ABSTRACT
PURPOSES : The purpose of this study is to eliminate the noise of the vehicle after measuring the friction noise obtained from the NCPX (Noble Close ProXimity) method. The pure friction noise between the tire and road pavement could be determined from filtering the compositeness of sound and the influence of the vehicle noise.
METHODS : The noise magnitude could be determined by analyzing the sound pressure level (SPL) and sound power level (PWL) along with the noise frequency of a FFT (Fast Fourier Transform) analysis as well as CPB (Constant Percentage Bandwidth) analysis.
RESULTS : When the test for measuring the friction noise originated somewhere between tire and road pavement is performed with NCPX method, it must be fulfilled by attaching the surface microphone near the tire. In this condition, the surface microphone can measure the friction noise occurred at between tire and pavement, the chassis noise from the engine and power transfer units, the fluctuating aerodynamic noise, and the turbulence noise directly affected to the surface microphone. By using the NCPX method, the noise occurred at the vehicle must be eliminated for measuring the friction noise between tire and pavement from the traffic noise.
CONCLUSIONS : The vehicle's testing engine noise depends on the vehicle and road types. The effect of vehicle's engine noise is less than the friction noise occurred at between tire and pavement at less than 1% effect.
Keywords
FFT (Fast Fourier Transform) analysis, CPB (Constant Percentage Bandwidth) analysis, NCPX (Noble Close ProXimity) method, PWL (sound PoWer Level), SPL (Sound Pressure Level), correlation analysis, regression analysis, Two-Way ANOVA (ANalysis Of VAriance)
NCPX 계측방법을 이용한 타이어/노면 사이에서 발생하는 마찰소음에 대한 차량자체에서 발생하는 소음 제거 연구
A Study of Eliminating the Vehicle Noise of Engine RPM from the Friction Noise between Tire and Road Pavement by Using a NCPX Method
한`봉`구 Han, Bong-Koo 정회원·서울과학기술대학교 건설시스템디자인공학부 교수 (E-mail: [email protected]) 김`도`완 Kim, Do wan 정회원·서울과학기술대학교 건설시스템디자인공학과 석사과정 (E-mail: [email protected])
문`성`호 Mun, Sungho 정회원·서울과학기술대학교 건설시스템디자인공학부 조교수·교신저자 (E-mail: [email protected]) 김`하`연 Kim, Ha-Yeon 서울과학기술대학교 건설시스템디자인공학과 학사과정 (E-mail: [email protected])
1. 서론
주행 중인 차량에 의해 발생하는 도로교통소음을 측 정하는 방법 중 차량이 도로의 인접위치에 설치된 소음
계측 지점을 통과하는 시점에서 최대 A-가중치 등가소 음도를 주행속도와 함께 측정하는 Pass by계측방법과 타이어 인접위치에 표면마이크로폰을 설치하여 타이어
Corresponding Author : Mun, Sungho, Assistant Professor
Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul, 139-743, Korea Tel : +82.2.970.9014
E-mail : [email protected]
International Journal of Highway Engineering http://www. ijhe.or.kr/
ISSN 1738-7159 (Print) ISSN 2287-3678 (Online)
Int. J. Highw. Eng. Vol. 15 No. 4 : 31-42 August 2013 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2013.15.4.031
와 노면사이에서 발생하는 마찰에 의한 소음을 측정하 는 NCPX(Noble Close ProXimity)계측방법이 존재 한다. 이 중 Pass by계측방법은 측정당시 도로교통소 음뿐만 아니라 현장외부의 환경적 소음을 함께 측정하 기 때문에 외부소음을 사전에 방지하기 위한 노력이 필 요하다. 또한 소음계측지점에서 주변의 음향에 대한 반 사 또는 회절을 발생시키는 구조물이 존재하지 않는 소 음계측지점을 지정하여야 한다. 결국 Pass by계측방법 은 사전 주의에 의해 외부적인 음향 영향을 제어할 수 있다.
NCPX계측방법은 주행하는 차량의 타이어와 노면사 이 접지면의 근접장에서 음향을 측정하므로 전달감쇠의 영향을 거의 받지 않는다. 이 때문에 노면과 타이어 사 이의 마찰에 의해 발생하는 소음도를 비교적 정확하게 계측하는 것이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 NCPX계측방법은 주행 중인 차량 자체에서 발생하는 엔진소음, 풍절음, 배기소음 등의 음 향을 평가하고 제거하기 어렵다는 단점이 있다. 또한 주 행 중인 차량 자체에서 발생하는 소음은 사전에 제거하 는 것이 매우 곤란하다.
차량자체에서 발생하는 소음은 엔진에 의한 소음, 구 동축 또는 등속조인트의 진동에 의한 소음, 풍절에 의한 소음 등이 존재한다. 이중 엔진에 의한 소음은 다른 소 음에 비하여 변화 추세가 매우 민감하며 이는 RPM의 크기에 영향을 받는다.
이와 관련하여 본 연구의 목적은 NCPX계측방법을 이용하여 도로교통소음을 측정하는 경우 차량자체에서 발생하는 음향이 RPM의 크기와 어떠한 관계가 있는지 를 판단하는 것이다. 또한 NCPX계측방법을 이용하여 타이어/도로포장노면 사이에서 발생하는 마찰음을 측정 하고 차량자체에서 발생할 수 있는 음향을 판단한 후, NCPX계측방법을 이용하여 측정한 도로교통소음에서 차량 자체에서 발생하는 소음을 제거하고자 한다.
RPM의 크기가 전체 음향에 어떠한 영향을 미치는 지를 판단하기 위하여 NCPX계측방법을 이용하여 도 로교통소음을 측정하는 당시 RPM을 함께 측정하였으 며, RPM의 크기에 따라 달라지는 음향의 차이를 규명 하기 위해 FFT(Fast Fourier Transform)분석 및 CPB(Constant Percentage Bandwidth)분석을 활 용하여 각 주파수별 음향파워레벨을 제어하였다.
2. NCPX 계측방법
NCPX계측방법은 ISO/CD 11819-2에서 규정하고 있는 차량에 견인되는 트레일러에 마이크로폰을 설치 한 후 차량의 주행속도에 따른 타이어/도로포장노면사 이에서 발생하는 A-가중치 등가소음도를 계측하는 방 법이다. 이 방법은 타이어와 도로포장노면의 접지면에 서 근접한 위치에 표면마이크로폰을 부착하여 음향을 측정하기 때문에 음향의 전달에 대한 감쇠효과를 거의 받지 않는다. 이러한 이유로 타이어와 노면에서 발생 하는 마찰음을 정밀하게 측정할 수 있다는 장점을 가 지고 있는 반면, 차량이 주행 중에 바람의 회절이나 난 류에 의해 마이크로폰이 이를 함께 측정하거나 엔진에 의한 소음을 함께 측정할 가능성이 있다는 단점을 가 지고 있다.
NCPX계측방법으로 주행하는 차량의 소음도를 측정 하는 경우 표면마이크로폰에서 펄스로 음향을 인식할 수 있는 요소는 크게 타이어/노면사이에서 발생하는 마 찰에 의한 소음, 바람의 회절 및 난류로 인한 소음, 차량 자체에서 발생할 수 있는 소음으로 나눌 수 있다. 따라 서 본 연구에서 순수한 마찰에 의한 음향을 파악하기 위 해서는 바람에 의한 소음 및 차량 자체에서 발생할 수 있는 소음을 제거해야 한다. 먼저 바람에 의한 영향을 제거하기 위하여 유속이 강한 항공기, 차량의 외부 소음 을 계측하려는 목적으로 생산된 B&K 4949 표면마이크 로폰을 사용하였다. 이 표면마이크로폰의 바람에 대한 연구는 기존 연구(Mun et al., Cho and Mun, 2008a, 2008b, 2008c; Mun and Cho, 2009)에서 평 가하였으며 500Hz 이상의 주파수 영역에서는 바람이 존재하는 경우에도 영향을 거의 받지 않는 높은 신뢰도 를 보였으며, 500Hz 미만에서는 바람의 영향을 어느 정도 받는 것으로 평가하였다. 다음 Fig. 1은 사용 마이 크로폰의 제작사에서 제공한 B&K 4949 표면마이크로 폰에 대한 주파수 응답특성을 나타내며, Table 1은 표 면마이크로폰의 주요사항을 나타내었다.
Fig. 1 B&K 4949 the Surface Microphone
Frequency-Response Characteristic
따라서 이러한 바람의 회절 및 난류의 영향을 최소화 시키기 위하여 표면마이크로폰을 타이어에서 근접한 펜 더 패널(Fender Panel)에 주행방향으로 설치하도록 한 다. 주행방향으로 설치하는 이유는 주행방향의 반대쪽 펜더 패널에 설치하는 경우 타이어의 동적인 움직임에 의한 이물질의 영향을 받을 수 있기 때문에 이를 최소화 하기 위함이다. 다음 Fig. 2는 차량 전면 타이어 측 펜 더 패널에 표면마이크로폰 설치 전₩후의 모습이다.
3. 음향이론(Sound Wave Theory) 및 디지 털신호처리(Digital Signal Processing)
모든 음향은 매질에 의해 전파되어진다. 또한 음향은 각 주파수별로 다른 음압레벨을 갖으며 이를 공학적으 로 판단하기 위하여 데시벨(Decibel, dB)로 표현된다.
데시벨로 표현하기 위해서 음향의 전파를 목적에 따라 음향에너지밀도(SED, Sound Energy Density), 음의 세기레벨(SIL, Sound Intensity Level), 음압레벨 (SPL, Sound Pressure Level), 음향파워레벨(PWL, Sound PoWer Level) 등으로 분류하여 나타낸다.
표면마이크로폰을 타이어 인접 위치인 차량의 펜더 패 널에 부착하여 음향을 측정하는 경우 음향의 아날로그 신호는 펄스 장비에 의해서 주기와 진폭을 갖는 디지털 신호로 정량화되어 진다. 이러한 디지털신호는 분석자의 목적 및 기호에 따라 다양하게 분석되어질 수 있다. 그 중 음향의 주파수별 특성을 판단할 목적인 경우 이산푸 리에변환(DFT, Discrete Fourier Transform)분석, RH속푸리에변환(FFT, Fast Fourier Transform)분석,
CPB(Constant Percentage Bandwidth)분석 등을 수 행하는 방법이 있다.
본 연구의 목적은 차종과 RPM에 따른 차량자체 소음 특성 파악 및 엔진에 의한 차량자체 소음을 제거하는 것 이므로 주파수별 음향의 특성을 파악하기 위해 FFT분 석, CPB분석을 수행하였으며, 주파수 분석 수행 후 각 주파수에 따른 음향을 합성하기 위해 음향파워를 제거 하여 엔진소음에 대한 주파수별 음압레벨 및 총 음압레 벨을 도출하였다.
3.1. 음향이론
음향은 음원으로부터 밀도가 높고 압력이 상승되는 지점과 밀도가 낮고 압력이 낮은 지점이 존재하여 전파 되어진다. 이때 음향의 전파에 의해 압력이 변화하는 데 이를 음압이라고 한다. 전파되어지는 음향은 각기 다른 주기와 파장을 가지고 있기 때문에 이를 공학적으로 표 현하는 것이 가능하다. 음향파워는 단위시간동안 음원 으로부터 전파되어지는 에너지를 의미하며 이를 기준음 향파워로 나누어 데시벨화한 것을 음향파워레벨이라고 한다. 음향파워와 음향파워레벨(PWL)의 관계는 다음 Eq. (1)과 같다.
여기서 는 대상음향의 음향파워를 의미하며, 는 기준음향파워 를 의미한다.
음압레벨은 음향이 갖는 압력을 데시벨의 척도로 나 타낸 것이며, 해당 측정 시 음압 의 기본 단위는 파스 칼 이다. 음압레벨(SPL)과 음향파 워의 관계는 다음 Eq. (2)와 같다.
여 기 서 , 는 일 반 성 인 의 최 소 가 청 기 준 음
압 을 의미한다.
본 연구에서 측정되어지는 음향은 엔진에서 발생하는 음향과 타이어와 노면의 접지면에서 발생하는 음향의 두 가지 소음원으로부터 발생된다. 따라서 음향을 제거 하기 위해 두 음향에 대한 합성을 수행하였다. 옥타브 (Octave)₩주파수(Frequency)분석을 통하여 얻어진 각 주파수에 따른 음향파워를 다음 Eq. (3)과 같이 합성함
Table 1. B&K the Surface Microphone Main Performance
Dynamic range 30dB to 140dB Frequency range 5Hz to 20kHz
Diameter 20mm
Height 2.5mm
Weight 2.0g
Fig. 2 Installation of the Surface Microphone
(a) Before the Installation (b) After the Installation(1)
(2)
으로써 총 음압레벨 및 각 주파수에 따른 음향파워를 산 정하였다.
여기서, 는 주파수 영역대의 수이며, 는 총 음압 레벨을 의미한다. 과 는 각 주파수 영역대 의 노면과 타이어 사이에서 발생하는 마찰음의 음압레 벨과 엔진에 의한 음향의 음압레벨을 의미한다.
3.2. 디지털신호처리
측정되어진 음향은 디지털신호로 정량화되어 공학적 으로 분석이 가능하게 된다. 변환되어진 디지털신호를 이용하여 옥타브₩주파수분석을 수행하는 경우 주파수 필터(Frequency Filter)는 인간이 들을 수 있는 가청 주파수 범위인 20Hz~20kHz 까지 1/3옥타브밴드(1/3 Octave Band)를 사용하였다.
다음 Table 2는 분석에 사용된 해당 주파수에 대한 1/3옥타브밴드 범위를 나타내었다.
디지털신호에 대한 주파수별 처리를 수행하기 위해 FFT분석과 CPB분석을 활용하였다. 고속푸리에변환 분석의 경우 비주기 신호와 선형 시불변 시스템을 위한 이산푸리에변환 분석의 유한개 이산신호처리에서 반복 되는 함수의 연산을 빠르고 간단하게 해석하는 알고리 즘 분석방법이다.
CPB분석은 FFT분석과 같은 원리의 주파수 분석방법 이며 Table 2에 있는 중심주파수로부터 1/3옥타브밴드 내에 있는 A-가중치 음압레벨에 동등한 비율의 분포폭 에 각 주파수에 대한 음압레벨을 이산적으로 분석한다.
주파수별 음향제거 시 이러한 방식으로 중심주파수로 부터 1/3옥타브 범위에 동등한 비율을 적용하여 분석하 는 CPB방식보다 다양한 주파수 영역대에서 분석하는 FFT분석 방법을 활용하였으며 총 음압레벨 산정 시에 는 최대 주파수특성영역을 쉽게 파악 가능한 CPB분석 방법을 활용하였다.
4. RPM에 따른 엔진소음 4.1. RPM에 따른 엔진소음 측정
차량에서 발생하는 엔진소음의 경우 펜더 패널과 타 이어 사이의 공간 및 엔진으로부터 펜더 패널까지 거리 에 따라 달라질 가능성이 있다. 더욱이 엔진소음은 RPM의 크기에 따라 달라진다. 따라서 본 장에서 차종 에 따라 엔진소음이 어떠한 영향을 주는지 판단하고자 하며, 차량에 대해서 엔진소음이 RPM에 따라 어떠한 변화를 보이는지 판단하고자 한다. 이를 수행하기 위해 서 차종은 승용차와 SUV(Sport Utility Vehicle)로 나 누었으며, 차량에 따른 음향의 차이를 분석하기 위해 승 용차종의 현대 소나타(Sonata)와 삼성의 SM5를 선택 하였고 SUV차종은 현대의 베라크루즈로 선택하여 측 정하였다. 다음 Fig. 3은 해당 측정에 사용되어지는 3 (3)
Table 2. 1/3 Octave Band Frequency Range
Band number
Center frequency
(Hz) 1/3 octave band range
1 20 17.8~22.4
2 25 22.4~28.2
3 31.5 28.2~35.5
4 40 35.5~44.7
5 50 44.7~56.2
6 63 56.2~70.8
7 80 70.8~89.1
8 100 89.1~112
9 125 112~141
10 160 141~178
11 200 178~224
12 250 224~282
13 315 282~355
14 400 355~447
15 500 447~562
16 630 562~708
17 800 708~891
18 1,000 891~1,120
19 1,250 1,120~1,410
20 1,600 1,410~1,780
21 2,000 1,780~2,240
22 2,500 2,240~2,820
23 3,150 2,820~3,550
24 4,000 3,550~4,470
25 5,000 4,470~5,620
26 6,300 5,620~7,080
27 8,000 7,080~8,910
28 10,000 8,910~11,200
29 12,500 11,200~14,100
30 16,000 14,100~17,800
31 20,000 17,800~22,400
가지 차종에 대한 측정 당시 사진이다.
이 측정 당시 NCPX계측방법을 이용하여 차량에 따 른 엔진음향을 판단할 목적이었기 때문에 정차한 상태 에서 RPM을 변화시켜가며 측정을 실시하였다. 측정횟 수는 정확한 결과를 판단하기 위해 각 RPM에 따라 최 소 3회 이상 측정을 실시하였다.
4.2. 음향의 주파수(FFT/CPB)분석 및 총 음압레 벨 산정
측정 후 RPM의 변화에 따른 정차한 상태에서의 엔진
소음도에 대한 FFT분석 결과, 음압 스펙트럼은 다음 Fig. 4와 같이 판단되었다. 또한 기존 CPB분석에 의한 RPM에 따른 주파수별 음압레벨을 Fig. 5와 같이 도식 화하였다. 이 결과는 RPM에 따른 각 주파수별 음압레 벨을 산술평균화한 자료이다.
(a) General Car (Samsung SM5)
(b) General Car (Hyundai Sonata)
(c) SUV (Hyundai Veracruz)
Fig. 3 Type of Vehicle using NCPX Measuring Method (Car’ s Name)
(a) General Car (Sonata)
Fig. 4 FFT Analysis Result of RPM (Sound Pressure Spectrum Level)
(b) General Car (SM5)(c) SUV (Hyundai Veracruz)
CPB분석과 FFT분석은 주파수 영역대의 특성을 분석 하고 엔진에 의한 차량자체의 소음을 제거시킬 목적으 로 실시하였다. RPM에 따른 총 음압레벨의 차이를 규 명하기 위해 CPB분석 수행 후 Eq. (3)에서 음향의 합성
을 고려하지 않는 조건에서 순수한 RPM에 따른 차량자 체 음향에 대한 총 음압레벨을 산정하였다. 다음 Fig. 6 은 RPM에 따른 총 음압레벨을 나타낸다.
4.3. 결론
본 장에서 확인하고자 한 사항은 첫 번째로 NCPX계 측 방법을 사용하여 차량자체에서 발생하는 소음이 서 로 다른 차종(승용차종, SUV차종)인 경우 RPM에 따라 어떠한 관계가 있는지를 판단하는 것이며, 두 번째로 차 량에 따라 RPM이 달라지는 경우 RPM의 크기와 주파 수별 음압레벨의 관계를 파악하는 것이다.
먼저 RPM에 따라 총 음압레벨이 어떠한 변화를 보이 는지 판단해 본 결과, 소나타와 같은 일반 승용차종인 SM5의 경우 RPM에 따른 총 음압레벨의 크기가 매우 비슷했으나 SUV차종의 RPM에 따른 총 음압레벨의 크 기는 더 큰 것으로 나타났다. 측정 당시 측정 RPM을 다소 다르게 선택하였기 때문에 각 RPM크기에 따른 차 이 를 규 명 하 기 위 해 본 연 구 에 서 는 회 귀 분 석 (Regression Analysis)을 사용하였으며, 각 차량에 대 한 RPM에 따른 총 음압레벨의 변화정도를 판단하였다.
총 음압레벨은 RPM의 크기 변화에 따라 모든 차량에 대해서 선형적으로 나타났기 때문에 이에 대하여 선형 회귀방정식을 적용하였다. 그 결과 다음 Fig. 7 및 Table 3과 같은 회귀방정식을 얻게 되었다.
산정되어진 회귀방정식을 이용한 RPM에 따른 총 음 압레벨의 변화가 실제 총 음압레벨의 변화와 일치하는 정도를 파악하기 위하여 상관관계분석을 수행하였다.
RPM의 변화에 따른 회귀방정식과 총 음압레벨의 변화 가 선형관계를 따르기 때문에 Pearson의 단순상관계수 ( , Simple Correlation Coefficient)를 구하였으며 베라크루즈의 경우 0.996, SM5는 0.991, 소나타는 0.977로 나타났다. 결국 총 음압레벨의 변화에 대한 선 형회귀방정식의 총 음압레벨의 변화하는 일치정도는 베
(a) General Car (Sonata)
Fig. 5 CPB Analysis Result of RPM (Sound Pressure Related to the Frequency)
(b) General Car (SM5)
(c) SUV (Hyundai Veracruz)
Fig. 6 Overall Sound Pressure Level by RPM
라크루즈의 경우 99.6%, SM5는 99.1%, 소나타는 97.7%라는 결론을 얻었다. 이러한 선형회귀방정식을 이용하여 RPM에 따른 세 종류의 차량에 대한 총 음압 레벨을 산정하였다.
NCPX계측 방법을 이용하여 순수한 포장노면과 타이 어의 마찰에 의한 소음을 도출하기 위해 엔진에 의한 차 량자체의 소음을 제거할 경우 차종 및 차량에 따른 엔진 소음의 총 음압레벨이 차이가 있는가에 대한 판단여부 가 필요하다. 이를 판단하기 위해 이원배치 분산분석 (Two-Way ANOVA, Two-Way ANalysis Of VAriance)수행하였다. 이원배치 분산분석을 수행하여 과연 차량에 따라 음향파워를 다르게 판단할지, RPM에 따라 음압레벨을 다르게 판단할지를 결정하였다. 이원 배치 분산분석을 수행하는 과정에서 RPM에 따라 엔진 소음이 차이가 없다는 가설과 차종에 따라 엔진소음의 차이가 없다는 가설을 두었다.
이원배치 분산분석은 F-분포를 따르며, 해당 분석의 귀무가설(Null Hypothesis)에 대한 F-통계량의 관측 값 f의 p-value는 다음과 같이 정의된다.
즉, p-value는 본 장의 이원배치 분산분석의 가설이 참인 경우 표본으로부터 계산된 통계량을 포함하고 더 극단적인 값을 얻게 될 확률을 의미한다. 이를 수행하기
위하여 통계프로그램인 SPSS를 사용하였으며 5%의 유 의수준에서 분석하였다. 그 결과, RPM의 크기와 총 음 압레벨의 관계에 대한 p-value는 2.04×10-38이며, 차 량의 종류와 총 음압레벨의 관계에 대한 p-value는 3.75×10-35로 판단하였다. 결국 RPM에 따라 엔진소음 이 차이가 없다는 가설과 차종에 따라 엔진소음크기의 차이가 없다는 가설 모두 기각되었기 때문에 RPM에 따 라 엔진소음은 달라진다고 할 수 있으며, 차량에 따라 다르기 때문에 같은 승용차의 종류라고 할지라도 차량 이 다르면 다른 차량의 음향데이터를 활용할 수 없음을 의미한다. 사실 본 연구에서 수행한 Fig. 7의 차량에 따 른 RPM에 대한 음향레벨을 보면 승용차의 경우 매우 비슷한 변화 추세를 보여 승용차에 대한 음압레벨자료 를 활용해도 될 것으로 판단되지만 그 가정은 무효하다.
Fig. 4와 Fig. 5의 CPB분석 및 FFT분석을 확인한 결과, 저주파수 영역대에서는 RPM에 따른 음압레벨의 영향이 불규칙적이지만 고주파수 영역대에서는 RPM이 클수록 음압레벨이 크다는 결론을 내릴 수 있다.
따라서 본 연구에서 수행하고자 하는 NCPX계측방법 을 이용한 도로교통소음에서 엔진에 의한 차량자체의 소음을 제거하고자 할 때, 해당 측정 차량에 대한 각 RPM에 맞는 주파수 영역대의 음향파워를 제거하여야 한다는 결론을 내렸다.
5. 도로교통소음 측정
NCPX계측방법으로 도로교통소음 측정 시 엔진에 의 한 차량자체 소음을 추후에 제거할 목적으로 RPM을 함 께 측정하였다. 또한 엔진소음을 정확하게 제거하기 위 해 가속이나 발진을 하지 않고 RPM과 속도를 일정하게 유지하였다. 측정에 따른 포장구간의 상태는 일반아스 팔트포장구간, 콘크리트포장구간, 저소음포장구간의 3 구간으로 분류하였다. 측정 시 조건에 따른 분류를 다음 Table 4에 명시하였다.
Fig. 7 Regression Equation of Overall Sound Pressure Level by RPM
Table 3. Linear Regression Equation of Overall Sound Pressure Level by RPM
Cars Linear regression equation Veracruz L`=`0.0058`RPM`+``46.758
Sonata L``=`0.0068`RPM``+``67.959 SM5 L``=`0.0079`RPM``+``66.067
(4)
Table 4. Measurement Condition and Environment of Field Measurement
Vehicle Kind of
pavement Velocity Number of measurement
Sonata General Asphalt
60 3
70 3
80 3
90 3
100 3
<Table Continued>
NCPX계측 방법을 이용하여 도로교통소음을 측정한 후 도로교통소음에서 각 조건에 맞는 엔진에 의한 차량 자체의 소음을 제거하기 위해 주파수별 음향파워 및 음 압레벨을 산정할 필요가 있다. 이를 수행하기 위해 FFT 분석을 수행하였으며 각 조건에 따른 FFT분석 결과는 다음 Fig. 8과 같다. Fig. 8의 결과는 속도에 따라 주파 수별 음압레벨을 산술평균화한 음향 스펙트럼이다.
Veracruz
Concrete
60 3
70 3
80 3
90 3
100 3
General Asphalt
60 2
70 2
80 3
90 4
100 4
SM5
Low noise Asphalt
40 10(section5) 50 4(section4) General
Asphalt
40 1
50 2
(c) Veracruz(General Asphalt)
(d) Veracruz (Concrete)
(e) SM5 (40km/hr, Low Noise Asphalt)
(f) SM5 (50km/hr, Low Noise Asphalt) (a) Sonata (General Asphalt)
(b) Sonata (Concrete)
Fig. 8은 NCPX계측방법에 의한 도로교통소음에서 엔진에 의한 차량자체의 음향을 제거하기 위해 실시하 였으며, 엔진에 의한 차량자체 소음이 도로교통소음에 어느 정도 영향을 미치는지 판단하기 위해 측정조건에 대한 총 음압레벨을 산정하였다. 그 결과는 다음 Fig. 9 와 같다.
분석결과 속도에 따라서 음압레벨이 달라지며, 포장 구간에 따라서도 총 음압레벨의 크기는 상이하였다.
6. NCPX계측방법을 이용한 도로교통소음의 차량자체 소음 제거
6.1. 엔진에 의한 차량자체 음향 제거
본 연구에서 수행한 FFT분석, CPB분석, A-가중치 등가소음도 및 총 음압레벨산정 과정을 통하여 엔진에 의한 차량자체소음을 제거하는 경우 분류사항은 차량의 종류, RPM의 크기, 포장구간, 차량의 주행속도, 주파 수의 조건이 존재한다. 따라서 NCPX계측방법을 이용 한 교통소음에서 엔진에 의한 차량자체의 소음을 제거 하려면 모든 조건에 맞는 음향을 제어하여야 한다.
이를 수행하기 위해 각 조건에 해당하는 도로교통소 음과 RPM에 따른 차량자체 소음에 대한 주파수별 음압 레벨을 산정하였으며, 두 음향을 합성하기 위하여 음압 레벨을 음향파워로 변환한 후, 도로교통소음에서 차량 자체소음을 제거하여 노면/타이어사이에서 발생하는 순 수한 마찰소음을 산정하였다. 다음 Table 5는 차량자체 소음 제거에 대한 연구 순서도이다.
(g) SM5 (General Asphalt)
Fig. 8 FFT Analysis Result of Road Traffic Noise (Sound Spectrum)
(a) Sonata, Veracruz (Velocity)
Fig. 9 Calculation of the Total Sound Pressure Level Measured according to the Method NCPX
(b) SM5 (Pavement section)
Table 5. Flow Chart of Vehicle Itself Noise Elimination by the Engine
Computation of the sound pressure level for each frequency of road traffic noise by using the FFT analysis
Computation of the sound pressure level for each frequency of vehicle noise depending on RPM by using the FFT analysis
Convert the sound pressure level depending on the frequency to the sound power
Delete the sound power of each frequency
Convert the sound power depending on the frequency to the sound pressure level
Analyze the effect of the vehicle by the engine noise itself
Calculation of the total sound pressure level
Table 5의 과정을 통해 Fig. 10과 같이 주파수에 따 라 도로교통소음에서 차량자체의 음향을 제거하였다.
FFT분석에 의한 주파수별 음압레벨을 이용하여 차 량자체의 소음제거를 시도하였으며 기존의 타이어/노 면 사이에서 발생하는 마찰음에 대해서 차량자체소음 을 제거한 마찰소음의 영향을 분석하기 위하여 각 조건
(a) Sonata (Asphalt)
(b) Veracruz (Asphalt)
(c) Veracruz (Concrete)
(d) SM5 (General Road)
(e) SM5 (Low Noise Pavement Section, 40km/hr)
(f) SM5 (Low Noise Pavement Section, 50km/hr)
Fig. 10 Frequency Sound Pressure Level after
Vehicle Itself Noise Elimination (Fast Fourier Transform)
Fig. 11 Comparison of Sound Pressure Level before
and after Acoustic Control
에 맞는 총 음압레벨을 산출하였다. 앞의 Fig. 11을 통 해 총 음압레벨의 차량자체 음향제거 전과 후를 나타내 었다.
6.2. 엔진에 의한 차량자체 소음의 영향
NCPX계측방법으로 도로교통소음을 측정하는 경우 차량의 주행속도에 따라 차량자체 소음의 영향을 파악 하기 위해 기존 도로교통소음의 총 음압레벨과 타이어/
노면사이에서 발생하는 마찰음의 차이를 산출하였다.
이러한 차이는 차량자체의 음향제거 전과 후의 차이이 기도하며 엔진에 의한 차량자체의 소음이 NCPX계측방 법을 사용하여 측정한 도로교통소음에 주는 영향으로 판단되어질 수 있다.
음향제거 전과 후의 속도별 차이는 Fig. 12와 같이 같 은 차량으로 측정한 경우 차량의 주행속도가 느릴수록 큰 경향을 보였다. 또한 같은 베라크루즈 차량으로 측정 하여도 콘크리트포장 구간보다 아스팔트포장 구간에서 영향력이 컸으며, SM5의 경우에도 일반포장 구간보다 저소음포장 구간에서 더 많이 영향을 받는 것으로 나타 났다. 차량의 경우 같은 아스팔트 구간에서 측정하였을 때, 승용차종인 소나타차량보다 베라크루즈 차량에서 더 큰 영향력을 보였다.
NCPX계측방법에 의하여 측정한 도로교통소음에서 엔진에 의한 차량자체의 소음을 제거하여 도로포장노면 과 타이어사이의 접지면에서 발생하는 마찰소음을 구한 결과가 기존 NCPX계측에 의한 도로교통소음에 미치는 영향을 파악한 결과는 다음 Table 6과 같다.
7. 결론
본 연구의 목적은 NCPX계측방법으로 도로교통소음을 측정하는 경우 측정되어지는 음향이 타이어/노면사이의 마찰에 의한 소음뿐만 아니라 엔진에 의한 차량자체의 소 음까지 측정되어지기 때문에 측정되어진 전체 음향에서 차량자체의 음향을 제거하는 것이었다. FFT분석방법을 이용하여 측정되어진 음향에서 차량자체음향을 제거한 결과 속도가 높을수록 마찰이 커지기 때문에 마찰음이 지 배적이며, 콘크리트포장노면과 같이 타이어와 마찰이 큰 경우일수록 차량자체 소음의 영향이 적었다. 또한 차량의 무게가 더 많이 나가는 SUV차량이 일반승용차량의 경우 보다 마찰음의 영향을 더 많이 받았으며 같은 차종의 일 반승용차라고 할지라도 차량이 다른 경우 엔진에 의한 차 량자체의 소음영향은 다르다는 결론을 내렸다.
그러나 Table 6과 같이 차량자체의 소음은 타이어/노 면사이에서 발생하는 마찰음에 비해 1% 이하의 영향으 로 매우 적음을 알 수 있었다.
감사의 글
이 연구는 서울과학기술대학교 교내 학술연구비 (일부)지 원으로 수행되었습니다.
References
Chul-Hwan, Kim, Tae-sun, Chang, Ki-Jung, Lee, Hee-Man, Kang.
Fig. 12 Relation of Overall Sound Pressure Level Distinction and Running Speed
Table 6. Influence of Vehicle Itself Noise about Fricative Between Tire/Road
Condition Vehicle
speed (km/hr)
Sonata (Asphalt)
Veracruz (Asphalt)
Veracruz (Concrete)
60 0.033% 0.106% 0.085%
70 0.012% 0.033% 0.028%
80 0.007% 0.033% 0.022%
90 0.005% 0.015% 0.006%
100 0.006% 0.011% 0.008%
(a) Sonata, Veracruz
Condition Vehicle speed(km/hr)
Low noise Pavement
General section Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 40 0.131% 0.104% 0.087% 0.094% 0.077% 0.080%
50 0.056% 0.072% 0.051% 0.073% 0.065% 0.042%
(b) SM5
(2007) “A Study on Comparison of Highway Traffic Noise Prediction Models using in Korea”. Proceedings of 2007 Korean Society for Noise and Vibration Engineering. pp. 1-4.
Ju-Young, Lee, Sang-Kwon, Lee, Yoon-Kyeong, Jo, Jong-Youn, Kim. (2006) “Identification of the Interior Noise Generated by SUV Axle and Modification of the Structural on Axle System for Noise Reduction”. Journal of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 16, No. 6. pp. 582-592.
Mun, S., and Cho, D-S and Choi T-M. (2007) “Influence of pavement surface noise : Korea Highway Corporation test road”. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 34. pp.
809-816.
Mun, S., and Cho, D-S. (2008) “Development of a highway traffic noise prediction model that considers various road surface types ”. Applied Acoustics, Vol. 69. pp. 1120-1128.
Mun, S., and Cho, D-S. (2008) “Determination of the sound power levels emitted by various vehicles using a novel testing method”.Applied Acoustics, Vol. 69. pp. 185-195.
Mun, S., and Cho, D-S. (2009) “Noise measuring technique and field evaluation based on the effects of vehicles and pavement types”. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 36. pp.
1816-1824.
Sungho, Mun, Kwang-ho, Lee, Dae-Seung, Cho, (2011) “Software Developmet of the Traffic Noise Prediction Based on the Frictional Interaction between Pavement Surface and Tire”.
Journal of the Korean Society of Road Engineers, Vol. 13, No.
2. pp. 67-75.
Sangyum, Lee, Junghoon, Jin, Sungho, Mun, Hak-Ryong, Moon.
(2012) “Study on the Noise Characteristics of Bridge Deck Pavements in Seoul Inner Ring Road ”. Journal of the Korean Society of Road Engineers, Vol. 14, No. 2. pp. 19-28.
Sangyum, Lee, In-Tae, Kim, Sungho, Mun, Sooahn, Kwon. (2012)
“Study on the Functional Evaluation of Permeable Asphalt Concrete Pavement in Seoul City”. Journal of the Korean Society of Road Engineers, Vol. 14, No. 3. pp. 33-39.
Yunseon, Ryu, Yoon-Seok, Kim. (2012) “Exterior Contribution Analysis of Intake Noise in Pass-by Measurement ”, Proceedings of 2012 Korean Society for Noise and Vibration Engineering. pp. 296-297.
( 접수일 : 2013. 4. 18 / 심사일 : 2013. 4. 18 / 심사완료일 : 2013. 5. 8 )
