타이어 공명소음 저감을 위한 레조네이터 구조 개발 및 검증

타이어 공명소음을 줄이기 위한 첫 번째 방법으로, 흡음재 타이어 접착 방식은 타이어 제조업체를 통해 가장 많이 적용되고 있으며, 공명소음 영역 외 주파수 영역에서도 일정 부분 소음저감 특성이 있는 장점을 가지고 있으나, 공명소음 주파수 대역에서 다소 부족한 소음 저감 성능(~ 4 db)과, 중량 및 회전관성이 크게 증가되기 때문에, 연비 증가, 스프링 하질량 증가로 인한 단점이 크며, 타이어의 코니시티(Conisity, 주행중 쏠림) 현상을 발생시키는 원인이 되기도 한다. 뿐 만 아니라, 흡음재는 타이어교체 시, 타이와 함께 전량 폐기물로 처리되는 등 여러가지 단점이 있다.

1.3.2.1 헬름홀츠(Helmholtz) 원리

타이어 공명소음을 저감하는 두 번째 방식인 공명 휠과 세 번째 방식인 공명기 휠 부착 방식은, 헬름홀츠 원리를 공통적으로 이용하는 방식이며, 공명 휠을 설명하기에 앞서, 헬름홀츠 원리를 설명하고자 한다.

헬름홀츠 공명기 윈리는 소통관(Communication hole)에 있는 기체 질량이 공명기 내부 공간을 막고 있는 닫힌 공간이라 정의 하였으며(Fig. 5), 이러한 구조를 이용하여 복합음에서 단일음을 분리해 내고, 배음 및 중첩음에 대한 메커니즘을 밝힌 바 있다.⁷⁾(Fig. 6)

Fig. 5

Structure and principle of Helmholtz resonator7)

Fig. 6

H elmholtz r eson ator r epresen ted by mass-spring system(P0,V0) : pressure at equilibrium(Volume)7)

헬름홀츠 공명기는 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 일반적으로 1 자유도 질량-스프링 계로 표현된다. 이 경우 개구부에서의 공기가 질량의 역할을, 공동 내부의 공기가 스프링의 역할을 하게 되며, 헬름홀츠 공명기의 공명 주파수 ω_n(rad/s)은 다음과 같다.

• where P₀,V₀ : pressure, volume in resonator
• 　　　w : resonance frequency (Hz)
• 　　　k : equivalent spring constant

위의 식을 실용적으로 사용하기 위해 선형 음향 파동 방정식에 파동의 위상 속도 c에 대한 식($$ c=\sqrt{B/{\rho }_0}$$)을 이용하여, 다음과 같이 Hz 단위로 표현된 공명 주파수식을 얻게 된다.

• where c : speed of sound (m/s)

1.3.2.2 공명 휠 방식 소음 저감

타이어 공명소음을 저감하는 두 번째 방식인 금속 소재의 공명 휠 제품(Fig. 4(b))은 헬름홀츠(Helmholtz’s) 원리를 이용한 방식으로, 타이어 공명소음 저감 효과가 높고, 주행성능에 영향을 미치지 않고 경량이라는 장점이 있다.

반면, 주조, 가공 등 생산 공정에서 휠 내부에 공동 체적을 확보하는데 어려움이 있어, 생산성 및 원가 경쟁력에서 불리하며, 더 나아가, 주조 불량이 발생할 가능성이 높으며, 최종 제작된 휠 내부의 빈 공간이 구조적 강도에 악영향을 미치는 경우가 발생할 가능성도 높다.

1.3.3.1 공명기 휠 부착 방식 소음 저감

타이어 공명소음을 저감하는 두 번째 방식인 공명기 휠 부착 방식(Fig. 4(c) 제품은 공명 휠 방식과 동일하게 헬름홀츠(Helmholtz’s) 원리를 이용한 방식으로, 공명 휠 제품과 동등 수준의 공명소음 저감 성능을 발휘하며, 타이어의 주행성능에도 영향을 미치지 않으며, 흡음재 부착 방식에 대비하여 중량 및 회전관성의 증가량이 낮다는 장점이 있다. 반면, 현재 상용화 및 양산 적용되고 있는 공명기 휠 부착 방식 제품은 블로우 몰딩 공법⁷⁾으로 제조되고 있는데, 이로 인한 여러가지 단점이 발생할 수 있다.

1.3.3.2 블로우 몰딩 공명기의 단점

블로우 몰딩 공법으로 만들어지는 공명기 제품은 제조 공법의 특성 상, 구조강도에 취약한 연질의 플라스틱 소재를 적용하고 있어, 사소한 환경적 변화 요인에 영향을 받아 제품의 두께가 일정하지 않는 등 품질 편차가 심하고, 더불어, 하절기 타이어 내부의 높은 온도 환경에서 고속주행 상황이 겹쳐지면서 관성력의 영향으로 제품 체적 변형이 발생하여, 공명기 부품으로써 기능을 충분히 하지 못하는 현상이 발생할 수도 있다.

본 연구에서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 방안으로 경질 소재를 적용한 사출형 제품 개발을 위한 새로운 구조를 제안하고, 소음저감 성능평가를 통하여 효과를 검증하였다.

다이나모 시험 평가에서는 레조네이터 장착 여부에 따른 공명소음 저감효과는 마이크로폰 소음과 휠에서의 가속도데이터를 비교하여 확인하였으며 다이나모미터에 대한 상세 사양정보는 Photo 2 및 Table 2에 나타내었다.

Photo 2

Noise test by chassis dynamometer

Table 2

Information equipment

다이나모미터의 드럼에 Cleat를 장착하여 타이어에 인위적인 진동 가진이 되도록 하였으며, 주행속도는 30 ~ 60 kph에서 진행하였다. 또한, 휠 센터에 가속도계를 설치하여 휠에서 발생하는 주파수를 측정하였으며, 소음 측정을 위한 마이크로폰은 휠 센터에서 회전축 방향 1,000 mm 지점에 설치하였다(Fig. 9).

Fig. 9

Dynamometer test settings

다이나모 성능시험 조건은 다음과 같다.

• 1) 주행 조건
  ① Cleat 규격 : 20 mm (폭) × 10 mm (높이)
  ② 주행속도 : 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 kph
  ③ 하중조건 : 100 kgf
• 2) 측정 조건
  ① 측정 시간 : 10 sec
  ② 측정 주파수 범위 : 0 ~ 1,024 Hz
  ③ 분석 주파수 범위 : 190 ~ 235 Hz
  ④ 분석 주파수 범위에 대한 RMS 값 비교
  ⑤ 측정 위치
  　 가. 가속도계 위치 : Wheel center
  　 나. 마이크로폰 위치 : 휠 센터에서 X축으로 1,000 mm 지점

다이나모미터 소음저감 성능평가를 통해 확보된 속도별 방사소음과 가속도 데이터에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform) 처리 후, RMS 값으로 개발품 적용 전후의 변화량을 비교하였다.

분석 결과, 마이크로폰 측정 결과(Table 3)에서는 충분한 소음저감 효과를 확인할 수는 없었다. 이는 다이나모미터 자체 소음과 타이어 소음 발생을 위해 설치된 Cleat의 충격진동에 의한 소음 등 타이어 소음외의 외부적 소음에 가려져 소음저감 효과를 별도로 추출하는 것이 불가능한 것으로 사료된다. 이 결과로부터, 다이나모미터 소음성능 평가에서 변별력 있는 결과를 확보하기 위해서는 타이어 내부의 소음을 측정하는 방안을 검토해야 할 것으로 사료된다.

Table 3

Result of wheel microphone.

반면에, Table 4, Fig. 10, Fig. 11에 나타낸 것과 같이 휠센터에서의 가속도 성분에 대한 제품의 적용 효과를 분석하였으며, 모든 속도 시험에서 진동량이 저감된 결과를 확인할 수 있었다.

Table 4

Result of wheel acceleration

결과 값의 검토는 속도별로 190 ~ 230 Hz 공명주파수 범위에서 RMS 기준으로 비교하였으며, 최소 1.17 dB, 최대 4.79 dB 진동이 저감되는 효과를 확인할 수 있었고, 타이어 공명소음이 섀시 및 차체를 통해 전달되는 점을 고려하면 충분한 소음저감 성능을 갖는 것으로 사료된다.

Fig. 10

Acceleration result of general wheel

Fig. 11

Acceleration result of resonator wheel

시험조건의 정확성을 담보하기 위해 GPS를 통하여 차량 속도를 획득하고, 데이터 확보를 위해 Fig. 13에서 색깔로 표시된 것과 같이 전석 좌측, 전석 중앙, 후석 중앙에 마이크로폰을 설치하였으며, 데이터 측정 및 분석은 ‘²⁾ 측정 조건’에 나타내었다.

Fig. 13

Microphone installation location

• 1) 시험조건
  ① 주행 속도 : 30 ~ 120 kph, 10 kph 단위
  ② 주행 시간 : 120 sec/속도별
• 2) 측정 조건
  ① 측정 시간 : 120 sec
  ② 측정 주파수 범위 : 150 ~ 400 Hz
  ③ 분석 주파수 범위 : 190 ~ 235 Hz
  ④ 분석 주파수 범위에 대한 RMS, Contour 값 비교
  ⑤ 측정 위치 : 전석 좌측, 전석 중앙, 후석 중앙

레조네이터 미장착 차량의 시험 결과 200 ~ 250 Hz 영역에서 타이어 공명소음이 강하게 발생하였다. 최대 소음은 차량 속도 120 Km/h 조건에서 약 70 dB 수준이며, 속도가 증가함에 따라 공명 주파수가 2개의 피크로 분리되는 현상을 확인할 수 있었다(Fig. 14).

Fig. 14

General wheel cavity noise and frequency separation

3.2.2.1 전석 좌측 측정 결과

전석 좌측에서 공명 소음을 측정한 결과를 분석해 보면, Fig. 15(a)에 나타낸 레조네이터 미장착 차량 대비하여 Fig. 15(b), Fig. 15(c)에 나타낸 고정형 레조네이터와 가변형 레조네이터의 공명 소음 감소 효과를 확인할 수 있었지만, 고정형과 가변형 결과는 비슷한 수준으로 나타났다. 이는 소음 측정 위치가 창문과 가까워 풍절음 등 외부 유입 소음의 영향이 크기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 15

Measurement result of cavity noise of (a)general wheel, (b) fixed resonator wheel, (c) variable resonator from the left side of the front seat

소음 저감 효과를 정량적으로 상세하게 살펴보면, 주파수 고정형 레조네이터 장착시, 최대 소음기준 4.1 ~ 9.8 db가 저감되었고, RMS 기준으로 1.1 ~ 5.6 dB이 저감되는 효과를 확인할 수 있었다. 또한 주파수 가변형 레조네이터 장착시 최대 소음기준 기준 4.6 ~ 9.5 dB이 저감되었고, RMS 기준으로 0.9 ~ 4.6 dB이 저감되는 효과를 확인할 수 있었다.

저속영역에서는 고정형 레조네이터 장착시 공명소음 저감효과가 높았으나, 고속영역에서는 주파수 가변형 레조네이터의 저감효과가 근소하게 우수한 것으로 확인되었다(Table 5).

Table 5

Cavity noise reduction of fixed and variable resonator from the left side of the front seat

3.2.2.2 전석 중앙 측정 결과

전석 중앙에서의 결과를 분석해 보면, Fig. 16(a)에 나타낸 레조네이터 미장착 차량 대비하여 Fig. 16(b), Fig. 16(c)에 나타낸 고정형 레조네이터와 가변형 레조네이터의 공명 소음 감소 효과를 확인할 수 있었고, 특히, 주파수 고정형 레조네이터 적용 결과인 Fig. 16(b) 대비하여 Fig. 16(c)에 나타낸 주파수 가변형 제품의 성능이 다소 우수한 것으로 나타났다.

Fig. 16

Measurement result of cavity noise of (a) general wheel, (b) fixed resonator wheel, (c) variable resonator from the front seat center

소음저감 효과를 정량적으로 상세하게 살펴보면, 주파수 고정형 레조네이터 장착시, 레조네이터 미장착 제품에 대비하여 최대 소음기준 -0.36 ~ 11.06 dB가 저감되었고, RMS 기준으로 0.81 ~ 5.64 dB이 저감되는 효과를 확인할 수 있었다. 또한, 주파수 가변형 레조네이터 장착시, 미장착 제품에 대비하여 최대 소음 기준 0.90 ~ 9.43 dB 저감되었고, RMS 기준 1.73 ~ 5.53 dB 저감되는 효과를 확인할 수 있었다.

특별히, 30 ~ 60 Km/h의 저속영역에서는 주파수 고정형 레조네이터 장착시 공명소음 저감효과가 근소하게 높은 것으로 평가되었으나, 80 Km/h 이상의 고속영역에서는 주파수 가변형 레조네이터 장착시 탁월한 소음 저감효과가 있는것을 확인하였다(Table 6).

Table 6

Cavity noise reduction of fixed and variable resonator from the front seat center

3.2.2.3 후석 중앙 측정 결과

후석 중앙에서의 결과를 분석해 보면, Fig. 17(a)에 나타낸 레조네이터 미장착 차량 대비하여 Fig. 17(b), Fig. 17(c)에 나타낸 고정형 레조네이터와 가변형 레조네이터의 공명 소음 감소 효과를 확인할 수 있었고, 특히, 주파수 고정형 레조네이터 적용 결과인 Fig. 17(b) 대비하여 Fig. 17(c)에 나타낸 주파수 가변형 제품의 성능이 우수한 것으로 나타났다.

Fig. 17

Measurement result of cavity noise of (a) general wheel, (b) fixed resonator wheel, (c) variable resonator from the rear seat center

공명 소음이 발생하는 200 ~ 250 Hz 주파수 영역에서 주파수 고정형 레조네이터 장착시 최대 소음기준 1.23 ~ 9.96 dB가 저감되었고, RMS 기준으로 1.40 ~ 6.18 dB이 저감되는 효과를 확인할 수 있었다. 또한 주파수 가변형 레조네이터 장착시 최대 소음 기준 1.55 ~ 7.07 dB이 저감되었고, RMS 기준으로 0.18 ~ 6.60 dB이 저감되는 효과를 확인할 수 있었다.

저속영역에서는 고정형과 가변형의 공명소음 저감효과가 유사한 것으로 확인되었으나, 고속영역에서는 가변형 레조네이터 장착시 공명소음 저감효과가 우수한 것으로 확인되었다(Table 7).

Table 7

Cavity noise reduction of fixed and variable resonator from the rear seat center