[논문]공명기 배열을 이용한 중속 디젤엔진 배기 소음기의 저주파수 대역 성능 개선 연구

김영현; 주원호; 배종국

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.7.693

문제 정의

그리고, 엔진의 배 기단에 설치되는 소음기의 특수성, 즉 유동 효과를 고려하기 위해서 홴을 이용한 시험 장치를 구성하 여 실제 덕트 내부에 빠른 속도의 유동을 불어넣으 면서 다양한 소음기 성능 시험을 수행하였다. 또한 저주파수 대역의 효과적인 소음 제어를 위해 서로 다른 지름의 공명기를 원주 방향과 덕트 길이 방향 으로 적절히 조합한 공명기 배열을 통하여 디젤 엔 진 소음기의 저주파수 대역 소음 저감 성능을 향상 시키는 연구를 진행하였다.
이 연구에서는 공명기가 지닌 좁은 제어 주파수 영역의 단점을 극복하면서 효과적으로 저주파수 대역을 포함하여 전 영역에서 소음을 저감할 수 있는 디젤 엔진 소음기를 설계하였다. 그리고, 엔진의 배 기단에 설치되는 소음기의 특수성, 즉 유동 효과를 고려하기 위해서 홴을 이용한 시험 장치를 구성하 여 실제 덕트 내부에 빠른 속도의 유동을 불어넣으 면서 다양한 소음기 성능 시험을 수행하였다.
이 연구에서는 중속 디젤 엔진 소음기의 저주파 수 대역 성능 향상을 위해서 유동을 고려한 소음기 의 삽입 손실을 계측할 수 있는 소음기 시험 장치 를 구성하고, 유동 효과 및 공명기 배열을 통한 저 주파수 소음 제어 등 일련의 소음 시험을 수행하였 다. 이를 통해 저주파수 대역인 디젤 엔진 폭발 차수 성분을 효과적으로 제어할 수 있는 방안으로 가 상구획으로 구분되는 공명기 배열을 갖는 공명형 소음기와 흡음형 소음기를 결합시킨 조합형 소음기 를 제안하였으며, 이는 향후 디젤 엔진의 저소음화에 크게 기여할 것으로 판단된다.
개선 소음기의 형상을 살펴보면, 소음기 전반부는 저주파수 대역의 소음 저감 성능 향상을 위하여 공 명기 배열을 배치하였고, 후반부는 일반적인 흡음형 소음기의 구조에 흡음 코어를 중앙에 설치한 것이다. 흡음 코어는 전반부의 공명기 배열에 의해 손실될 수 있는 흡음 성능을 보완하고자 시도하였다. 특히 공명기 배열에 있어서 다양한 지름의 공명기를 원주 방향과 길이방향으로 배치하여 비교적 넓은 주파수 대역에서 소음 저감 성능이 발휘할 수 있도록 설계 하였다.

제안 방법

9에 나타난 개선된 조합형 소음기에 대하여 삽입 손실 계측을 통한 성능 평가가 수행되었다. 3 장과 동일한 방법으로 삽입손실 계측을 수행하였고, 결과는 Fig. 10과 같다.
개선된 조합형 소음기의 삽입 손실이 감소한 주 원인을 분석한 결과, Fig. 10에서 확인할 수 있듯이 63 Hz 및 160 Hz 대역 삽입 손실의 감소에서 기인 한 것으로 분석되었고, 이는 빠른 유동으로 인해 덕 트 내부의 흡음 코어에서 발생한 유동 소음이 그 원인으로 판단되어 흡음 코어를 절단하여 제거한 후 동일한 시험을 수행하였다. 이때 삽입 손실 계측결과는 Fig.
공명기 배열의 변경에 따른 소음저감 성능의 변화 양상을 파악하기 위해 Table 2와 같이 공명기 배열의 개수를 변경하여 제어주파수를 변경시킨 경우에 대하여 삽입 손실을 계측하였다.
구동 홴을 인버터와 연결시켜서 홴의 회전수를 변 경시킬 수 있도록 시험 장치를 구성하여 다양한 유속 상태에서 소음기의 특성 파악이 가능하도록 하였다.
이 연구에서는 공명기가 지닌 좁은 제어 주파수 영역의 단점을 극복하면서 효과적으로 저주파수 대역을 포함하여 전 영역에서 소음을 저감할 수 있는 디젤 엔진 소음기를 설계하였다. 그리고, 엔진의 배 기단에 설치되는 소음기의 특수성, 즉 유동 효과를 고려하기 위해서 홴을 이용한 시험 장치를 구성하 여 실제 덕트 내부에 빠른 속도의 유동을 불어넣으 면서 다양한 소음기 성능 시험을 수행하였다. 또한 저주파수 대역의 효과적인 소음 제어를 위해 서로 다른 지름의 공명기를 원주 방향과 덕트 길이 방향 으로 적절히 조합한 공명기 배열을 통하여 디젤 엔 진 소음기의 저주파수 대역 소음 저감 성능을 향상 시키는 연구를 진행하였다.
이를 통 하여 유동의 효과가 배제된 소음기의 성능을 파악하 는 한편, 유동의 효과를 파악하기 위해서 인버터 구 동 홴을 작동시켜 같은 방법으로 삽입 손실을 계측 하였다. 또한 보다 면밀히 유동의 효과를 고찰하기 위해서 구동 홴의 주파수 변경에 따라 유속을 조절 하면서 시험을 수행하였다. 최종적으로 구성된 시험 장치의 외관은 Fig.
소음기의 개선을 위하여 실현 가능한 방안에 대 해서 이론적, 실험적으로 검토해 본 결과 최종적으 로 공명기 배열을 이용하여 저주파수 대역의 소음 저감 성능을 향상시키는 것이 가장 효과적임을 확 인하였고, 이에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 공명 기 배열의 효과를 파악하기 위해서 Table 1과 같은 공명기 배열을 갖는 소음기를 제작하였다.
시험장치는 공기 음 가진을 위한 스피커, 유동 발생을 위한 구동 홴, 소음기 및 덕트로 구성되며 총 4지점에서 음압을 계측할 수 있도록 하였다.
소음기 성능 파악을 위한 소음 계측은 다음과 같 은 과정으로 이루어졌다. 우선 소음기의 성능을 파악 하기 위하여 스피커로 공기음을 가진하고, 각 위치의 음압을 소음기 설치 전 ‧ 후에 대하여 각각 계측하고 삽입 손실(insertion loss, IL)을 계산하였다(2). 이를 통 하여 유동의 효과가 배제된 소음기의 성능을 파악하 는 한편, 유동의 효과를 파악하기 위해서 인버터 구 동 홴을 작동시켜 같은 방법으로 삽입 손실을 계측 하였다.
우선 소음기의 성능을 파악 하기 위하여 스피커로 공기음을 가진하고, 각 위치의 음압을 소음기 설치 전 ‧ 후에 대하여 각각 계측하고 삽입 손실(insertion loss, IL)을 계산하였다(2). 이를 통 하여 유동의 효과가 배제된 소음기의 성능을 파악하 는 한편, 유동의 효과를 파악하기 위해서 인버터 구 동 홴을 작동시켜 같은 방법으로 삽입 손실을 계측 하였다. 또한 보다 면밀히 유동의 효과를 고찰하기 위해서 구동 홴의 주파수 변경에 따라 유속을 조절 하면서 시험을 수행하였다.
저자가 근무하고 있는 회사에서 현재 사용되고 있는 디젤 엔진 소음기에 대하여 삽입 손실을 계측 하여 소음 저감 성능을 평가하였다. 소음기는 일반 적인 흡음형 소음기로서 길이 약 3.
제작된 소음기의 모습은 Fig. 5와 같으며, 소음기의 소음 저 감 성능을 파악하기 위하여 스피커와 유동 시험을 통하여 삽입 손실을 계측하였다. Fig.
흡음 코어는 전반부의 공명기 배열에 의해 손실될 수 있는 흡음 성능을 보완하고자 시도하였다. 특히 공명기 배열에 있어서 다양한 지름의 공명기를 원주 방향과 길이방향으로 배치하여 비교적 넓은 주파수 대역에서 소음 저감 성능이 발휘할 수 있도록 설계 하였다.

대상 데이터

저자가 근무하고 있는 회사에서 현재 사용되고 있는 디젤 엔진 소음기에 대하여 삽입 손실을 계측 하여 소음 저감 성능을 평가하였다. 소음기는 일반 적인 흡음형 소음기로서 길이 약 3.4 m, 직경 0.7 m 인 원형이다. Fig.

성능/효과

결과를 살펴보면, 스피커로 가진 한 경우 315 Hz 에서 약 25 dB의 소음 저감 성능을 보이며, 유동 존 재 시 약 15 dB의 삽입 손실 값을 지니는 것을 확인 할 수 있다. 이론에 의해 계산한 공명기 배열 부분의 투과 손실 해석 결과와도 비교적 유사한 경향을 확 인하였다.
결과를 살펴보면, 홀의 지름이 변경됨에 따라서 제어주파수가 300 Hz에서 290 Hz로 변경됨을 확인 할 수 있다.
공명기의 배열을 길이방향으로 분포시켜 제어주파 수가 250~300 Hz 대역으로 증가함에 따라서 삽입 손 실이 해당 주파수 영역에서 약 10 dB 증가한 것을 확인할 수 있으며, 제어 주파수의 밴드폭도 상당히 넓게 분포하고 있음을 확인할 수 있다. 이를 통하여 공명기 배열을 덕트 길이방향으로 분포시킬 경우, 일 반적인 공명기가 지닌 좁은 제어 주파수의 문제점을 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
구동 홴의 경우, 디젤 엔 진의 배기가스에 의한 유동 효과를 반영하기 위해 서 최대 40 m/s의 유동이 발생할 수 있도록 시험장 치를 구성하였다. 또한 홴 앞 단에 코어 소음기를 장착하여서 홴 소음에 의한 잡음을 최소화하여 시험의 정확성을 높였다.
스피커 시험 결과를 살펴보면, 흡음형 소음기의 특성인 고주파수 영역에서 소음 감소 효과가 우수 한 것을 확인할 수 있다. 삽입 손실 값은 500 Hz 이상의 주파수 대역에서 높은 값을 보이며 상대적 으로 100 Hz 이하의 저주파수 대역에서는 약 6 dB 정도로 낮은 값을 보인다.
삽입 손실 계측 결과, 유동 소음 없이 스피커로 가진한 경우 약 27 dB, 유동 소음 가진 시 19 dB로 유동에 의해 약 8 dB의 삽입 손실 차를 확인하였다.
삽입 손실 계측 결과, 전체 삽입 손실은 약 11 dB 로 오히려 기존 소음기 12 dB와 비교 시 성능이 오히려 나쁘게 평가되었다. 이에 대한 원인을 파악하여 개선하기 위하여 다음과 같이 흡음 코어의 제거 에 대한 추가 시험을 수행하였다.
소음기의 개선을 위하여 실현 가능한 방안에 대 해서 이론적, 실험적으로 검토해 본 결과 최종적으 로 공명기 배열을 이용하여 저주파수 대역의 소음 저감 성능을 향상시키는 것이 가장 효과적임을 확 인하였고, 이에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 공명 기 배열의 효과를 파악하기 위해서 Table 1과 같은 공명기 배열을 갖는 소음기를 제작하였다.
스피커 시험 결과를 살펴보면, 흡음형 소음기의 특성인 고주파수 영역에서 소음 감소 효과가 우수 한 것을 확인할 수 있다. 삽입 손실 값은 500 Hz 이상의 주파수 대역에서 높은 값을 보이며 상대적 으로 100 Hz 이하의 저주파수 대역에서는 약 6 dB 정도로 낮은 값을 보인다.
이로서 흡음 코어의 경우, 유동이 존재 하는 덕트에 설치되는 경우 오히려 유동 소음의 추 가 발생으로 소음 저감 성능이 감소할 수 있다는 사실을 확인하였다. 유동을 고려한 흡음 코어 제거 시 삽입 손실 계측 결과는 15 dB로 흡음 코어 존재 시의 11 dB보다 약 4 dB 소음 성능 향상을 나타낸 다. 최종적으로 흡음 코어를 제거한 개선된 조합형 소음기에 의해 저주파수 대역에서 기존 소음기 보 다 약 5~10 dB의 성능 향상을 확인할 수 있었다.
따라서 공명기들 구획을 구분하는 격벽이 없는 경우에도 구획이 있는 것과 유사할 것이라는 가상 구획 개념이 타당하다는 것을 알 수 있다. 이로서 공명기 배열을 이용하면 특정 저주파수 대역을 포함하여 비교적 넓은 제어 주파수에 걸쳐 서 소음을 저감할 수 있음을 확인하였다.
흡음 코어 제거 시 계측된 삽입 손실을 보면, 63 Hz 및 160 Hz 대역 근방의 값이 증가한 것을 확인할 수 있다. 이로서 흡음 코어의 경우, 유동이 존재 하는 덕트에 설치되는 경우 오히려 유동 소음의 추 가 발생으로 소음 저감 성능이 감소할 수 있다는 사실을 확인하였다. 유동을 고려한 흡음 코어 제거 시 삽입 손실 계측 결과는 15 dB로 흡음 코어 존재 시의 11 dB보다 약 4 dB 소음 성능 향상을 나타낸 다.
결과를 살펴보면, 스피커로 가진 한 경우 315 Hz 에서 약 25 dB의 소음 저감 성능을 보이며, 유동 존 재 시 약 15 dB의 삽입 손실 값을 지니는 것을 확인 할 수 있다. 이론에 의해 계산한 공명기 배열 부분의 투과 손실 해석 결과와도 비교적 유사한 경향을 확 인하였다. 따라서 공명기들 구획을 구분하는 격벽이 없는 경우에도 구획이 있는 것과 유사할 것이라는 가상 구획 개념이 타당하다는 것을 알 수 있다.
결과를 살펴보면, 홀의 지름이 변경됨에 따라서 제어주파수가 300 Hz에서 290 Hz로 변경됨을 확인 할 수 있다. 이를 통하여, 공명기의 홀의 지름변경 을 통해서 제어주파수를 자유롭게 변경할 수 있는 가능성을 확인하였다.
이상과 같이 공명기 배열에 대하여 다각도로 검토 해 본 결과 최종적으로 Fig. 9와 같이 가상 구획으로 구분되는 공명기 배열과 흡음형 소음기를 결합시킨 형태의 조합형 소음기(hybrid silencer)를 개선 소음기로 도출하였다.
유동을 고려한 흡음 코어 제거 시 삽입 손실 계측 결과는 15 dB로 흡음 코어 존재 시의 11 dB보다 약 4 dB 소음 성능 향상을 나타낸 다. 최종적으로 흡음 코어를 제거한 개선된 조합형 소음기에 의해 저주파수 대역에서 기존 소음기 보 다 약 5~10 dB의 성능 향상을 확인할 수 있었다.
흡음 코어 제거 시 계측된 삽입 손실을 보면, 63 Hz 및 160 Hz 대역 근방의 값이 증가한 것을 확인할 수 있다. 이로서 흡음 코어의 경우, 유동이 존재 하는 덕트에 설치되는 경우 오히려 유동 소음의 추 가 발생으로 소음 저감 성능이 감소할 수 있다는 사실을 확인하였다.

후속연구

결론적으로 현재 쓰이고 있는 일반적인 흡음형소 음기로는 엔진 폭발 성분과 관련된 저주파수 대역 에서 효과적인 소음 제어가 힘들며, 이에 대한 성능 개선이 절실히 요구된다고 할 수 있다.
이 연구에서는 중속 디젤 엔진 소음기의 저주파 수 대역 성능 향상을 위해서 유동을 고려한 소음기 의 삽입 손실을 계측할 수 있는 소음기 시험 장치 를 구성하고, 유동 효과 및 공명기 배열을 통한 저 주파수 소음 제어 등 일련의 소음 시험을 수행하였 다. 이를 통해 저주파수 대역인 디젤 엔진 폭발 차수 성분을 효과적으로 제어할 수 있는 방안으로 가 상구획으로 구분되는 공명기 배열을 갖는 공명형 소음기와 흡음형 소음기를 결합시킨 조합형 소음기 를 제안하였으며, 이는 향후 디젤 엔진의 저소음화에 크게 기여할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중속(medium speed) 디젤 엔진은 어디에 많이 사용되는가?	중속(medium speed) 디젤 엔진은 선박, 해양구조물 및 육상 발전 설비 등 높은 출력이 요구되는 곳 에 다양한 용도로 많이 사용되고 있다. 특히 선박의 경우 디젤 발전기로서 기관실 내에 탑재되고 있으 며, 선박 연돌(funnel) 상단의 디젤 엔진 배기구에서 방사되는 배기 소음은 선박 소음 측면에서 상당히 중요한 소음원 중 하나로 간주되고 있다.
	저주파수 대역의 소음 제어에 사용되는 공명기의 장단점은 무엇인가?	저주파수 대역의 소음 제어에는 공명기(resonator) 가 효과적인 것으로 알려져 있다. 공명기는 특정 주파수 영역에서는 비교적 효과적인 소음 제어 성능 을 발휘하지만, 그 제어 주파수의 폭이 매우 좁다는 단점을 지니고 있다.
	중속(medium speed) 디젤 엔진이 육상 발전용으로 설치되었을 때 문제점은 무엇인가?	또한, 최근에는 중속 디젤 엔진이 육상 발전용으 로 많이 설치되고 있으며, 주변 주거지역에서의 환 경 소음 문제로 인하여 엔진 배기소음이 큰 문제로 지적되고 있다.

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