[논문]부분기여도함수를 이용한 증발기의 소음원 분석

최기수; 정의봉; 한형석; 김민성

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.4.347

부분기여도함수를 이용한 증발기의 소음원 분석
Noise-source Identification of Evaporator Using Partial Coherence Function 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.19 no.4 = no.145, 2009년, pp.347 - 354

최기수 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 정의봉 (부산대학교 기계공학부) , 한형석 (국방기술품질원) , 김민성 (부산대학교 대학원 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Frequency analysis is one of the most useful way to analyze response signal for the purpose of grasping the dynamic characteristics of system through Fourier transformation. Although it is very effective way for frequency analysis, it is hard to analyze out a specific sound or vibration component which is correlated with others. In this thesis, source contribution analysis tool for NI-PXI equipment is developed with LabVIEW using coherences of MISO(multiple-input single-output) model. For the purpose of examining propriety of developed tool, simulation is performed with several correlated signals that have different frequency range. After checking the OCF(ordinary coherence function) and PCF(partial coherence function) of the each signal for concerned frequency domain, an experiment is conducted on an evaporator that cause the principal noise of a refrigerator. This developed tool will be expected to build up more convenient and serviceable measurement system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 논문에서는 부분기여도함수의 이론을 바탕으로 LabVIEW를 이용하여 소음원 기여도 분석을 위한 툴을 개발한다. 그리고 이를 이용하여 시뮬레이션 및 여러 소음원을 가지는 냉장고를 대상으로 실제 실험을 통해 소음원을 규명함으로써 개발한 툴의 신뢰성과 적용가능성을 검토하고자 한다.
실제 실험에 앞서 제작한 툴의 신뢰성을 검증하기 위하여 여러 형태의 신호가 섞여 있는 MISO 모델에 대해 각 입력원의 신호를 검출할 수 있는지에 대해 알아보았다. 먼저 각 주파수 영역에서의 입력 신호의 영향을 알아보기 위해 시드(seed)를 달리하여 서로 상관관계가 존재하지 않고 균일한 가우스 분포를 가지는 백색 잡음을 1초 동안 세 개의 채널에서 발생시켰다.
이 논문에서는 LabVIEW를 기반으로 부분기여도 함수를 이용하여 입력원들이 출력에 미치는 기여도를 분석할 수 있는 툴을 개발하였다. 그리고 백색잡음, chirp, 충격신호 등 여러 신호를 입력원으로 하는 시뮬레이션을 통해 제작한 툴의 신뢰성을 검증하였다.
이 논문에서는 부분기여도함수의 이론을 바탕으로 LabVIEW를 이용하여 소음원 기여도 분석을 위한 툴을 개발한다. 그리고 이를 이용하여 시뮬레이션 및 여러 소음원을 가지는 냉장고를 대상으로 실제 실험을 통해 소음원을 규명함으로써 개발한 툴의 신뢰성과 적용가능성을 검토하고자 한다.

가설 설정

사이의 상호 스펙트럼 밀도를 나타낸다. 잡음 G_nn(f)은 입력신호의 영향을 받지 않고 출력신호에 직접 더해진다고 가정한다. 신호 사이에 존재하는 상관성분을 제거하면 Fig.

제안 방법

x₁(t)은 200~1,000 Hz의 주파수가 선형적으로 점점 증가하는 chirp 신호이고 x₂(t)는 충격해머를 이용하여 생성한 과도신호이다. x₃(t)는 고역통과 필터를 이용하여 1,400 Hz 이하의 성분이 제거된 백색 잡음이며 출력 y(t)에는 입력신호 외에 각 입력원과 독립적인 잡음을 추가하여 앞의 경우와 마찬가지로 각 스펙트럼에 대해 averaging을 1,000번 수행하여 해석하였다. Fig.
이렇게 수집한 데이터는 분석하기 전 임시적으로 버퍼에 쌓아 overlapping시켜 실시간 푸리에 변환을 하여 자기 스펙트럼(autospectrum)과 상호 스펙트럼(cross spectrum)을 구할 수 있다. 계측한 신호에 불가피하게 포함되는 잡음의 영향을 줄여 SN(signal to noise)비를 높이기 위하여 averaging 처리를 하였으며 일반기여도함수(OCF)와 부분기여도 함수(PCF)를 계산할 수 있도록 툴을 개발하였다. 분석한 결과는 채널 수에 따라 화면에 도시화되며 사용자가 원하는 형식으로 변형하여 데이터를 저장할 수 있다.
관심 대상물에서 발생하는 소음, 진동은 대개 마이크로폰과 가속도센서 등을 이용해 측정한다. 이 때 각 센서에 전해지는 값은 우리가 원하는 신호 외에도 다른 곳에서 발생하여 중첩된 신호나 잡음, 기타 환경소음 등이 섞이게 되는데 이를 고려한 출력단에서의 스펙트럼은 식 (1)과 같다.
이 논문에서는 LabVIEW를 기반으로 부분기여도 함수를 이용하여 입력원들이 출력에 미치는 기여도를 분석할 수 있는 툴을 개발하였다. 그리고 백색잡음, chirp, 충격신호 등 여러 신호를 입력원으로 하는 시뮬레이션을 통해 제작한 툴의 신뢰성을 검증하였다. 또한 냉장고의 증발기를 대상으로 실험을 수행하여 증발기 입구의 수평류, 수직류 그리고 증발기 출구의 수직류가 냉장고의 소음에 미치는 기여도를 분석하였다.
프로그램을 실행하면 시간 데이터를 수집하기 전 사용하고자 하는 n 개의 채널에 대한 설정이 이루어지는데, 이곳에서는 실험에 사용되는 각종 센서의 타입과 민감도, 단위체계 등을 정의한다. 그리고 실제 실험에서 계측되는 신호의 누설오차⁽⁶⁾를 저감시키기 위하여 hanning을 비롯하여 Kaiser-Bessel, flat-top 등의 윈도우 함수를 적용할 수 있도록 하였다. 수집할 신호의 주파수 대역과 연동하여 Nyquist 주파수를 기준으로 필터가 설정된다.
다음으로 입력간 약간의 상관관계가 존재하는 여러 형태의 신호가 섞여 있고 외부 노이즈의 영향을 받는 시스템에서 원하는 성분을 추출할 수 있는지에 대해 테스트를 해보았다. x₁(t)은 200~1,000 Hz의 주파수가 선형적으로 점점 증가하는 chirp 신호이고 x₂(t)는 충격해머를 이용하여 생성한 과도신호이다.
그리고 백색잡음, chirp, 충격신호 등 여러 신호를 입력원으로 하는 시뮬레이션을 통해 제작한 툴의 신뢰성을 검증하였다. 또한 냉장고의 증발기를 대상으로 실험을 수행하여 증발기 입구의 수평류, 수직류 그리고 증발기 출구의 수직류가 냉장고의 소음에 미치는 기여도를 분석하였다. 이로부터 입구의 수평류는 5,000 Hz 이상에서, 수직류는 5,000 Hz 이하의 영역과 6,000 Hz 부근에서, 그리고 출구의 수직류는 3,000 Hz 근처에서 지배적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
실제 실험에 앞서 제작한 툴의 신뢰성을 검증하기 위하여 여러 형태의 신호가 섞여 있는 MISO 모델에 대해 각 입력원의 신호를 검출할 수 있는지에 대해 알아보았다. 먼저 각 주파수 영역에서의 입력 신호의 영향을 알아보기 위해 시드(seed)를 달리하여 서로 상관관계가 존재하지 않고 균일한 가우스 분포를 가지는 백색 잡음을 1초 동안 세 개의 채널에서 발생시켰다. 그리고 대역통과 필터를 이용하여 x₁(t)이 0~1,000 Hz, x₂(t)가 300~1,300Hz, 그리고 x₃(t)가 600~1,600Hz의 서로 다른 주파수 영역을 가지도록 하였다.
상관관계가 존재하는 특정 입력원의 규명을 위해 다음과 같이 LabVIEW를 이용하여 소음원 기여도 분석 툴을 개발하였다. Fig.
앞의 시뮬레이션 과정과 결과를 토대로 실제 냉장고의 증발기를 대상으로 3입력/단일출력 모델로 구성하여 실험을 수행하였다. 일반적으로 증발기에서는 냉매가 액체와 기체의 2가지 상태(tow phase flow)가 동시에 흐르기 때문에 가동 후 냉매가 끓기 시작하면서 이상소음이 발생하여 다른 부분보다 소음과 진동이 더 심한 편이다.
10과 같이 실험 장치를 구성하였다. 증발기에서 냉매가 2상으로 존재하는 입구단에서 수평방향 배관의 가속도신호를 x₁(t), 수직방향 배관의 가속도신호를 x₂(t)로 지정하고, 열교환기를 거쳐 냉매가 빠져나가는 출구단의 가속도신호를 x₃(t)로 하여 각 부분에서 발생하는 진동을 가속도센서로 측정하였다. 그리고 냉장고 내부 증발기 근처의 음압을 출력 y(t)로 하여 마이크로폰으로 측정하였다.
6은 개발한 툴에서 수집한 전체 데이터의 흐름도로 볼 수 있다. 프로그램을 실행하면 시간 데이터를 수집하기 전 사용하고자 하는 n 개의 채널에 대한 설정이 이루어지는데, 이곳에서는 실험에 사용되는 각종 센서의 타입과 민감도, 단위체계 등을 정의한다. 그리고 실제 실험에서 계측되는 신호의 누설오차⁽⁶⁾를 저감시키기 위하여 hanning을 비롯하여 Kaiser-Bessel, flat-top 등의 윈도우 함수를 적용할 수 있도록 하였다.

성능/효과

이로부터 입구의 수평류는 5,000 Hz 이상에서, 수직류는 5,000 Hz 이하의 영역과 6,000 Hz 부근에서, 그리고 출구의 수직류는 3,000 Hz 근처에서 지배적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그리고 냉장고 내부 전체소음 중 증발기가 기여하는 비중은 약 60% 정도로 판단되었다.
또한 냉장고의 증발기를 대상으로 실험을 수행하여 증발기 입구의 수평류, 수직류 그리고 증발기 출구의 수직류가 냉장고의 소음에 미치는 기여도를 분석하였다. 이로부터 입구의 수평류는 5,000 Hz 이상에서, 수직류는 5,000 Hz 이하의 영역과 6,000 Hz 부근에서, 그리고 출구의 수직류는 3,000 Hz 근처에서 지배적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그리고 냉장고 내부 전체소음 중 증발기가 기여하는 비중은 약 60% 정도로 판단되었다.
이상의 시뮬레이션을 통해 개발된 툴의 타당성을 확인하였고 각 입력원의 물리적 특성이 출력에 미치는 정도를 파악할 수 있었다.
한편 x₃(t)에서는 저주파 영역 및 3,000 Hz 근처에서 기여도가 큰 것으로 보아 열교환기를 거쳐 냉매가 밖으로 빠져나가면서 발생하는 진동이 이전과 달라지는 것을 확인할 수 있다. 이상의 실험을 통해 증발기 내에서 냉매가 흐를 때 각각의 상태에 따라 배관의 부분별로 발생하는 소음 및 진동의 영향이 조금씩 다름을 알 수 있다.

후속연구

향후 증발기 외에 냉장고 내부소음에 미치는 설계인자들을 보다 상세히 도출하여 개발된 툴로 기여도분석을 하면 냉장고 내부 소음원을 정확히 규명할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상관성분이 있는 여러 신호들 사이에서 특정 성분을 검출하거나 각 소음/진동원이 전체에 대해 차지하는 비중을 알고자 할 때, 어떤 방법을 사용해야 하는가?	독립적인 신호의 경우 기존의 주파수응답함수(FRF)법을 적용하여 스펙트럼을 통한 주파수 분석이 가능하나, 상관성분이 있는 여러 신호들 사이에서 특정 성분을 검출하거나 각 소음/진동원이 전체에 대해 차지하는 비중을 알고자 할 때에는 제약이 따른다. 이런 경우에는 입력원과 출력 사이의 상관관계를 고려하여 각각의 영향을 분석하는 부분기여도함수를 이용해야 효과적이다. 이와 관련하여 Shu(1)는 기여도함수를 이용하여 디젤엔진의 소음원을 규명하였고, Sim(2)은 다차원 스펙트럼 해석법을 적용하여 비정상 소음/진동 신호의 소음원을 추출하였으며, Kim(3)은 다차원 스펙트럼 해석법으로 탈수 시 드럼세탁기의 소음 기여도를 분석하였다.
	독립적인 신호는 무엇을 통해 분석이 가능한가?	이러한 소음/진동은 제품의 어느 한 부분에서 독자적으로 발생하는 것이 아니라 대부분 서로 결합된 형태로 존재하고 있어서 특정 소음원의 영향을 분석하거나 파악하고자 할 때는 구조물에 대한 실험 및 해석이 더욱 까다롭고 복잡해진다. 독립적인 신호의 경우 기존의 주파수응답함수(FRF)법을 적용하여 스펙트럼을 통한 주파수 분석이 가능하나, 상관성분이 있는 여러 신호들 사이에서 특정 성분을 검출하거나 각 소음/진동원이 전체에 대해 차지하는 비중을 알고자 할 때에는 제약이 따른다. 이런 경우에는 입력원과 출력 사이의 상관관계를 고려하여 각각의 영향을 분석하는 부분기여도함수를 이용해야 효과적이다.
	본 연구에서 냉장고의 증발기를 대상으로 실험을 수행하여 증발기 입구의 수평류, 수직류 그리고 증발기 출구의 수직류가 냉장고의 소음에 미치는 기여도를 분석한 결과는?	또한 냉장고의 증발기를 대상으로 실험을 수행하여 증발기 입구의 수평류, 수직류 그리고 증발기 출구의 수직류가 냉장고의 소음에 미치는 기여도를 분석하였다. 이로부터 입구의 수평류는 5,000 Hz 이상에서, 수직류는 5,000 Hz 이하의 영역과 6,000 Hz 부근에서, 그리고 출구의 수직류는 3,000 Hz 근처에서 지배적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그리고 냉장고 내부 전체소음 중 증발기가 기여하는 비중은 약 60% 정도로 판단되었다.

참고문헌 (6)

Shu, G. and Liang, X., 2007, 'Identification of Complex Diesel Engine Noise Sources Based on Coherent Power Spectrum Analysis,' Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 21, Issue 1, pp. 405-416

상세보기
Sim, H. J. and Oh, J. E., 2006, 'Source Identification of Non-stationary Sound/Vibration Signals Using Multi-dimensional Spectral Analysis Method,' Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 30, No. 9, pp. 1154-1159

원문보기 상세보기
Kim, H. S. and Oh, J. E., 2007, 'The Analysis of Noise Contribution about Drum Washer under Dehydrating Condition Using Multi-dimensional Spectral Analysis,' Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 17, No. 11, pp. 1056-1063

원문보기 상세보기
Bendat, J. S. and Piersol, A. G., 1993, 'Engineering Application of Correlation and Spectral Analysis,' 2nd Ed., John Wiley& Sons, Inc
Bendat, J. S. and Piersol, A. G., 2000, 'Random Data : Analysis and Measurement Procedures,' 3rd Ed., John Wiley&Sons, Inc
Maia, N. M. M., 1998, 'Theoretical & Experimental Modal Analysis, Research Studies Press LTD.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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