실내 음장의 음향 특성을 고려한 승용 차량의 소음 저감 설계 방안
Copyright Ⓒ 2021 KSAE / 184-08
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A part of this paper was presented at the KSAE 2019 Fall Conference and Exhibition
Abstract
The acoustic cavity in a vehicle’s interior cabin is an important noise transfer path. Therefore, the acoustic modes and transfer functions of a cavity should be considered in reducing interior noise in the early design stages of a vehicle. This paper describes an efficient methodology that can manage the acoustic transfer functions for each boundary surface of the vehicle’s interior cavity. This method, which takes into account the characteristics of acoustic cavity modes, makes it easy to identify the weak frequency range for each boundary surface. Thus, it is useful in the initial design that considers vehicle noise reduction. Furthermore, based on the understanding of the acoustic cavity, noise reduction through an acoustic cavity mode control will be studied. This paper shows the viability of noise reduction through a mode control in the partial shelf and in the trunk.
Keywords:
Acoustic cavity mode, ATF(Acoustic Transfer Function), Mode control, Noise, Panel키워드:
실내음장모드, 음향전달함수, 모드제어, 소음, 패널1. 서 론
250 Hz 이하의 저주파 영역에서 발생되는 로드부밍 및 공명음 등 차량 실내의 소음현상은 대부분 샤시와 차체의 구조모드(Structure mode)가 객실(Interior cabin)의 음장모드(Acoustic cavity mode)와 공진을 일으킴으로써 발생된다. 음장은 차체의 소음특성, 즉 차체의 하중 입력점에서 소음 측정점(Ear point)까지의 소음전달함수(NTF: Noise Transfer Function, P/F)를 결정하는 중요한 요소이므로, 음장의 특성을 잘 이해하고 관리하는 것은 차량 소음해석 및 성능개발에 중요한 항목이라 할 수 있다. 또한, 차량 소음해석 시 음장모델은 결과의 정확성을 좌우하는 요소이기도 하다. 그러므로, 완성차 회사들은 음장모델의 정확성을 높이기 위한 다양한 연구를 진행하여 왔으며,1-5) 현재 차량개발을 위해 사용되는 음장모델은 실제 현상을 대체로 적절하게 묘사할 수 있고, 해석(CAE: Computer Aided Engineering)을 통한 음장의 특성 연구가 가능한 수준에 도달해 있다고 볼 수 있다.
따라서, 본 논문에서는 차량의 선행개발 단계에서 음장의 특성이 고려된 설계가 진행될 수 있도록 음장의 특성을 효율적으로 관리할 수 있는 방안을 제시하였다. 해석을 통한 음장모드와 음향전달함수(ATF: Acoustic Transfer Function, P/Q) 분석을 통하여 차종 형태별로 어느 전달경로와 모드가 소음에 중요한지 검토하였으며, 설계 초기단계에서 이를 효율적으로 고려할 수 있는 방안을 모색하여 보았다. 그리고, 이에 추가하여 음장의 특성에 대한 이해를 바탕으로 음장모드를 제어하여 소음을 저감할 수 있는 방법을 검토하였다.6)
2. 본 론
2.1 차량의 실내 음장
차량의 실내 음장은 소음의 중요한 전달경로가 되므로, 소음 저감을 위해서는 음장모드가 어느 주파수 대역에 위치해 있는지 파악하여 설계 시 고려해야 한다. 또한, 실내 음장은 차급 별로 비교적 정형화된 구조와 크기를 가지고 있기 때문에, 차량 형태 별로 대표 차종에 대한 데이터베이스를 구축하면 음장의 특성을 쉽게 참조하여 설계에 활용할 수 있는 특징이 있다. 일반적인 승용차량의 경우, 로드노이즈의 부밍과 공명음 대역(0~250 Hz)에서 수천 개의 구조모드가 나타나는 것에 비해, 음장에서는 약 20~30개의 모드가 발생된다. 그러나, 구조모드에 비해 모드의 숫자가 적더라도, 이 영역에서 나타나는 모든 음장모드를 설계 시 고려하는 것은 효율적인 방법이라고 볼 수 없다. 실제 소음 문제에 지배적인 영향을 주는 주요 음장모드를 파악하여 관리하는 것이기 더 중요하기 때문이다.
또한, 단순히 음장모드의 주파수를 나열해 놓은 Mode Map도 실제 개발업무에서 큰 도움이 되지는 못한다. 차량의 실내 소음은 (식 1)과 같이 음장경계면을 구성하고 있는 차체 패널의 진동과 해당 음장경계면에 대한 ATF의 함수로 표현되며, 음장 내의 위치에 따라 ATF의 기여도가 달라지기 때문이다.7)
| (1) |
그러므로, 본 연구에서는 음장의 ATF 경로와 주파수별 특성을 동시에 고려할 수 있는 ATF Map을 구축하였다. 전석과 후석의 측정 위치(Ear point)에서부터 주요 패널까지의 ATF를 계산하여, 어느 경로의 ATF 레벨이 높은지 검토하는 방법을 사용하였으며, 동시에 각 취약 주파수에서의 모드기여도 분석을 통하여 소음에 영향이 큰 음장모드를 파악하였다. 이때, 음장모드 및 ATF 및 기여도 분석 등 모든 해석은 MSC Nastran을 사용하여 실시하였다.
2.2 음장 모델
음장의 형태는 해치백/세단 등 차량의 종류에 따라 다르며, 그에 따라 음장의 특성도 크게 달라지게 된다. 본 연구에서는 이러한 특징을 표현할 수 있는 Fig. 1과 같은 음장모델을 사용하였으며, 소음 성능에 영향을 주는 주요 음장경계면을 중심으로 ATF 및 모드 분석을 실시하였다.
Acoustic cavity model and boundary surfaces
2.3 ATF를 사용한 경로 별 기여도 분석
음장경계면에서 Ear point까지의 ATF는 상반성(Reciprocity)의 원리를 적용하여, Fig. 1 및 Fig. 2(a)와 같이 Ear point에서 Volume acceleration으로 가진하여 음장경계면에 위치한 Node의 음압(Sound pressure)을 측정하는 방법으로 계산했다. 그리고, 음장경계면은 Fig. 1과 같이 소음성능에 크게 영향을 주는 부분으로 구분하여 정리될 수 있도록 했다.
The representative value of ATF
이때, 음장의 외곽을 구성하는 음장경계면은 넓은 면(Surface)로 이루어져 있으므로 Fig. 2(b,c)와 같이 측정위치에 따라 ATF의 편차가 심하게 발생되는 문제가 있다. 특히, 음장경계면 별 로컬모드가 본격적으로 나타나는 150 Hz 이상의 영역에서는 측정 위치에 따라 결과가 왜곡될 수 있으므로, 본 연구에서는 Fig. 2(a,b,c)와 같이 각 음장경계면의 전체 Node 응답을 계산한 뒤 Fig. 2(d)처럼 이에 RMS 평균을 취하여 대표치를 계산하는 방법을 사용했다. 그리고, 이렇게 계산된 결과를 Fig. 2(e)와 같이 각 음장경계면 별로 정리하여 ATF Map을 확보하였다. 이러한 방법은 측정위치에 따른 결과의 왜곡을 방지하고 합리적인 대표치를 사용하여 각 음장경계면 별 ATF 특성을 효율적으로 표현할 수 있는 장점이 있었다.
앞서 설명된 방법을 사용하여 Fig. 3과 같이 5도어 해치백(Hatchback) 차량의 ATF Map을 구성하였다. 이때, 객실 내 전/후석의 공간적인 위치 차이에 의해 각 음장경계면 별 취약 주파수 대역이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 특성은 음장경계면 별로 음장모드의 압력 분포 차이에 의해 ATF 특성이 달라지기 때문인데, 이는 차량 전/후석의 소음 특성이 다르게 나타나는 주요 원인이 된다.
ATF map (5DR hatchback type vehicle)
그리고, Fig. 4와 같이 각 경로 별 ATF의 모드기여도를 계산하여 기여도가 큰 모드의 주파수를 ATF Map에 함께 표시하였으며, 이때 Nastran 해석을 통해 확인한 주요 음장모드는 Fig. 5와 같다. ATF 피크 형성에 크게 기여하고 있는 모드들은 대부분 전/후 및 상/하 방향과 관련된 모드였는데, 이를 통하여 일반적인 부밍 현상에 FLR(Floor), W/Shield(Wind Shield) 등과 관련된 음장 전/후-상/하 모드의 기여도가 높게 나타나는 것과 연관이 있다는 것을 확인할 수 있었다.
Mode contribution analysis
Acoustic cavity modes of 5DR hatchback
Fig. 3을 통해 각 음장경계면 별 ATF Map 특성을 조금 더 자세히 살펴보면, 먼저 FR W/Shield~전석 ATF는 173 Hz 모드 등 W/Shield 관련 음장모드가 연속적으로 존재하기 때문에 150~220 Hz 이상의 대역에서 ATF 특성이 취약해지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 동일 영역에서 Fig. 6과 같이 후석 대비 전석 ATF의 레벨이 5 dB 이상 높게 나타나는데, 이러한 특성은 해당 영역에서 전석과 관련 고질적인 소음 문제가 발생되는 원인이 된다. 따라서, FR W/Shield~전석의 ATF 경로는 소음 저감을 위해 중요하게 관리되어야 하며, 주변부 구조모드를 이 대역에서 회피 시키거나 진동감도가 저감될 수 있도록 설계 되어야 한다는 것을 알 수 있었다. 반면에, FR W/Shield~후석 ATF는 50 Hz 이하의 아이들(Idle), 직결(Lock-up) 부밍 영역을 제외하고는 W/Shield~전석 ATF 대비 기여도가 낮다는 것도 확인할 수 있었다.
ATFs regarding FR W/Shield
Dash panel에서부터 전석 및 후석까지의 ATF는 음장 전/후방향 관련 모드가 위치한 88/121/184 Hz 대역이 취약하다. 따라서, 이 대역은 부밍 관련 소음 피크가 발생되기 쉬운 영역이므로, 해당 영역에서 이러한 음장모드를 가진할 수 있는 FR W/Shield 및 Cowl panel 관련 모드가 발생되는지 모니터링이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 그리고, Kickup panel 관련 ATF는 후석 ATF의 146 Hz 대역이 취약하게 나타나는데, Kickup panel의 강성이 부족할 경우 해당 주파수에서의 후석 소음이 악화될 가능성이 있다. 또한, RR FLR-FR panel 부위는 전/후석 ATF 모두 120~250 Hz 영역이 전반적으로 취약했으며, 이러한 특성은 로드노이즈의 부밍/공명음 영역에서 RR FLR-FR panel의 기여도가 높아지는 원인이 된다.
아울러, RR FLR-RR, Back panel 및 T/GATE 등 차체 후방에 위치한 음장경계면의 전/후석 ATF는 50 Hz 이하 대역이 매우 취약하게 나타나는데, 전/후석의 경향이 상당히 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 40 Hz 전후를 중심으로 직결부밍 관련 주요 음장경계면이 되는 FR W/Shield와 T/GATE 관련 ATF를 Fig. 7과 같이 보다 상세하게 분석했다.
ATFs in lockup booming range
Fig. 7에 따르면 직결부밍 영역인 40 Hz 부근에서 T/GATE~전/후석 ATF와 FR W/Shield~후석 ATF가 대체로 취약하게 평가되며, T/GATE~후석 ATF는 45 Hz 부근의 최대 취약부(피크)를 기점으로 주파수가 낮아질 수록 기여도가 급격하게 낮아진다. 반면에, FR W/Shield~전석 ATF는 직결부밍 대역에서 기여도가 전반적으로 낮은 것을 확인할 수 있다.
따라서, 직결부밍 대역에서 전석 소음은 T/GATE의 영향을 크게 받고, 후석 소음은 FR W/Shield와 T/GATE의 영향을 복합적으로 받게 된다. 그리고, T/GATE~후석 ATF의 경우 직결부밍 대역에서 주파수가 낮아짐에 따라 기여도가 크게 저감되므로, ATF의 레벨이 크게 낮아지는 30~33 Hz 부근에 T/GATE 모드의 주파수를 배치시킬 경우 후석 소음을 큰 폭으로 저감시킬 수 있는 가능성이 있다는 것을 알 수 있었다. 한편, Fig. 8을 살펴보면 경로에 따라 40 Hz 대역에 대해 음장모드의 기여도가 크게 변하게 되는데, 이러한 현상은 직결부밍 개선 시 전/후석 간에 상충현상이 발생되는 원인이 된다. 이와 같이, 40 Hz 부근의 주파수 대역은 FR W/Shield와 T/GATE에 의해 음장이 매우 쉽게 가진될 수 있는 민감한 영역이므로, 차체 및 무빙파트 설계 시 보다 세심한 주의가 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.
Mode contribution analysis in lockup booming range
4도어 세단 차량은 5도어 해치백 차량과 다르게 객실과 트렁크 공간이 RR P/Tray(Package Tray) panel을 통해 분리되어 있으며, 이 공간들은 환기홀(Ventilation hole)을 통해 연결되어 있다. Fig. 9와 Fig. 10은 각각 Nastran을 통하여 계산된 세단 차량의 ATF Map과 주요 음장모드를 보여주고 있다. 먼저, Fig. 9에서 FR W/Shield에 대한 전석 ATF를 살펴보면 150~230 Hz 구간이 음장의 175 Hz 모드 등 객실 전방 관련 모드 때문에 취약하게 나타나며, 해치백 차량에서와 유사한 경향을 보여주고 있다. 이는 세단과 해치백 차량의 음장 형상을 비교할 때 전방 형상에서는 큰 차이가 없기 때문이며, 이를 통해 FR W/Shield~전석 ATF는 차종 구분 없이 상당히 중요한 음향의 전달경로라는 것을 알 수 있었다. 그러므로, 부밍 및 공명음 대역 소음 저감을 위해 150~230 Hz 대역의 FR W/Shield~전석 ATF 경로는 차종 구분 없이 적절하게 관리되어야 한다는 것을 확인할 수 있었다.
Acoustic cavity ATF map of 4DR sedan
Acoustic cavity modes of 4DR sedan
반면에, 세단 차량의 객실 후방부와 트렁크 관련 ATF는 해치백 차량과 매우 큰 차이를 보여준다. 이는 트렁크룸이라는 별도 공간이 객실 후방에 독립적인 공간으로 연결되어 있기 때문에 발생하는 특성으로, 세단차량에서는 Fig. 10과 같이 트렁크 모드가 객실 모드와 현저하게 구분되어 나타나게 된다.
그리고, 세단 차량은 객실 후방의 RR W/Shield~후석 및 P/TRAY~후석 ATF에서 해치백 차량과 비교해 결정적인 차이를 보여주게 되는데, 이 경로는 80 Hz 및 130~230 Hz 대역에 걸쳐서 ATF의 레벨이 높아 취약부를 형성하고 있었다. 이러한 특징은 81 Hz 전후모드, 140 Hz 상하모드 및 170 Hz의 RR W/Shield 관련 모드 등에서 객실의 P/TRAY 부근 압력이 높게 나타나는 모드가 발생되기 때문인데, 이것은 해치백 차량에서는 존재하지 않는 세단 차량 음장의 고유한 특성이며, P/TRAY 패널의 유무에 따라 객실의 후방 경계위치가 변경되어 발생되는 현상이라고 볼 수 있다.
그러므로, 130~230 Hz 대역의 P/TRAY~후석 경로의 민감한 ATF 특성은, P/TRAY 패널은 후석 로드노이즈와 관련해 중대한 영향을 미칠 가능성이 있다는 것을 의미한다. 따라서, 이에 대응되는 차체 P/TRAY 패널의 진동특성을 잘 관리해야 하며, 이 특성이 만족스럽지 못할 경우 소음전달함수(NTF: Noise Transfer Function, P/F)가 악화되어 P/TRAY에 기인된 후석 소음이 증가하게 된다는 것을 확인하였다.
2.4 ATF 취약 경로 관리방안
앞서 진행된 분석을 통해 음장경계면 별 ATF 민감부, 즉 취약부를 파악할 수 있었으며, 주요 음장경계면에 영향을 주는 패널들의 진동특성을 ATF 취약 주파수에서 회피될 수 있도록 관리하면 차량의 소음을 저감할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 이러한 검토를 Fig. 11처럼 복잡한 완성차 모델이 아닌 BIP(BIW + FEM + W/Shield + FR-S/FRM + Bumper) 수준에서 할 수 있다면 설계 초기단계에서 신속하게 소음성능 개선을 위한 특정 패널의 진동 특성을 점검 또는 개선할 수 있다. Fig. 12는 이에 대한 예를 보여주고 있다.
ATF management
BIP ERP & Full vehicle roadnoise results
해당 차량은 소형 SUV 차량으로, 완성차 해석결과 부밍 및 공명음 대역에서 소음 개선이 필요했다. 따라서, 전달경로분석(TPA: Transfer Path Analysis)와 패널기여도분석(Panel contribution analysis)을 통하여 T/ARM (Trailing Arm)을 통한 하중이 크게 전달되며, T/ARM 마운트로부터 RR FLR PNL까지의 진동특성이 불리하다는 것을 파악한 후, Fig. 12(b/d)와 같은 개선안에 대한 소음 저감 효과를 완성차 로드노이즈 해석으로 확인하여 설계 적용했다.
반면에, Fig. 3의 ATF Map을 활용하면 해치백 차량에서 RR FLR의 후석 ATF가 150~250 Hz 대역에서 매우 취약하다는 것을 완성차 모델 구성 전에 확인할 수 있다. 그리고, 과거 차량개발 시 반복적으로 문제가 되었던 T/ARM 경로에 대한 BIP의 ERP(Equivalent Radiated Power, (식 2))해석 등을 사용하여 Fig. 12(c)와 같이 RR FLR의 진동 특성을 관리함으로써, 개선안을 빠르고 쉽게 검토할 수 있었다. 이러한 관리 방법을 사용하면 완성차 모델이 준비되지 않은 설계 초기단계에서 소음 성능을 신속하게 점검할 수 있는 장점이 있다.
| (2) |
Table 1은 이러한 개념에 따라 기본적으로 검토 되어야 할 패널, 주파수 대역 및 전달경로(입력점)의 예를 제시하고 있다. 여기서, 취약한 패널과 주파수 대역은 본 연구를 통하여 확인된 내용이며, FR STRUT-X/Y방향 및 T/ARM-Z방향 등의 전달경로는 과거 차량개발 시 로드노이즈에 반복적으로 중대한 영향을 주었던 경로 중에서 선정하였다. 단, 이때 어느 경로를 중점적으로 검토 할 것인지, 어느 수준으로 패널의 진동특성을 관리할 것인지 등에 대해서는 향후 구체적인 목표설정에 대한 연구가 필요하다.
Major input and panels for roadnoise analysis
2.5 음장제어를 통한 소음저감
지금까지는 차량 실내 음장과 ATF의 특성을 분석하여 관리함으로써, 주요 음장경계면의 취약 주파수에서 구조 모드가 회피되거나 진동특성이 저감될 수 있게 하는 간접적인 방안에 대해 검토했다. 음장의 구조는 차량의 형태에 따라 결정되므로 설계변수로 고려할 수 있는 인자가 아니기 때문이다. 따라서, 실제 차량개발 시에 음장을 제어하여 소음을 개선하려는 시도는 거의 이루어지지 않아왔다.
그러나, 음장 제어 시 많은 중량이 추가되는 샤시나 차체의 구조적인 보강 없이 소음 특성을 대폭 변화시킬 수 있는 이점이 있기 때문에, 그 가능성에 대해서는 검토해 볼 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 음장 특성에 대한 이해를 바탕으로 차량 실내에서 제한적이나마 음장을 제어하여 소음 성능을 일부 저감시킬 수 있는 방안에 대해 검토를 진행하였다.
음장모드를 제어하기 위한 첫 번째 방법은 음장의 사이즈를 변경하는 것이다. Fig. 13과 같은 간단한 직사각형 공간에 대해, 음장의 주파수와 모드형상은 (식 3)과 (식 4)와 같이 표현되므로,8) 음장의 길이를 조절하면 이론적으로는 간단하게 음장의 모드를 제어할 수 있다. 그러나, 알려진 바와 같이 차량 설계 관점에서 음장을 제어하기 위하여 실내 공간의 체적을 변화시키는 것은 불가능한 사항이다.
Closed rectangular volume of cavity
| (3) |
| (4) |
두 번째 방법은, 두 개의 음장이 좁은 통로를 통해 연결될 때 발생되는 헬름홀츠 공명기 현상을 이용하는 것이다. 헬름홀츠 공명기 주파수는 Fig. 14와 같이 표현될 수 있는데, 세단 차량에서 객실과 트렁크 공간이 환기홀을 통해 연결된 구조는 이와 관련된 대표적인 사례로 들 수 있다.9)
Helmholtz resonator
Fig. 15는 단순 음장모델에서 트렁크 공간을 고려했을 경우, 음장모델의 변화 경향을 보여주고 있다. Fig. 15(a)의 객실 만 고려된 모델에 비해, 트렁크 공간이 연결될 경우 Fig. 15의 (b), (c)와 같이 모드가 2개로 분리되어 나타나게 된다.
The effect of trunk space in simple acoustic cavity
트렁크 공간은 차량 실내 음장 중 객실(Cabin) 모드에 영향을 줄 수 있을 정도의 큰 부피를 가지며, 객실과 트렁크 공간의 연결성을 변화시켜 특정 음장모드의 주파수 및 모드형상을 제어하는 것이 가능하고, 차량 부밍 소음에 영향을 주는 전/후, 상/하 모드에 영향을 줄 수 있는 위치에 있으므로, 트렁크 공간과 연결부 형상은 차량 내부에서 거의 유일한 음장모드의 제어인자라고 볼 수 있다.
이러한 개념을 활용하여, 트렁크 공간이 존재하는 세단과 해치백 차량에서 모드제어를 할 수 있다. 그러나, 세단 차량의 경우 객실과 트렁크 공간이 차체구조(P/Tray panel)와 트림으로 완전히 구분되어 있어서, 두 음장 공간의 통로 조절을 통한 모드 제어 특성을 검토하기에 쉽지 않은 구조를 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 객실과 트렁크 공간이 Partial shelf로 단순하게 구분되어 있는 해치백 차량에서 음장모드 제어를 통한 소음 저감방안을 개념적으로 검토해 보았다.
해치백 차량의 Rear seat 후방에는 객실과 트렁크 공간을 구분하는 플라스틱 재질의 Partial shelf 트림이 존재한다. Partial shelf는 Rear seat와 Quarter trim 사이에 얹혀 있는 형태로 놓여있으며, 완전 밀폐되지 않고 전/후에 폭 5 mm 가량의 틈이 존재하는 상태로 객실과 트렁크 공간을 연결해 주고 있다. 본 연구에서는 Partial shelf의 연결상태에 따른 변화를 검토하기 위하여, ① Base 조건, ②Partial shelf 탈거 조건, ③ Partial shelf 완전 밀폐조건의 3가지로 구분하여 음장모드 변화를 검토하여 보았다.
MSC Nastran을 사용한 모드해석 결과 Fig. 16과 같이 Partial shelf의 연결상태 및 유/무에 따라서 음장 전후방향 모드의 주파수가 크게 변화되는 것을 확인할 수 있었다. 먼저 Base 상태에서는 객실 전후모드(1,0,0)와 트렁크 모드가 연성된 모드가 나타난 뒤 2차/3차 전후모드가 발생되고 있지만, Partial shelf가 탈거된 상태에서는 객실과 트렁크 모드의 연성이 없는 뚜렷한 형상의 (1,0,0)모드가 발생된다. 반면에, Partial shelf가 완전 밀폐상태일 경우 트렁크 공간과 객실에서 각각 독립적인 모드가 발생되었다. 이와 같이, Partial shelf 연결상태와 존재 유무에 의해 음장의 전후방향 길이가 변화되므로 전후 1/2/3차 모드의 주파수가 제어되는 것을 확인할 수 있었다.
Luggage tray effect in the acoustic cavity
위와 같은 3가지 Partial shelf의 연결조건을 사용하여 완성차 로드노이즈 해석과 실차 시험을 진행하고 Fig. 17과 같이 두 결과와 비교했다.
CAE & TEST results of roadnoise
Fig. 17에서 볼 수 있는 것 처럼 해석과 시험에서 동일한 경향으로 후석 로드노이즈의 부밍영역(20~200 Hz)이 Partial shelf 탈거 시 개선되며, Partial shelf 완전 밀폐 시 Base 대비 소폭 악화되는 현상이 나타났다. 이때, 로드부밍 해석결과의 Main peak인 122 Hz의 음장모드 기여도를 Fig. 18과 같이 분석해 보면 128 Hz의 전후 3차 모드의 기여도가 가장 높게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있었다.
122 Hz Mode contribution of roadnoise @ RR-SEAT
이러한 상태에서 Partial shelf를 탈거하게 되면 128 Hz에 위치하던 음장 3차 모드의 형상이 Fig. 16(a)와 같이 전후 2차모드의 형상으로 변경되며 주파수가 99 Hz로 낮아지게 된다. 그러므로, 122 Hz 피크에서의 개선현상은 Partial shelf 탈거 시 피크에 가장 크게 기여하던 음장모드가 회피되고, 모드형상이 변경되어 Nodal line이 후석 Ear point 부근에 위치하게 됨에 따라 발생된 것으로 볼 수 있다.
반면에, Partial shelf 완전밀폐 시에는 음장 전후 2차모드가 Fig. 16(b)와 같이 120 Hz로 이동되고, 후석 Ear point 기준으로 모드형상이 불리하게 변경되어 소음이 악화된다는 것을 알 수 있었다.
또한, 70 Hz 영역 변화 경향도 Fig. 16(c) 및 (d)와 같은 Partial shelf의 유무 및 연결상태 변화에 의한 모드 주파수 변화로 설명될 있었으며, 이러한 현상은 Fig. 19의 ATF 변화 경향에서도 확인될 수 있었다.
ATF variation by acoustic mode control
그러나, Partial shelf 탈거 시 Fig. 20과 같이 차음 효과 상실로 인해 고주파 영역에서는 후석 소음이 악화되는 Side effect가 발생된다. 그러므로, Partial shelf의 음장제어 효과를 사용한 소음개선은 고주파영역 성능에 마진이 있을 경우에 한해 제한적으로 사용이 가능하고 볼 수 있다.
Change in high frequency area
아울러, 저주파 영역에는 음향학적으로 투명하고 고주파영역에서는 일부 차음 효과를 가질 수 있는 Partial shelf를 개발한다면 이러한 Side effect 없이 소음 개선이 가능하다는 아이디어를 얻을 수 있었다.
3. 결 론
차량 실내 소음 개선을 위한 음장모드 관리 및 제어 방안에 대한 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 1) ATF 및 음장모드 분석을 통한 음장경계면 별 취약부 분석을 실시하였고, ATF Map을 사용한 음장 특성 관리 방안을 제시하였다.
- 2) ATF Map으로 음장의 특성을 검토할 경우 어느 경로에 대해 어떤 주파수 대역의 ATF가 취약한지 쉽게 파악이 가능하다.
- 3) FR W/Shield의 전석 ATF 150~230 Hz, RR FLR의 전/후석 ATF 120~250 Hz, RR P/TRAY 후석 ATF 130~230 Hz 대역은 음장의 전달경로 측면에서 매우 취약하다. 일반적인 경우, 음장의 특성을 변경하는 것은 쉽지 않기 때문에, 이 영역 에 대응되는 차체 패널의 진동특성을 관리할 필요가 있으며. 이때, ATF 취약부에 대한 차체 진동특성 관리를 실시할 경우 설계 초기단계에서 소음 특성에 대한 효율적인 개선이 가능하다.
- 4) Partial shelf의 연결상태 및 장착 유무를 활용하여 음장의 전후모드를 제어할 수 있었다. 이를 통하여 음장모드를 제어하여 제한적으로 부밍 소음을 제어할 수 있는 가능성을 확인하였다.
Nomenclature
| P : | sound pressure level |
| Q : | volume velocity |
| F : | Force |
| P/Q : | acoustic transfer function |
| P/F : | noise transfer function |
| : | normal velocity of panel |
| A : | unit area of panel |
| ERP : | equivalent radiated power |
| V : | normal velocity of panel |
| S : | area of element |
| ρ : | fluid density |
| c : | speed of sound |
| C : | (radiation loss factor)×ρ×c/2 |
References
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