[논문]배기 소음기 구조가 삽입손실에 미치는 영향

강동림; 김영호; 전현부기; 김의간

문제 정의

다공형 소음기의 각 치수가 삽입손실에 미치는 영향을 이론적으로 검토하여 보았다. 먼저 다공율 이 증가하면 고주파수 영역에서 삽입손실이 증가 하고, 다공율이 15%이상이 되면 단순팽창형 소음 기 의 특성 을 갖는다.
다공관 구멍에서의 임피던스는 Rao와 Munjal⁽⁶⁾의 연구결과를 적용하여 해석하였다. 또한 소음기의 삽입손실 해석시 평면파 이론이 적용 가능한 주파수 영역과 소음기 출구관 길이가 토출음에 미치는 영 향도 함께 고찰하였다.
본 논문에서는 여러 형태를 갖는 소음기의 삽입손실을 4단자 정수를 이용하여 구하고 실험으로 적용한계를 확인하고자 한다. 실험에 사용한 소음기 는 단순팽창형 소음기, 원뿔형 소음기, 단순팽 창 형과 원뿔형 소음기의 조합형, 다공형 소음기이며 실제 기관의 배기계에 부착하여 삽입손실을 측정하고 해석치와 비교 검토하였다.
실험에 사용한 소음기 는 단순팽창형 소음기, 원뿔형 소음기, 단순팽 창 형과 원뿔형 소음기의 조합형, 다공형 소음기이며 실제 기관의 배기계에 부착하여 삽입손실을 측정하고 해석치와 비교 검토하였다. 여기서 원뿔형 소음기는 기관 배기관과 소음기 입구관의 직경이 다른 경우 이를 연결하기 위한 것으로 이 소음기가 삽입손실에 미치는 영향을 검토하였다. 다공형 소음기는 Sullivan의 연구 결과를 이용하여 4단자 정수⁽⁸⁾를 구하고 전달매트릭스법으로 해석하였다.
먼저 소음기를 구성하는 각 요소의 4단자 정수를 구하고 이것을 조합하면 소음기 전체의 4단자 정수가 구하여 진다. 여기서는 소음기각 요소의 4단자 정수와 이를 이용하여 소음기의삽입손실을 해석하는 방법에 대하여 검토한다.

제안 방법

기관에 원뿔형 소음기를 부착하여 삽입손실을 측정하고 해석치와 비교 검토하였다. 본 실험에 사용한 기관은 단기통 4행정 수냉식 디젤 기관으로 최대회전수와 출력은 각각 2,000rpm, 8bhp이며, 실험은 단순팽창형 소음기와 같은 방법으로 하였다.
단순팽창형 소음기를 기관 배기계에 부착하여 삽입손실을 측정하고 예측치와 비교 검토하였다. 본 실험에 사용한 기관은 단기통 2행정 공냉식 가솔린 기관으로 최대회전수와 출력은 각각 6,500rpm, 2bhp이다.
본 장에서는 앞장에서 이론적으로 검토한 삽입손실의 적용 한계를 확인하기 위하여 여러 형태의소음기를 실제 기관의 배기계에 부착하여 삽입손실을 즉정하고 해석치와 비교 분석하였다. 실험장치 의 개 략도는 Fig.
확인하고자 한다. 실험에 사용한 소음기 는 단순팽창형 소음기, 원뿔형 소음기, 단순팽 창 형과 원뿔형 소음기의 조합형, 다공형 소음기이며 실제 기관의 배기계에 부착하여 삽입손실을 측정하고 해석치와 비교 검토하였다. 여기서 원뿔형 소음기는 기관 배기관과 소음기 입구관의 직경이 다른 경우 이를 연결하기 위한 것으로 이 소음기가 삽입손실에 미치는 영향을 검토하였다.
여기에서 사용한 소음기는 단순팽창형 소음기, 원뿔형 소음기, 원뿔형과 단순팽창형 소음기를 연결한 조합형, 다공형 소음기이다. 실험은 단기통 2행정 공냉식 가솔린 기관과 단기통 4행정 수냉식 디젤기관의 배기계에 소음기를 부착하여 삽입손실을 측정하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
12는 다공형 소음기에서 출구관의 길이를 70, 110, 360mm로 하였을 때 측정한 삽입손실과 해석치를 비교한 결과이다. 여기서 다공형 소음기의 삽입손 실을 해석할 때 다공관의 분할 수가 삽입손실 해석 결과에 영향을 미치지 않도록 10mm간격으로 하 였다. 이 그림을 검 토하여 보면 2,200Hz이하의 주 파수 영역에서는 측정치와 해석치가 비교적 일치 하나 주파수가 높아질수록 고차모드의 영향으로 차이가 있다.
l에서와 같이 기관, 배기관, 소음기, 그리고 출구관으로 모델링할 수 있다. 여기서 소음기는 구조에 따라 요소 2에서 n-1까지로, 음원은 요소 n+1로, 배기관은 요소 n으로, 출구관은 요소 1로 모델링 하였다. 소음기의 음향계를 전기 계의 둥가회로로 표현하면 Fig.
10은 원뿔형과 단순팽 창형 을 결합한 소음기를 기관의 배기계에 부착하고 측정한 삽입손실과 해석결과이다. 여기서 이 소음기의 삽입손실은 앞 장에서 검토한 원뿔형과 단순 팽창형 소음기의 4 단자 정수를 이용하여 해석하였다. 이 그림을 검토하여 보면 일반적으로 단순팽창형 소음기는 고차 모드의 영향으로 한계주파수 이상의 주파수 영역에서는 삽입손실이 크게 감소하지만 결합형 소음 기는 원뿔형 소음기의 영향으로 고주파수 영역에 서도 삽입손실의 별로 감소하지 않는 특성을 보인 다.
원뿔형 소음기의 삽입손실 해석은 소음기를 분 할하는 요소의 수에 따라 삽입 손실에 차이 가 있으 므로 요소의 분할 수가 삽입손실에 영향을 미치지 않도록 요소의 길이를 0.5mm로 하여 계산하였다. 원뿔형 소음기의 삽입손실은 단순팽창형 소음기와 마찬가지로 소음기의 길이가 증가할수록 공명 주파수는 낮아지지 만 삽입손실의 크기에는 거의 영향이 없다.
소음계의 마이크로폰 위치는 소음기 유무에 관계없이 배기관 끝단에서 45°방향, 300mm에 위치하도록 하였다. 음압의 측정주파수의 범위는 5kHz로 하였으며, 소음계와 FFT분석기(Onosokki사 CF—360)는 RS-232C로 연결하여 데이터를 전송하였다.
이 소음기의 삽입손실을 원뿔형 소음기와 같은 방법으로 측정하고 해석치와 비교 검토하였다. 본 실험에 사용한 기관은 단기통 4행정 수냉식 디젤 기관으로 최대회전수와 출력은 각각 2,000rpm, 8bhp이며 실험에 사용한 조합형 소음기의 치수는 Tablel의 EM1과 같고 기관회전수는 l,500rpm으 로 일정하게 운전하였다.

대상 데이터

단순팽창형 소음기를 기관 배기계에 부착하여 삽입손실을 측정하고 예측치와 비교 검토하였다. 본 실험에 사용한 기관은 단기통 2행정 공냉식 가솔린 기관으로 최대회전수와 출력은 각각 6,500rpm, 2bhp이다. 실험에 사용한 단순팽창형 소음기의 치수는 Tablel의 EM2와 같으며 기관회전수는 3,000rpm으로 일정하게 운전하였다.
단순팽창형 소음기를 기관 배기계에 부착하여 삽입손실을 측정하고 예측치와 비교 검토하였다. 본 실험에 사용한 기관은 단기통 2행정 공냉식 가솔린 기관으로 최대회전수와 출력은 각각 6,500rpm, 2bhp이다. 실험에 사용한 단순팽창형 소음기의 치수는 Tablel의 EM2와 같으며 기관회전수는 3,000rpm으로 일정하게 운전하였다.
이 소음기의 삽입손실을 원뿔형 소음기와 같은 방법으로 측정하고 해석치와 비교 검토하였다. 본 실험에 사용한 기관은 단기통 4행정 수냉식 디젤 기관으로 최대회전수와 출력은 각각 2,000rpm, 8bhp이며 실험에 사용한 조합형 소음기의 치수는 Tablel의 EM1과 같고 기관회전수는 l,500rpm으 로 일정하게 운전하였다.
기관에 원뿔형 소음기를 부착하여 삽입손실을 측정하고 해석치와 비교 검토하였다. 본 실험에 사용한 기관은 단기통 4행정 수냉식 디젤 기관으로 최대회전수와 출력은 각각 2,000rpm, 8bhp이며, 실험은 단순팽창형 소음기와 같은 방법으로 하였다. 실험에 사용한 원뿔형 소음기의 치수는 Tablel의 CM1과 같으며 기관회전수는 l,500rpm 으로 일정하게 운전하였다.
본 실험 에 사용한 기관은 단기통 2행정 공냉식 가솔린 기관으로 최대회전수와 출력은 각각 6,500rpm, 2bhp이다. 실험에 사용한 다공형 소음 기의 치수는 Table12] PM1과 같으며 기관회전수는 3,000rpm으로 일정하게 운전하였다. Fig.
본 실험에 사용한 기관은 단기통 2행정 공냉식 가솔린 기관으로 최대회전수와 출력은 각각 6,500rpm, 2bhp이다. 실험에 사용한 단순팽창형 소음기의 치수는 Tablel의 EM2와 같으며 기관회전수는 3,000rpm으로 일정하게 운전하였다.
본 실험에 사용한 기관은 단기통 4행정 수냉식 디젤 기관으로 최대회전수와 출력은 각각 2,000rpm, 8bhp이며, 실험은 단순팽창형 소음기와 같은 방법으로 하였다. 실험에 사용한 원뿔형 소음기의 치수는 Tablel의 CM1과 같으며 기관회전수는 l,500rpm 으로 일정하게 운전하였다.
결과를 비교하였다. 여기에서 사용한 소음기는 단순팽창형 소음기, 원뿔형 소음기, 원뿔형과 단순팽창형 소음기를 연결한 조합형, 다공형 소음기이다. 실험은 단기통 2행정 공냉식 가솔린 기관과 단기통 4행정 수냉식 디젤기관의 배기계에 소음기를 부착하여 삽입손실을 측정하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.

데이터처리

소음기 형상에 따른 감음특성을 파악하기 위해여러 가지 소음기를 사용하여 실험결과와 이론계산 결과를 비교하였다. 여기에서 사용한 소음기는 단순팽창형 소음기, 원뿔형 소음기, 원뿔형과 단순팽창형 소음기를 연결한 조합형, 다공형 소음기이다.

이론/모형

다공형 소음기는 Sullivan의 연구 결과를 이용하여 4단자 정수⁽⁸⁾를 구하고 전달매트릭스법으로 해석하였다. 다공관 구멍에서의 임피던스는 Rao와 Munjal⁽⁶⁾의 연구결과를 적용하여 해석하였다. 또한 소음기의 삽입손실 해석시 평면파 이론이 적용 가능한 주파수 영역과 소음기 출구관 길이가 토출음에 미치는 영 향도 함께 고찰하였다.
여기서 원뿔형 소음기는 기관 배기관과 소음기 입구관의 직경이 다른 경우 이를 연결하기 위한 것으로 이 소음기가 삽입손실에 미치는 영향을 검토하였다. 다공형 소음기는 Sullivan의 연구 결과를 이용하여 4단자 정수⁽⁸⁾를 구하고 전달매트릭스법으로 해석하였다. 다공관 구멍에서의 임피던스는 Rao와 Munjal⁽⁶⁾의 연구결과를 적용하여 해석하였다.
실험장치 의 개 략도는 Fig.3과 같으며, 음압 측정은 Onosokki 사의 정밀소음계계 (LA—500)를 사용하였다. 소음계의 마이크로폰 위치는 소음기 유무에 관계없이 배기관 끝단에서 45°방향, 300mm에 위치하도록 하였다.

성능/효과

(1) 단순팽창형 소음기는 이론계산과 실험 결과가 저주파수 영역에서는 잘 일치하나 고주파수 영역에서 많은 차이가 있다. 이는 고차 모드의 영향으로 판단된다.
(2) 원뿔형과 단순팽창형 소음기를 결합한 소음기는 원뿔형 소음기의 영향으로 고주파수 영역에서도 삽입손실이 별로 감소하지 않는 특성을 보이며, 삽입손실도 단순 팽창형 소음기 보다 증가하는 결과를 주고 있다.
(3) 다공형 소음기 에서 삽입 손실에 크게 영 향을 미치는 인자는 다공율과 L_a, L_b0이며 이들을 적절하게 선정하면 효율적인 소음기를 설계할 수 있다.
(5) 소음기 출구관의 길이가 토출음에 영향을 미치며, 출구관의 길이가 증가하면 음압레벨이 감소하다가 어느 이상 길어지면 다시 증가하는 특성을 보인다. 또한 단순 팽 창형 소음기가 다공형 소음기보다는 출구관의 길이에 의한 영 향이 크다.

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