홴필터유닛의 소음레벨저감을 위한 실험적 연구

(1)

碩士學位論文

홴필터유닛의 소음레벨저감을 위한 실험적 연구

An Experimental Study on the Reduction of the Noise Radiated by a Fan Filter Unit

國民大學校自動車工學專門大學院 엔 진 및 공 조 시 스 템 專攻

金正燮

(2)

홴필터유닛의 소음레벨저감을 위한 실험적 연구

An Experimental Study on the Reduction of the Noise Radiated by a Fan Filter Unit

指導敎授鞠亨碩

이 論文 을 碩士學位請求論文 으 로 제 출 함

2002年 1 月日

國民大學校自動車工學專門大學院

엔 진 및 공 조 시 스 템 專攻金正燮

2 0 0 1

(3)

金正燮 의

碩士學位請求論文을 認准함

2001年 12月日

審査委員長金贊默印審査委員許昇鎭印審査委員鞠亨碩印

國民大學校自動車工學專門大學

(4)

목 차

목차 ⅰ

국문요약 ⅲ

Nomenclature ⅳ

List of Figures and Tables ⅴ

1. 서론 1

1.1 클린룸 개요 2

1.2 클린룸 규격 3

1.3 클린룸 방식 4

2. 이론 7

2.1 판넬기여도해석 7

2.2 음향상호성 원리 10

2.3 구조-음향 전달함수 13

2.4 구조-음향 상반원리 15

2.5 유효면적 17

2.6 음향전달함수에 의한 FFU의 판넬기여도해석 19

3. 실험 20

3.1 FFU의 서브판넬(Sub Panel)부분구조분할 20

3.2 실험장치구성 21

3.3 관심영역의 결정 22

3.3.1 음향전달함수의 측정 23

3.3.2 발생소음의 재구성 24

(5)

3.3.3 체적속도 및 유효면적 25

4. 실험결과 29

5. 결론 및 향후과제 39

참고문헌 40

abstract 41

(6)

국 문 요 약

반도체 제조나 정밀기계공업분야에 요구되는 초청정 환경을 조성 하기 위한 공기정화용 홴필터유닛(FFU)에서 발생하는 소음을 판넬 기여도 해석방법을 이용하여 분석하였다. 이를 위하여 소음원을 재 구성하여 각 서브판넬의 전체소음에 대한 기여도를 판단했다. 판넬 기여도분석은 구조물을 구성하는 각 판넬의 전체소음에 대한 기여 도를 판단하는 방법으로 가진원 및 소음전달경로에 대해서는 알 수 없지만 어느 부분의 판넬에서 방사되는 소음이 전체 소음에 대 한 기여도가 가장 큰가를 알 수 있는 유용한 방법이므로 소음레벨 의 저감을 위한 효과적인 대책안을 마련할 수 있다. 재구성한 소음 레벨이 실제측정한 소음과 유사한 경향을 보이므로 구조물의 각 부분에서 발생하는 소음레벨이 전체 소음레벨에 기여하는 정도를 해석할 수 있었다. 가진원으로 사용된 라우드스피커의 체적속도를 정의하는데 유효면적개념을 이용하여 그 유용성을 확인했다.

(7)

Nomenclature

Aeq Equivalent Area

φ

n Velocity potentials

nˆ

Unit outward Vector Normal to S )

(ω

p Structure Borne Noise

(ω )

H

i Vibro-acoustic Frequency Response Function Q Volume velocity

) (ω

v

Hik Velocity Ratio Function

Total

P

Total Pressure

P

i Partial Pressure : Acoustical Contribution of Panel i Q i

p)

( Acoustic FRF btw Microphone and Panel i

q

i Operational Volume Velocity of Panel i

(8)

List of Figures and Tables

Figure 1 The Panel Acoustic Contribution Analysis Process Figure 2 Reciprocal Cases of Radiation and Response Figure 3 Fan Filter Unit Module System

Figure 4 Order-Tracking Test Result (840-1140rpm) Figure 5 Test SetUp

Figure 6 Noise Transfer Function and Velocity Ratio Function Figure 7 The Aeq and Actual Area of the Loudspeaker Figure 8 Comparison of NTF and VRF Using Aeq

Figure 9 Comparison of Measured Noise and Synthesis Noise Using Actual Area Figure 10 Comparison of Measured Noise and Synthesis Noise Using Aeq Area Figure 11 Measured Noise, Sysnthesis Noise and Contribution of Sub Panel 1 Figure 12 Measured Noise, Sysnthesis Noise and Contribution of Sub Panel 2 Figure 13 Measured Noise, Sysnthesis Noise and Contribution of Sub Panel 3 Figure 14 Measured Noise, Sysnthesis Noise and Contribution of Sub Panel 4 Figure 15 Measured Noise, Sysnthesis Noise and Contribution of Sub Panel 5 Figure 16 Measured Noise, Sysnthesis Noise and Contribution of Sub Panel 6 Figure 17 Measured Noise, Sysnthesis Noise and Contribution of Sub Panel 7 Figure 18 Measured Noise, Sysnthesis Noise and Contribution of Sub Panel 8 Figure 19 Measured Noise, Sysnthesis Noise and Contribution of Sub Panel 9

Table1 Particle upper limit per ft³

Table2 Particle upper limit according to class

(9)

1. 서론

반도체 제조나 정밀기계공업분야에 요구되는 초청정 환경을 조성 하기 위한 공기정화용 홴필터유닛(Fan Filter Uunt)이 전력소모가 심 한 AC모터 대신 BLDC(Brushless DC)모터를 채택한 절전형제품으로 교체되는 추세이다.

홴필터유닛(Fan Filter Uunt)은 먼지에 극도로 민감한 반도체 생산 라인의 공기여과를 위해 클린룸 천장에 설치되는 장비로 전문업체 들은 FFU의 전력소비량 절감과 제어기능 향상 및 제품의 신뢰성 확보를 위해 BLDC(Brushless DC)모터를 장착한 제품으로의 전환을 시도하고 있다.

시험대상 FFU는 규격화된 유닛을 천정면에 자유롭게 설치할 수 있는 구조이며 제조 라인의 부분청정도 유지에도 활용되고 있다.

시험대상 FFU는 Class^{(1.2 절참조)} 100,000 에서 Class 0.1의 클린룸에 적 합한 규격을 가지고 있으며 , 천장 Module Bar위에 설치되어 수직층 류를 클린룸에 공급한다. 재질로는 알루미늄을 사용하여 가볍고 견 고한 구조를 가지고 있다.

BLDC모터를 적용한 FFU는 소비전력이 30% 이상 줄어들고 클린 룸 내의 먼지밀도에 따라 모터속도를 자유롭게 조절할 수 있어 반 도체 업체들이 BLDC방식의 FFU를 대거 채택하는 추세이다. 그러 나 FFU에서 발생하는 환경소음이 작업자에게 유해환경을 조성하

(10)

여 불만을 야기시키고 일상활동을 저해 , 생산성의 저하를 가져오므 로 이에 대한 소음저감 대책이 필요하다.

1.1 클린룸 개요

클린룸에서 제거해야 할 먼지의 크기는 사람의 눈에 보이지 않 는 아주 작은 미립자를 대상으로 하고 있다. 사람이 육안으로 확인 할 수 있는 입자의 크기는 10㎛ 이상이며 이러한 먼지는 클린룸에 서 제거 하기에는 너무 크기 때문에 공조기에서 제거되어야 한다.

클린룸에서 제어 대상이 되는 입자는 크기 1㎛ 이하의 입자를 대 상으로 하고 있다. FED(미국연방규격)에서 규정하고 있는 청정도의 대상 입자는 0.5㎛를 표준으로 규정하고 있다. 직경 0.5㎛ 정도의 크기는 Smoke, Fume, 담배연기 등이 해당되며 이 미립자들은 응집 되어 있을 경우에는 육안으로도 확인할 수 있지만 개별로 존재하 는 경우에는 육안으로 식별 할 수 없다.

클린룸에서 사용하는 HEPA(High Efficency Particulate Air)Filter는 0.3㎛ 이상의 미립자를 99.97% 이상의 포집 효율로 제거할 수 있 다. 또한 최근 반도체 산업의 수퍼 클린룸에 적용되고 있는 ULPA Filter는 0.1㎛의 미립자에 대해 99.999 %이상의 높은 포집효율을 가 지기 때문에 클린룸으로 유입되는 공기중의 먼지를 거의 제로에 가까운 상태로 유지할 수 있다.

(11)

1.2 클린룸 규격

클린룸에 관한 규격은 KS 등 여러 가지 규격이 있으나 미국의 연방규격(Fed. Std. 209)이 가장 널리 이용되고 있다. 공기 청정도는 0.5

ìm

이상의 입자가 1ft³중에 몇 개가 포함되어 있는가에 따라 Class로 구분하는데 , Table 1과 같이 단위 ft³당의 입자수 상한치를 기준으로 각 Class를 구분하며, Table 2에는 각 Class에서 검출 가능한 미소입자의 허용치를 나타내고 있다.

Table 1 Particle upper limit per ft³

측정입경(

ìm

) Class

0.1 0.2 0.3 0.5 5.0

1 35 7.5 3 1 N/A

10 350 75 30 10 N/A

100 N/A 750 300 100 N/A 1000 N/A N/A N/A 1,000 7 10000 N/A N/A N/A 1,000 70 100000 N/A N/A N/A 100,000 700

(12)

Table 2 Particle upper limit according to class

1.3 클린룸 방식

클린룸 방식은 원칙적으로는 실내의 기류에 따라 비층류(non laminar air flow)방식과 선형층류(laminar air flow)방식으로 나누며 , 방 식의 선정에 있어서는 요구되는 청정도, 운전관리, 설비비등의 검 토가 필요하다. 최근의 경향으로서는 상기방식을 적당히 서로 맞춘 형태인 클린벤치(Clean bench), 클린부스(Clean booth)등의 방식이 많 이 채용된다.

측정입경(

ìm

) Class

0.1 0.2 0.3 0.5 5.0 1 0.5 3.0 7.0 20.0 N/A 10 0.1 0.3 0.7 2.0 N/A 100 N/A 0.1 0.1 0.2 N/A 1000 N/A N/A N/A 0.1 3.0 10000 N/A N/A N/A 0.1 3.0 100000 N/A N/A N/A 0.1 0.3

(13)

1.3.1 비층류 방식

비층류 방식의 클린룸은 난류방식이라고도 불려지는 것으로서 일반적인 공조설비에 Hepa Filter를 사용함으로써 청정공간을 얻을 수 있는 것이다. 이 방식은 실내의 기류가 흩어져 소용돌이가 발 생하여 실내에서 발생한 미립자는 공기중으로 날려 올라가서 희석 되어 배출되게 된다. 그 때문에 높은 청정도를 유지하는 것은 어렵 게 되어 그 청정도는 미국연방 209B에서 규정한 Class 10,000-100,0 00으로 되어 있다.

1.3.2 수직층류 방식

수직층류 방식은 천정 전면에 부착시킨 헤파필터(Hepa Filter)층으 로부터 마루의 격자면을 통하여 청정공기를 수직으로 흘러보내는 것이다. 이 방식은 실내에서 발생한 미립자는 바로 하류에 이동하 여 실외로 배출되기 때문에 비층류 방식과 같이 실내에 체류 , 축적 되는 일은 없다.

천정면의 조명기구 및 실내의 기구 등 때문에 완전한 층류 상태 라고는 할 수 없지만 미립자를 제거 하는 데는 대단히 유효한 방 법이며 , Class 100을 유지할 수 있다.

천정면에서의 분출하는 풍속은 0.5m/s로 하며 환기회수는 200-300

(14)

회/h이상으로 된다. 그 때문에 순환되는 공기의 일부를 공기 조화 기에 되돌려 가급적 많은 공기를 순환시켜 건설비의 절감을 도모 하는 일이 많다.

1.3.3 수평층류 방식

수평층류 방식은 벽면에 붙인 헤파필터(Hepa Filter)층으로부터 반 대측의 벽면을 향하여 청정 공기를 수평으로 흐르게 하는 것이다.

수평층류 방식에서는 헤파필터(Hepa Filter)층의 바로 하류의 일차작 업 위치에서 Class100의 청정도가 얻어 질 수 있지만 하류에 갈수 록 상류에서 발생한 오염물의 영향으로 고농도가 되는 경우가 있 다. 벽면에서의 분출하는 풍속은 0.5 m/s로 하며 환기회수는 200- 300회 /h 이상으로 된다. 그 때문에 수직층류 방식과 같이 클린룸내 부의 공기를 순환시키는 방식이 많이 사용된다.

1.3.4 변용 방식

변용 방식은 경제적인 비층류 방식과 높은 청정도를 얻을 수 있 는 층류 방식을 절충한 방식이다. 이것은 생산활동에 필요한 최소 한의 공간만을 높은 청정도를 유지하는 것으로 비층류방식의 클린 룸에 필터유닛(Filter unit)과 클린벤치(Clean bench)를 연속적으로 장

(15)

치하여 국부적으로 층류상태로 하여 높은 청정도를 얻는 방식이다.

2. 이론

2.1 판넬 기여도 해석 ( Panel Contribution Analysis ) ^[1]

구조물을 구성하는 각 요소들이 일으키는 소음과 진동은 구조물 의 성능과 정숙도에 큰 영향을 준다. 제품의 경량화로 인하여 구조 소음의 중요성이 커지고 있으며 , 따라서 진동과 소음은 구조물의 설계단계에서부터 고려해야 할 중요한 인자이다. 구조기인 소음을 저감하기 위한 손쉬운 방법으로 흡음재의 사용을 들 수 있는데 이 러한 방법은 흡음재를 사용할 수 없는 곳에서는 이용할 수 없다.

근원적인 해결책으로는 구조물의 구조변경을 통하여 소음원에 대한 제어를 수행하는 것이다. 그러나 올바른 구조변경은 시행착오 적인 방법에 의하여 쉽게 발견할 수 없다. 그 이유로는 구조물을 구성하는 다양한 판넬들의 움직임 사이에는 위상관계들의 밀접한 중요성과 관심영역의 주파수대역에서의 많은 수의 구조 모우드들 이 존재하기 때문이라고 말할 수 있다. 따라서 제품 개발기간의 단 축을 요구되는 현시점에서 적절한 실험 또는 해석적 방법을 통하 여 구조물의 음향특성을 분석하는 것이 바람직하다. 이러한 방법중 에 많이 사용하는 방법으로는 모달 시험(Modal Testing), 실변형모습

(16)

(Operational Deflection Shape),전달경로해석(Transfer Path Analysis), 판 넬기여도해석(Panel Contribution Analysis), 유한요소법과 경계요소법 이 있다.

이중에서 판넬기여도 해석은 구조물을 구성하는 각 판넬의 전체 소음에 대한 기여도를 판단하는 방법으로써 가진원 및 전달경로에 대해서는 알 수 없지만 나타난 소음현상에 대해서 각 판넬에서 방 사되는 소음의 전체 소음에 대한 기여도를 알 수 있기 때문에 설 계단계에서 효과적인 대책안을 마련할 수 있는 정보를 제공하여 주며 , 해석적인 방법을 쓰기엔 다소 복잡한 형상의 시스템에 대해 서도 비교적 좋은 결과를 준다.

구조물의 운행시 각 판넬들이 전체소음에 미치는 기여도를 분석 하기 위해서는 판넬의 움직임과 판넬의 움직임에 따른 실내 공간 의 소음전달 특성을 알아야 한다. 판넬의 진동이 크지 않아도 실내 공간의 공명주파수에 근접하게 되면 공동(Cavity)의 음향모드를 효 과적으로 가진하게 되어 소음이 큰 폭으로 커질 수 있다. Fig.1은 통상적으로 행해지는 판넬기여도해석법의 전체적인 절차를 나타내 고 있다.

(17)

Fig.1 The Panel Acoustic Contribution Analysis Process

(18)

2.2 음향상호성원리(acoustic reciprocity theorem)

^[2]

음향상호성의 일반적인 원리는 일정한 음향학적 매질이 분포되어 있는 음향장의 어떠한 한 점 B에서 체적속도를 가진 단순 주기 소 음원에 의한 다른 한 점 A에서 형성된 음압은 점 A에 위치한 같 은 소음원에 의해 형성된 점 B의 음압과 같다는 것이다. 이와 같 은 개념은 소음원과 그들이 형성한 음장과 청취자와의 상호관련성 을 포함하고 있는 일반적인 결과를 구하는데 유용하게 사용된다.

앞에서 기술한 Helmholtz 방정식으로부터 음향 상호성 법칙을 적용 할 수 있다.

Situation 1 :

∇

²

φ k

₁

+

²

φ

₁

= 0

Situation 2 :

∇

²

φ

₂

+ k

²

φ

₂

= 0

여기서

φ

_n은 속도 포텐셜을 의미한다.

Green의 2차 항등식으로부터 일반적 관계식을 유도하면 ,

dV ds

n

v

s

( φ

₁

∇ ι

₂

− φ

₂

∇ φ

₁

) ⋅ ˆ = ∫ ( φ

₁

∇

²

φ

₂

− φ

₂

∇

²

φ

₁

)

∫

(1)

여기서

nˆ

는 표면요소

ds

에 수직한 단위법선벡터를 나타낸다.

(19)

(1) 식의 오른쪽 항은 체적에 관한 적분을 취하게 되면 소거된다.

압력

P = − j ωρ

₀

φ

와 , 입자속도에 관한 관계식

u = ∇ φ

를 식 (1)의 왼쪽에 대입하면

∫

^s

( ^p

₁

^u

₂

− ^p

₂

^u

₁

) ⋅ ⁿ ˆ ^ds = 0

(2) (2) 식을 다시 정리하면

ds n u p ds

n u p

B

A s

s

(

₂ ₁

) ⋅ ˆ = ∫ (

₁ ₂

) ⋅ ˆ

∫

(3)

여기서 음원이 파장에 비하여 충분히 작다고 가정하면 , 거리

r

^에 대한 각 음원의 음압은 일정한 값을 갖게 된다.

ds n p u

ds n

p

^s^A

u 1

^s^B

( ) ˆ ) ˆ

1 (

2 2 1

1

⋅

=

⋅ ∫

∫

(4)

방사되는 음향에너지를 체적속도

Q

로 표시하는 음원강도에 관한 식 ,

Qe u n ds

s t

j^ω

⁼ ∫ ^⋅ ^ˆ

와 음압에 관한 식

p = p ( r ) exp( j ω t )

로 식 (4)를 다시 표시하면 ,

(20)

2 2 1

1

( ) ( )

Q r P Q

r

P =

(5)

위의 식은 같은 경계조건에서 거리 r에 대해 모든 단순음원에 대 한 음압과 음원강도에 대한 비(比)가 같다는 것을 보여준다. 따라 서 , 음향 상호성 법칙을 적용하면 음원이 여러 경계면에 존재하는 경우 , 특정지점에서 발생하는 음압에 대한 각 경계면의 기여도를 구하는 경우 , 관찰하고자 하는 대상의 한 지점에 단순음원을 부여 하고 , 각 경계면에서의 분포음압을 구하면 , 상대적인 소음에 대한 기여도를 파악할 수 있다.

(21)

2.3 구조-음향 전달함수 (Noise Transfer Function)

구조물에 있어서 진동 에너지의 전달 경로가 N개 일 때, 특정 지점에서의 전체 구조 기인 소음(structure borne noise) p(ω)은 각각의 전달 경로를 통하여 유입된 진동 에너지에 의하여 발생된 구조 기 인 소음의 합으로 나타낼 수 있다.

∑

=

^N

i

p

i

p

1

) ( )

( ω ω

(6)

여기서

i

는 각각의 전달 경로를 나타낸다. 그리고 p_i(ω)는 전달 경 로

i

를 통하여 전달된 진동에 의하여 구조물의 특정 위치에 발생된 구조 기인 소음으로서, 다음과 같이 전달 경로를 통하여 전달되는 가진력 f 와 구조-음향 전달 함수의 곱으로 나타낼 수 있다._i

i pi

i

H w f

p (ω ) = ( ) ⋅

(7)

여기서 Hpi(ω)는 전달 경로 i 에 대한 특정 지점의 구조-음향 전달 함수이다. 이것은 전달 경로

i

에 작용된 가진력 F 에 대한 특정 지_i 점에서의 음압 P 의 주파수 응답 함수(Frequency Response Function)이_i

(22)

다.

i i

pi

F

H (ω ) = P

(8)

따라서 특정 지점에서의 전체 구조 기인 소음은 다음 식과 같이 표 현된다.

∑

=

⋅

=

^N

i

pi

w f

H p

1

) ( )

( ω

(9)

(23)

2.4 구조-음 향 상반 원리 (Vibro-acoustical Reciprocity)

^[5]

Fig.2 Reciprocal Cases of Radiation and Response

구조물의 평판 또는 셸과 같은 판넬에 외력이 작용할 때 발생 되는 구조 기인 소음과 음원에 의하여 형성된 음장에 대한 판넬의 응답사이에는 중요한 관계가 있다. 구조물의

r

_i지점에 가진력이 주 어질 때 발생된 판넬의 진동에 의하여

r

_k지점에 형성된 음압과, 외 력이 없을 때

r

_k지점에 위치한 음원에 의하여 구조물의

r

_i지점에 발 생된 진동속도는 다음과 같은 상반관계를 갖는다.

(24)

) (

) ( )

( ) (

k i i

k

r Q

r v r

F r

p = −

(10)

여기서

r

_k와

r

_i는 Fig.2 에서와 같이 각각 O점에 대한 k지점과 i지점 의 위치 벡터이고 _Q는 음원의 체적 속도(volume velocity)이다. 그리 고 i지점에서의 가진력 벡터 F(r_i)와 속도 v(r_i)는 같은 단위 벡터를 갖는다.

식 (8)의 구조-음향 전달 함수에 식 (10)의 상반원리를 적용하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Q

H

_i

(ω ) = − v

ⁱ (11)

여기서 _Q는 특정 지점에 위치한 음원의 체적속도를 나타낸다. 따라 서 식 (10)의 진동-음향 상반원리는 임팩트해머링이나 가진기와 같 은 기계적인 가진원을 사용할 수 있는 공간이 없거나, 평판의 접선 방향으로 가진하는 것이 불가능한 경우, 또는 모든 전달 경로에 대 한 구조-음향 전달 함수를 동시에 구하고자 할 때 유용하게 이용될 수 있다.

(25)

2.5 유효면적(Equivalent Area)

^[3]

임의의 형상을 가진 음원의 체적속도는 다음과 같이 정의 된다.

∫ ^⋅

=

S t

j

v n dS

e

Q ~

_ω

r ˆ

(12)

여기서

v r

는 음원의 표면에서의 진동 속도를 나타내고, nˆ은 표면요 소 dS 에 수직한 단위 벡터를 의미하여 S 는 음원의 전체 표면을 나 타낸다.

상반원리를 이용한 구조-음향 전달 함수 측정에 있어서 가진원으 로 무지향성의 음원이 사용되어야 한다. 구조물의 가진에 필요한 음 원은 500 Hz 미만의 저주파를 발생시켜야 하며 구조물을 가진시킬 수 있는 충분한 음향 파워를 발생시킬 수 있는 대형 라우드스피커 가 사용된다. 라우드스피커 다이어프램의 속도는 각 위치에 따라 크 기와 위상이 판이하므로, 식 (12)를 이용하여 체적 속도를 직접 구하 는 것에는 많은 제약이 따른다.

음원의 체적 속도에 고강호^[3]가 제안한 유효 면적(equivalent area)을 도입하여 음원의 체적속도를 정의해 주었다. 이 제안에 따르면 식 (12)를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

)

~ ( ˆ dS v A w n

v

_k _eq

S

≡

∫ ^r ⋅

(13)

(26)

여기서 v~_k는 음원의 특정 지점에서의 진동 속도이고, A_eq는 음원의 유효 면적을 나타낸다. 식 (13)을 이용하여 식 (8)의 구조-음향 전달 함수를 나타내면 다음과 같다.

)

~ (

~ )

( A w

v

H v

_eq

k i

pi

ω = −

(14)

여기서 v ~~_i v_k 는 음원에서 측정된 진동 속도에 대한 전달 경로에서 의 진동 속도의 비(ratio) 이므로 다음과 같이 속도 비 함수 Hik^v(ω) 를 정의하여 표현할 수 있다.

) ( ) ( )

( H A w

H_i ω = − _ik^v ω _eq (15)

따라서 음원의 유효 면적 A_eq는 가진 해머와 같은 기계적 가진을 통 하여 측정한 Hi(ω)와 음향 가진을 통하여 측정한 속도 비 함수

(ω)

v

Hik 를 이용하여 구할 수 있다.

(27)

2.6 음향전달함수에 의한 FFU의 판넬기여도해석

구조물을 구성하는 각 판넬의 진동에 의한 음장의 응답특성을 안 다면 구조물에 의해 발생하는 소음은 다음의 식으로 나타낼 수 있 다.

i

i i i

i

Total

q

Q P p

P = ∑ ∑ = ⁽ ⁾ ⋅

(16)

여기서

P

_Total은 각 패치에서 측정한 음향전달함수와 진동량으로 재

구성되어진 발생소음의 총합을 나타내며

P

_i는 전체발생소음에 대한

i

번째 판넬의 소음기여도를 나타낸다.

Q i

p)

( 는

i

번째 판넬의 음향전 달함수를 의미하고,

q

_i는

i

번째 판넬의 체적속도를 나타낸다.

(28)

3. 실험

3.1 FFU의 Sub Panel 부분구조 분할

클린룸에 설치되는 FFU 모듈을 Fig.3에 나타냈다. FFU의 판넬기여도 해석을 위하여 대상 FFU를 9개의 서브판넬로 분할하였으며, 각 서 브판넬은 관심영역 주파수대역을 고려하여 구조물의 진동상태를 충 분히 표현할 수 있도록 주의를 기울여 패치를 세밀하게 나누어야 한다.

Fig . 3 Fan Filter Unit Module System

(29)

3.2 실험장치 구성

실험에 사용된 장비구성을 Fig.4에 나타냈다. 마이크로폰은 PCB社의 1/4 inch Array Microphone을 이용했으며 , 가속도계는 B&K社의3-axis 4506가속도계와 Front-End로는 B&K社의 Portable Data Acquisition Unit 2827을 사용했으며 FFT Analyzer는 B&K社의 3560C Multi-analyzer를 이용했다.

Fig . 4 Test SetUp

(30)

3.3 관심영역의 결정

FFU가 동작할 때 발생하는 구조기인소음을 측정하기 위하여 작동구 간의 rpm(840-1140rpm)에 따른 Order-Tracking Test를 수행하였다. 동 작 중에 FFU의 필터면에서 지면방향으로 40cm의 위치에 마이크로 폰을 설치하여 발생하는 소음레벨을 측정하였다.

Fig. 5 Order-Tracking Test Result (840-1140rpm)

시험대상 FFU의 실제작동구간인 840-1140rpm구간에서의 소음측정결 과를 Fig.5에 나타냈다. 시험결과 전주파수 영역에서 고르게 소음이

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발생하지만 , 특별히 400Hz대역에서의 소음발생량이 다른 대역보다 현저하므로 이 영역을 관심영역으로 선정하여 서브판넬의 패치면적 을 결정하는 기준을 마련하였다. 그러나 본 연구에서는 홴필터유닛 이 작동할 때의 실제 소음원인 BLDC모터를 제거한 상태에서 BLDC 모터가 장착된 위치에 라우드 스피커를 설치하고 라우드 스피커 작 동 중에 발생하는 구조 기인 소음을 연구 대상으로 하였으며 실음 원을 사용할 때의 판넬기여도 분석방법의 적용은 향후과제로 남겨 두었다.

3.3.1 음향전달함수의 측정

FFU에 대하여 판넬기여도해석에 의한 주파수 응답함수를 총 134개 의 패치에 대하여 구하였다. 9개의 서브판넬로 분할한 FFU의 각 서 브판넬에 대하여 라우드스피커를 가진원으로 사용하였으며 가진신 호는 랜덤신호를 사용하여 각 패치의 중앙에 마이크로폰을 최대한 근접시켜 측정하였으며, 각 판넬의 체적속도측정에는 음향전달함수 의 측정에서와 같은 방법으로 가진원으로 라우드스피커를 사용하여 총 134개의 패치에 대하여 진동량을 측정하였다.

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3.3.2 발생소음의 재구성

측정한 음향전달함수와 실제면적, Patch의 진동량과 면적을 이용하 여 발생소음을 재구성 하였다.

Fig .6 Comparison of Measured Noise and Synthesis Noise Using Actual Area

발생소음을 라우드스피커의 실제면적을 이용한 체적속도로 재구 성한 결과를 Fig.6에 나타냈다. 비교 결과 실제 측정한 음압과 대체 적으로 잘 일치 하지 않음을 볼 수 있다. 이것은 라우드스피커의 음 향방사특성이 전 주파수 영역에 대하여 일정하지 않음을 단적으로 나타내주는 결과이다.

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3.3.3 체적속도 및 유효면적

앞절에 나타난 바와 같이 라우드스피커의 체적속도를 정의하는데 있어서 주파수에 관계없이 일정한 값으로 그 값을 정의해 주면 실 제 발생소음을 재구성하는데는 무리가 따른다. 그렇기에 주파수에 따라 라우드스피커의 체적속도를 정의해 주어야 하며, 여기에 고강 호가 제안한 유효면적을 이용하여 라우드스피커의 체적속도를 다시 정의해 주어야 하는데, 판넬기여도 해석에 사용할 라우드스피커의 유효 면적을 구하기 위하여 식 (8)에 나타나 있는 구조-음향 전달함 수

H

i

( ω )

와 속도 비 함수

H

ik^v

(ω )

를 각각 측정하였다.

Fig.7 Noise Transfer Function and Velocity Ratio Function

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Fig . 8 The Aeq and Actual Area of the Loudspeaker

Fig .9 Comparison of Measured Noise and Synthesis Noise Using Aeq Area

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Fig.7에 구조-음향전달함수와 속도비함수를 나타냈다. 속도비함수는 FFU 밑면에서 라우드스피커를 이용하여 FFU를 가진할 때 Speaker Unit의 가속도와 FFU의 측면의 수직 방향의 가속도를 측정하여 구 하였으며 구조-음향 전달함수는 임팩트 해머를 이용하여 FFU를 수 직 방향으로 가진할 때 필터 밑면에서 A-Weighting한 음압을 측정하 여 구하였다. 두 함수를 이용하여 Fig.8과 같이 라우드스피커의 유효 면적을 구하였다. Fig.9에 나타나 있는 것과 같이 두 스펙트럼이 일 치가 되도록 하는 값이 유효 면적이 되는데, 가진원으로 사용된 라 우드스피커의 유효 면적이 주파수가 증가함에 따라 그 크기가 감소 하고 있음을 볼 수 있다. 이것은 일반적으로 라우드스피커의 방사 효율이 주파수가 증가함에 따라 낮아지기 때문이다.

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Fig.10 Comparison of Measured Noise and Synthesis Noise Using Aeq Area

Fig.10은 음원의 체적속도를 정의하느데 구조-음향 전달함수와 속도 비 함수를 이용해 구한 유효면적을 적용하여 재구성한 소음레벨과 실제측정소음을 나타내고 있다. 각 서브판넬에서 부분소음으로 재구 성한 전체소음의 합 소음곡선은 대체적으로 실제소음을 재구성하고 있음을 볼 수 있지만 고주파수 영역으로 갈수록 실제 측정소음과 다소간의 차이가 나타남을 볼 수 있는데, 이는 임팩트해머시험시 가 진력에 의한 타격음의 영향으로 생각된다.

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4. 실험결과

음향전달함수와 체적속도를 이용하여 재구성한 음압분포에 의하여 각 서브판넬의 전체소음에 대한 기여도와 관심영역의 주파수 성분 에 대한 각 서브판넬 중 1번 서브판넬의 전체소음에 대한 기여도를 Fig.11에 , 2번 서브판넬의 기여도를 Fig.12에 , 3번 서브판넬의 기여도 를 Fig.13에 , 4번 서브판넬의 기여도는 Fig.14에 나타내었으며, 5번 서 브판넬의 기여도와 6번 서브판넬의 기여도를 Fig.15와 Fig.16에 나타 내었고, 7번 서브판넬의 기여도를 Fig.17에 , 8번 서브판넬의 기여도를 Fig.18, 9번 서브판넬의 기여도를 Fig.19에 각각 나타내었다 . 실험결 과 1번 서브판넬과 9번 서브판넬이 전체소음레벨에 대한 기여도가 가장 현저한 것을 볼 수 있다.

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Fig.11 Measured Noise, Sysnthesis Noise and Contribution of Sub Panel 1

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5. 결론 및 향후과제

실험 대상 FFU에 대하여 판넬 기여도 해석법을 적용하여 재구성한 소음레벨과 실제 소음레벨을 비교하여 각 서브판넬에서 발생한 소 음레벨이 전체소음레벨에 대한 기여도 해석을 수행한 결과, 결론은 다음과 같다.

(1) 판넬 기여도 해석 방법을 이용하여 구조소음에 가장 기여도 가 큰 서브판넬을 쉽게 확인할 수 있었다.

(2) 가진원으로서 음원을 이용할 경우에 대하여 음원의 체적속 도를 정의하는데 음원의 고유방사특성인 유효면적을 이용하 였는데 유효면적법이 유효한 것으로 입증되었다.

(3) 실음원인 BLDC모터가 작동할 때의 방사소음을 판넬기여도 법을 이용하여 분석할 필요가 있으며 이를 위하여 패치사이 즈가 충분히 클 때에도 판넬기여도 분석법이 유효한 지에 대하여 검증해야 한다.

(4) 판넬 기여도 분석 후 기여도가 큰 판넬에 대하여 강성보강 한 후 전체소음레벨측정과 기여도 분석실험을 반복할 필요 가 있다.

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참고문헌

(1) 이 두호, 김 태정, 1999, “판넬기여도 분석에 의한 승용차의 실내소음 저감”, 한국소음진동공학회지, 제 9권 제 4호 ,

pp.785~794.

(2) Lawrence E. Kinsler, Austin R. Frey, Alan B. Coppens, JamesV.

Sanders, “Fundamentals of Acoustics”, pp.165~168.

(3) 고 강호, 1999, “진동-음향 상반원리에 이용되는 음원의 유효 면적 측정”, 한국소음진동공학회지 , 제9권 제5호 , pp.943~948.

(4) P.J.G. van der Linden, J.K. Fun, “Using Mechanical-Acoustic Reciprocity for Diagnosis of Structure Borne Sound in Vehicle ”,

SAE Paper No.931340

(5) Frank Fahy, “Sound and Structural Vibration”, pp.232~234

(6) Wim Hendrix, Y.B.choi, S.W.Ha, H.K.Lee, “Experinmental Body Panel Contribution Analysis for Road Induced Interior Noise of a Passenger Car”, SAE Paper No.971913

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Abstract

An Experimental Study on the Reduction of the Noise Radiated by a Fan Filter Unit

By Kim, Jung Sub

The Graduate School of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul,Korea

Fan filter units are used to form the ceiling of the clean rooms required in the semi-conductor manufacturing industry or precise-machine industry. In this work, a panel contribution method is used to identify the noise contribution of each sub-panel of a fan filter unit to the total radiated noise. By using the panel contribution method, problematic sub-panels of the structures of the fan filter unit can be re-designed or reinforced. For this, the panel contribution method is validated by comparing the total radiated noise level and the summed radiated noises from each sub-panel.In this work, the structural- acoustical reciprocity is used to measure the transfer functions, and a loudspeaker is used as a exciter. In this procedure, the concept of effective area of the loudspeaker is used, and its validity is verified.

홴필터유닛의 소음레벨저감을 위한 실험적 연구

碩 士 學 位 論 文