong Hyun Lee
([email protected])NVH Development Team 1, 150 Hyundai Yeonguso-ro, Nam- yang-eup, Hwaseong, Gyeonggi-do, Republic of Korea (Tel: 82-31-368-9356, Fax: 82-31-368-9361)
“이 논문은 2015년도 한국음향학회 추계학술대회에서 발표하였던 논문임.”
I. 서 론
차량의 실내정숙성은 고객의 만족도를 높이는 주 요 상품성으로 부각되고 있으며, 제조사의 기술력을 상징하는 대표적인 성능으로 주목받고 있다.
주행소음은 주행조건에 따라 가속과 정속 주행 소 음으로 나눠볼 수 있으며, 일반적으로 고객의 차량 정숙성에 대한 판단기준은 정속주행 시 유입되는 소 음과 관련이 깊다.
정속주행 시 소음의 발생원인은 노면을 통해 가진 되는 로드 노이즈(road noise)와 유동으로 유발되는 윈드 노이즈(wind noise)로 구분되는데, 고속도로와 같은 일반노면의 고속주행시 실내정숙성은 고주파성 로드 노이즈와 윈드 노이즈의 수준으로 결정된다.
이 중 고주파성 로드 노이즈는 타이어 패턴에 의해 유발되며, 패턴음은 크게 ‘beating’, ‘whine’, ‘sizzle’로 구분된다.[1] ‘Whine’은 고주파수 영역에서 토날성분 (tonal component) 특성을 보이며, 실내에서 ‘샤 ~’ 소 음으로 발생하여 실내정숙성을 악화시키는 타이어 소음의 주된 성분으로 알려져 있다.
‘Whine’ 성분의 발생 메커니즘은 타이어의 종방향 의 메인그루브 안에 형성되는 공명모드로 속도대역 과 상관없이 800 Hz ~ 1200 Hz 부근에 발생하는 기주 공명 현상으로 규명되어 있고, 타이어 초기설계인자 로 결정되므로 실차적용 단계에 이르러 설계인자 변 경이 쉽지 않은 실정이다.[2]따라서 완성차 단계에서 패턴음의 개선은 휠가드(Wheel Guard, WG) 내측의 흡차음재 보강이나 차체하부 실링보강등의 수준에 머물고 있어 보다 근본적인 저감방안에 대한 연구가 미진한 실정이다.[3]
본 연구는 발생된 타이어 패턴음의 전파경로인 타 이어와 휠가드 사이공간에 주목하여 ‘whine’ 성분의 피크성 특성이 전파공간과의 상호작용으로 보강간 섭되는 현상을 시험적으로 규명하였고, 이를 통한 휠가드 형상인자 변경을 통해 타이어-휠가드 사이 공간에서 형성되는 음향학적 보강현상을 저감시켜 패턴소음의 실내 전달량을 개선하였다. 이러한 시도 는 기존의 개선 방법인 휠가드 재질변경이나 휠가드 내측의 흡차음재 적용과 비교하여 원가/중량에 유 리한 소음저감 방법이며, 나아가 실외로 방사되는 타이어 방사소음의 저감방안으로 향후 강화되는 EU 외부소음 법규에 대응하는 효과적인 방안으로 고려될 수 있다고 판단된다.[4]
II. 본 론
2.1 타이어 패턴음 발생원리
타이어 패턴음은 타이어 원주방향의 종그루브와 횡그루브가 노면과 접지할 때 형성되는 세로공기기 둥에 의한 기주공명 현상으로 Eq.(1)로 공명주파수 계산이 가능하다.[5]
Frequency = Speed of sound
Total contact length. (1)
따라서 온도에 따른 음속과 각 그루브의 접지길이로 공명주파수는 결정되며, 일반적인 접지길이기준 0.19 m로 계산하면 900 Hz 전후 대역에서 존재하게 된다.
2.2 소음 전달성분 분석(MCF)
입력과 출력 사이의 상관성은 Eq.(2) 와 같이 정의 된다. 로드 노이즈 분석에서는 이를 통해 고체전달 성분과 공기전달성분을 분리해 낼 수 있다.[6]
×
, (2)
여기서 XPij는 입력신호 ij의 상호파워스펙트럼, APi
는 입력신호 i에 대한 파워스펙트럼을 의미한다.
Fig. 1(a)를 통해 650 Hz 이상부터 공기전달성분이 실내음에 주된 기여성분임을 확인할 수 있으며, (b)의 공기전달성분에 대한 전륜 및 후륜 기여를 분리하면 주파수 대역에 따른 전륜 및 후륜 기여분포가 확인된 다. 본 연구의 관심성분인 ‘whine’성 패턴음 대역에서 는 주로 후륜 성분의 기여가 지배적이며 일부 대역 에서 전륜 성분이 기여하고 있음을 확인할 수 있다.
(a) Contribution of structure borne and airborne noise to road noise
(b) Contribution of front and rear tire airborne Fig. 1. Multiple coherence function at 80 km/h.
2.3 타이어-휠가드 공간 기여도 평가 2.3.1 평가 차량 선정
현대자동차 차량 중 17인치 썸머 타이어를 장착한 준중형 세그먼트 차량을 선정하였고, 일반고속도로
노면 조건에서 80 km/h 주행시 고주파성 로드 노이 즈의 수준이 평가에 적합함을 사전에 확인하였다.
2.3.2 휠가드 탈거 기여도
타이어-휠가드 사이 공간특성이 타이어 패턴음의 실내전달에 미치는 영향을 확인하기 위해서 휠가드 장착과 탈거에 따른 실내음 변화를 관찰하였다.
Fig. 2를 통해 1 kHz 대역 피크성 ‘whine’성 패턴음 을 확인할 수 있으며, 이로인해 고주파대역의 로드 노이즈 소음이 지저분하게 들리게 된다.
전륜과 후륜의 휠가드를 각각 탈거할 경우 ‘whine’
성 패턴음이 크게 개선되는데, 이는 피크성 성분인 패턴음의 파장(wavelength)이 타이어-휠가드 사이공 간에서 거리와 일치하여 음향학적 보강간섭(acoustical constructive interference)이 발생하는 것으로 추정해 볼 수 있다.
(a) Contribution of front WG to interior noise
(b) Contribution of rear WG to interior noise Fig. 2. Interior noise on driving seat at 80 km/h.
2.4 타이어-휠가드 공간 음장 분석
휠가드 탈거를 통해 ‘whine’성 패턴음의 개선은 확인 되나 휠가드 흡차음 성능악화로 인해 ‘sizzle’성 패턴음 과 2 kHz 이상의 고주파 소음의 악화를 피할 수 없다.
따라서 휠가드 형상의 변경을 통해 공간특성인자 를 유리하게 설정할 필요가 있는데, 타이어-휠가드
사이공간에 대한 음장분포 분석을 이용하여 정확한 휠가드 개선부위를 설정할 필요가 있다.
2.4.1 음장분석 방법
타이어-휠가드 사이공간의 음장분포를 측정함에 있어서 좁은 공간 상의 왜곡을 최소화하기 위하여 9 개의 표면마이크로폰을 이용하여 라인 어레이를 구 성하였다.
볼륨스피커를 이용한 백색잡음을 타이어와 지면 의 접지점에서 발생시키고 라인 어레이를 타이어 중 심을 기준으로 π/16 간격으로 이동하며 음압을 측정 하였다.
Fig. 3. Scheme of acoustic field test.
2.4.2 음장모드 분석
측정된 신호의 음압의 크기와 위상정보를 이용하 여 공간상에 존재하는 음장모드의 휠가드 장착/탈 거에 따른 변화를 관찰할 수 있다.
타이어-휠가드 사이공간의 특성길이 변화에 따라 공간에 형성되는 음장모드의 주파수가 변경됨을 알 수 있는데, 1 kHz 이하 대역에서 음장모드의 변화는 전륜보다는 후륜의 공간변화에 따라 크게 상쇄됨을 확인할 수 있다.
Table 1. Measured mode map of acoustic field.
이러한 변화는 MCF(Multiple Coherence Function)의 결과와 같이 타이어 패턴음의 후륜 휠가드에 대한 민감성을 보여주며, 동시에 타이어-휠가드 사이공 간의 증가 혹은 타이어-휠가드 사이 특성길이 증대 에 따라 공간상에 발생하는 음향학적 보강간섭 효과 가 저감되어 음장모드의 세기가 약해지는 것으로 추 정할 수 있다.
2.4.3 음장분포 분석
전륜과 후륜의 휠가드 표면상에 형성된 음장분포 를 가시화하면 다음과 같다.
(a) At 815 Hz
(b) At 925 Hz
(c) At 980 Hz
Fig. 4. Visualization of sound pressure on front WG.
(a) At 815 Hz
(b) At 925 Hz
(c) At 980 Hz
Fig. 5. Visualization of sound pressure on rear WG.
전반적으로 휠가드 탈거에 따라 공간상에 형성되 는 음장분포의 세기가 크게 개선됨을 확인할 수 있 다. 특히 Fig. 2의 실내소음 개선 주파수에서 Figs. 4와 5의 전륜과 후륜에 형성되는 음장세기가 눈에 띄게 개선되는 것을 확인하였다.
이를 통해 타이어와 휠가드 사이공간에서 형성되 는 음장분포의 세기가 실내에서 감지되는 ‘whine’성 패턴음에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
2.4.4 근접소음 분석
Figs. 4와 5는 강한 음압의 위치가 휠가드 후방의
Table 2. Wavelength of target frequency.
하단부임을 보여준다. 따라서 ‘whine’ 성분의 타이어 방사소음은 지면과의 접지점 기준, 후방 방사특성을 갖는 것으로 예측할 수 있다. 이를 검증하기 위해 실 차 주행조건에서 타이어 전후 근접위치의 방사소음 을 측정해 보았다.
(a) Forward on rear tire
(b) Backward on rear tire
Fig. 6. Measured radiation noise near the tire.
Fig. 6 (a)에 비해 (b)는 소음의 ‘whine’ 특성이 뚜렷 이 관찰되며, 휠가드 외측 공간인 측정위치에서 패 턴음의 저감효과가 뚜렷이 발생하였다. 이는 타이어 와 휠가드 공간에서 발생하는 음장모드가 타이어의 방사소음에도 영향을 미치고 있음을 시사한다.
2.5 타이어-휠가드 공간 음장 개선
이상의 분석으로 타이어와 휠가드 사이공간에서 형성되는 음장모드의 개선이 패턴음의 전달감도 저 감에 효과적임을 알았고, 이를 위한 휠가드 형상변 경 방안을 결정하였다.
2.5.1 휠가드 형상변경
음장 분포 및 근접소음 분석을 통한 휠가드의 변 경부위는 전륜과 후륜의 휠가드 후방면으로 결정했 으며, 변경범위는 음장분포의 열세부위인 휠가드 후 방끝단을 기준으로 0° ~ 45° 구간으로 최소화 하였다.
결정된 범위안에 원주방향과 반경방향 공간특성 인자의 변화를 위하여 캐비티를 배치하였으며, 이때 공간의 원주방향인 깊이는 관심주파수의 λ/4 이상이 되도록 0.10 m 이상을 확보하였다(Table 2).[7]
Fig. 7. Modification of WG design.
설계된 단차공간의 배치는 Fig. 7과 같다. 휠가드 후방면의 음압이 강한 범위에 파장 길이를 고려한 캐비티 배치로 타이어와 휠가드 사이공간 특성에 변 화를 줄 수 있었다.
2.5.2 휠가드 형상변경 기여도
개선된 형상의 휠가드를 장착한 뒤 일반노면 80 km/h 주행시 실내에서 ‘whine’성 패턴음의 변화를 관 찰하였다.
Fig. 8(a)와 (b)를 통해 고주파수 로드 노이즈의 개 선효과를 살펴보면 0.9 kHz 대역의 ‘whine’성 패턴음 의 저감효과를 확인할 수 있으며, 휠가드 탈거에 따 른 흡차음 성능저하로 악화되는 고주파영역에서는 휠가드 장착과 동등수준의 흡차음 성능을 확보할 수 있었다.
이러한 개선효과는 목표 주파수의 각 대역에서 협 대혁 폭 기준으로 전후석 평균 2 dB수준의 개선효과
를 확인할 수 있었고, 피크 성분의 저감으로 정속 주 행시 느껴지는 고주파 로드노이즈의 감성수준도 크 게 개선되었다. 이는 실내음질 지수 AI(Articulation Index) 기준으로 약 2 %의 개선효과로 실내 정숙감이 향상되었다.
(a) Contribution of modified WG at front seat
(b) Contribution of modified WG at rear seat Fig. 8. Interior noise on driving seat at 80 km/h.
그럼에도 불구하고 여전히 존재하는 피크 성분을 확인할 수 있는데, 이는 휠가드 후면에 영향받지 않 은 전면부나 측면부의 성분일 것이라 예상한다. 또 한 휠가드 후면부와 하우징 차체면 사이의 제약으로 인해 단차공간의 충분한 깊이를 확보하지 못한 점도 평가상의 한계로 남아 있다.
결과적으로 휠가드 형상설계로 ‘whine’성 패턴음 을 제어할 수 있고 이는 해석적인 접근을 필요로 한 다. 본 연구의 실험적인 접근을 바탕으로 해석적 접 근을 통한 휠가드 형상 최적화가 가능하다면 좀 더
효과적인 개선형상을 고안해 낼 수 있을 것이다.
III. 결 론
고주파성 로드 노이즈 중 ‘샤 ~ ’소음으로 알려진 타이어 패턴음은 피크 특성을 갖는 ‘whine’ 성분으로 실내음 수준을 결정하는 주요 성분이다. 음향학적 관점에서 피크성 소음원이 갖는 파장관 내의 음향현 상에 착안하여 타이어-휠가드 공간상에서 음향학적 보강간섭 현상을 예측하였고 이를 실험적으로 검증 하기 위해서 다음과 같은 단계로 검증평가를 수행하 였다.
첫째, 휠가드 장착과 탈거에 따른 실내음 변화를 관찰할 때 탈거시 실내음의 패턴성분이 저감되는 현 상을 관찰할 수 있었다.
둘째, MCF 분석을 통해 실내음의 패턴 성분이 공 기전달 성분임을 확인하였고, 타이어와 휠가드 사이의 길이특성과 소음원의 파장을 고려하여 1차원 덕트 관 내의 평면파 전달 현상으로 가정해 볼 수 있었다.
셋째, 타이어와 휠가드 공간에서 음향 에너지의 보강 및 간섭 현상을 확인하기 위한 음장모드 평가 를 수행하고, 이에대한 분석을 통해 휠가드 유 무에 따른 음장모드의 저감과 휠가드 표면에서 형성되는 강한 음압 레벨의 감소를 확인하였다.
넷째, 타이어와 휠가드 공간의 음장모드 발생을 감소시키기 위하여 휠가드의 형상을 변경하였다. 이 때 휠가드의 형상변경 부위는 음장분포 및 근접소음 분석 결과를 통해 결정하였고, 단차공간의 설계인자 는 패턴음의 파장길이를 고려하여 결정하였다.
마지막으로 단차공간을 적용한 휠가드를 장착한 실차평가로 개선 전 후의 실내음의 변화를 관찰하였 을 때, 패턴음의 효과적인 저감현상을 확인할 수 있 었다.
이러한 결과는 기존의 흡차음재 적용이나 타이어 패턴의 변경 등 시간적 비용적 노력을 크게 요구하 던 개선방안을 넘어서는 원가와 중량의 증가 없는 패턴음의 저감방안으로 활용이 가능하다. 나아가 자 동차산업의 외부소음 법규의 강화에 대해서도 실효 성있는 대안이 될 수 있다고 판단된다.
다만 저소음 휠가드 형상제안을 위해서는 보다 최
적화 툴에 기반한 해석적 접근이 필요할 것으로 생 각되며 의장부품인 휠가드 뿐만이니라 차체범주에 서도 최적화된 형상구현을 위한 휠하우징 설계를 병 행해야 한다고 생각된다.
References
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2. J. H. Han and S. W. Hwang, “A study on the sound radiation and prediction of the tire noise” (in Korean), Proc. of KSNVE Annual Conference, 1100-1104 (2012).
3. H. G. Kim, H. S. Baik, M. S. Lee, D. H. Kim, and D. H. Kim,
“A study of wheel guards for reduction of road noise” (in Korean), Proc. of KSNVE Annual Conference, 908-914 (2013).
4. D. K. Kim, I. S. Kang, and Y. J. Oh, “Correlation study of the tire pattern noise frequency and the tire pass by noise” (in Korean), Proc. of KSNVE Annual Conference, 619-620 (2013).
5. S. W. Hwang, M. J. Bang, G. H. Rho, and C. T. Cho, “The study on tire pattern noise” (in Korean), Proc. of KSNVE Annual Conference, 310-313 (2006).
6. S. G. Park, K. H. Kang, S. W. Hwang, K. S. Oh, K. H. Rho, and J. E. Oh, “Transfer path analysis and interior noise estimation of the road noise using multi-dimensional spectral analysis method” (in Korean), Trans KSNVE, 18, 1206-1212 (2008).
7. M. S. Ressl and P. E. Wundes, “Design of an acoustic anechoic chamber for application in hearing aid research,”
AMTA’10 Proc. of the 11th WSEAS international conference on Acoustics & music: theory&applications, 18-23 (2010).
저자 약력
