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문제 정의
- 본 연구에서는 측정횟수가 제한되어 있는 상태에서 차륜과 궤도의 상호작용에 의해 방사되는 소음과 윤축으로 전달되는 진동의 시간 혹은 속도에 의한 각각의 주파수 특성과 상관관계 분석의 가능성을 알아보았다. 이를 위해 고속철도차량 윤축에 마이크로폰과 가속도계를 부착하고 주행 중에 소음과 진동신호를 수집하였다.
- 이 결과로부터 측정횟수가 제한되어도 소음과 진동의 동적 특성 분석뿐만 아니라 이들의 상관관계 분석도 가능함을 나타내었다. 이를 통해 향후에 진행될 윤축의 소음과 진동을 이용한 궤도상태 감시의 기초를 마련하고자 한다.
- 본 연구에서는 윤죽에서의 소음과 진동을 불규칙 신호처리와 시간-주파수 분석을 이용하여 동적인 특성을 알아보았다. 이를 위해 마이크로폰을 차륜 앞에, 좌우 및 상하 방향 가속도계를 축상에 설치하고 각 신호들은 차량 데이터수집시스템에 저장하였다.
제안 방법
- 이를 위해 고속철도차량 윤축에 마이크로폰과 가속도계를 부착하고 주행 중에 소음과 진동신호를 수집하였다. 수집한 소음과 진동데이터들은 시간-주파수 특성 및 상관관계를 알기 위하여 불규칙 신호처리와 시간-주파수 분석을 같이 이용하였다. 이 결과로부터 측정횟수가 제한되어도 소음과 진동의 동적 특성 분석뿐만 아니라 이들의 상관관계 분석도 가능함을 나타내었다.
- 비정상 불규칙 신호처리에는 단시간 푸리에 변환, 위그너- 빌 분포(Wigner-Ville distribution), 웨이브렛 변환(wavelet transform) 등이 많이 사용되고 있는데, 본 연구에서는 빠른 연산속도와 일정한 주파수 해상도를 얻기 위해 단시간 푸리에 변환을 이용하였다. 이 방법은 짧은 시간동안은 정상 (stationary)상태로 가정하고 각 짧은 시간에서 분석을 한 뒤 통합하는 방법이다.
- 여기에서 주의할 점은 저주파 분석을 하기 위해서는 보다 긴 시간의 데이터를 처리해야 하는데 이 경우 시간 해상도가 떨어질 수 있고, 고주파 분석을 하기 위해서는 보다 짧은 시간의 데이터를 처리해야 하는데 이 경우 주파수 해상도가 떨어질 수 있으므로 데이터 처리를 위한 적절한 짧은 시간의 선택이 중요하다[5]. 여기에서는 윤축의 소음 및 진동 신호를 수집할 때 사용한 표본주파수(sampling frequency)를 고려하여 짧은 시간을 선택하였다.
- 본 연구에서 사용한 불규칙 신호처리방법은 자기 및 상호 스펙트럼밀도, 기여도, 주파수 응답인데, 이들 모두 시간 영역 특성도 같이 고려하였다[6]. 여기서 기여도는 두 신호 주파수 성분의 선형관계를 나타내는 것으로 0과 1 사이의 값을 가지는데, 1에 가까울수록 선형관계가 높아진다.
- 소음과 진동의 측정은 다른 영업차량으로 인해 중간 정차가 어려워 고속선 진입 후 속도가 100km/h에서 300km/h 로 증가하는 구간을 선택하였다. 속도가 증가하는 구간에서 각 센서 의 신호들은 신호처 리장치를 이용하여 20480Hz 로 표본하고 이를 데이터수집 장치에 저장한 뒤 후처리 (post-processing)를 수행하였다.
- 증가하는 구간을 선택하였다. 속도가 증가하는 구간에서 각 센서 의 신호들은 신호처 리장치를 이용하여 20480Hz 로 표본하고 이를 데이터수집 장치에 저장한 뒤 후처리 (post-processing)를 수행하였다.
- 신호 처리한 결과는 시간-주파수 분석 결과를 중심에 두고 왼쪽에는 주파수 분석만 한 결과를, 위에는 차량 주행속도를 두어 서로 비교할 수 있도록 하였다.
- 이를 위해 마이크로폰을 차륜 앞에, 좌우 및 상하 방향 가속도계를 축상에 설치하고 각 신호들은 차량 데이터수집시스템에 저장하였다. 이 데이터들은 비정상 불규칙 신호처리를 이용하여 시간-주파수 영역에서 자기 스펙트럼밀도, 상호 스펙트럼 밀도, 기여도, 주파수 응답을 구하였다.
- 이를 위해 마이크로폰을 차륜 앞에, 좌우 및 상하 방향 가속도계를 축상에 설치하고 각 신호들은 차량 데이터수집시스템에 저장하였다. 이 데이터들은 비정상 불규칙 신호처리를 이용하여 시간-주파수 영역에서 자기 스펙트럼밀도, 상호 스펙트럼 밀도, 기여도, 주파수 응답을 구하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 상관관계 분석의 가능성을 알아보았다. 이를 위해 고속철도차량 윤축에 마이크로폰과 가속도계를 부착하고 주행 중에 소음과 진동신호를 수집하였다. 수집한 소음과 진동데이터들은 시간-주파수 특성 및 상관관계를 알기 위하여 불규칙 신호처리와 시간-주파수 분석을 같이 이용하였다.
- 윤축의 소음과 진동을 측정하기 위해 한국형 고속철도차량(한빛 350)의 차륜 앞에 마이크로폰을, 축상에 좌우와 상하 방향 진동가속도계를 설치하였다. Fig.
데이터처리
- 수집한 데이터는 1초 간격으로 나눈 뒤 각 구간은 정상 상태로 가정하고 앞의 불규칙 신호처리방법을 적용하여 시간-주파수 분석을 수행하였다. 푸리에 변환시 필요한 데이터 개수는 8192개로 하고 모두 해닝창(Hanning window) 을 적용하였는데, 이때 데이터들의 겹침(overlap) 비율은 50% 로 하였다.
성능/효과
- 수집한 소음과 진동데이터들은 시간-주파수 특성 및 상관관계를 알기 위하여 불규칙 신호처리와 시간-주파수 분석을 같이 이용하였다. 이 결과로부터 측정횟수가 제한되어도 소음과 진동의 동적 특성 분석뿐만 아니라 이들의 상관관계 분석도 가능함을 나타내었다. 이를 통해 향후에 진행될 윤축의 소음과 진동을 이용한 궤도상태 감시의 기초를 마련하고자 한다.
- 마이크로폰, 진동가속도계의 시간-주파수 분석 결과에서는 시간 혹은 속도에 따라 변하는 성분과 변하지 않는 성분을 분명하게 구별할 수 있고, 일시적으로 나타났다가 사라지는 주파수 성분의 발생시간도 알 수 있다.
- 3이하로 낮게 나오고 있어서 둘 사이에는 선형관계가 거의 없다고 잘못 생각할 수 있다. 그러나 시간-주파수 영역에서 보면 시간 혹은 속도의 변화에 따라 중간 중간에 0.8이상 높게 나오고 있는 것을 확인할 수 있으므로 순간적인 선형관계가 있음을 확인할 수 있다.
- 이 결과는 시스템의 입력과 출력의 관계를 나타내기도 하지만 출력에서 입력의 영향을 제거하는 기능도 수행한다. 본 연구에서는 후자의 특성을 이용하였는데 결과에서 시간 혹은 속도에 따라 변하는 성분들과 공통적으로 나타나는 성분들이 거의 제거가 되었음을 확인할 수 있다.
- (1) 소음과 진동 신호처 리에 시간-주파수 분석방법과 불규칙 신호처리를 같이 이용하면 한 번의 주행 측정으로 시간 혹은 속도에 따라 변하는 주파수 성분과 이들과 관계없이 일정한 주파수 성분을 구별할 수 있고 상관관계 특성을 파악하는 것이 가능하였다. 또한 일시적으로 나타났다가 사라지는 높은 주파수 성분의 발생 시점과 그 주파수 특성을 함께 알 수 있었다.
- 파악하는 것이 가능하였다. 또한 일시적으로 나타났다가 사라지는 높은 주파수 성분의 발생 시점과 그 주파수 특성을 함께 알 수 있었다. 이는 기존의 주파수 영역만을 고려한 푸리에 변환에서는 할 수 없는 부분이다.
- 이는 기존의 주파수 영역만을 고려한 푸리에 변환에서는 할 수 없는 부분이다. 따라서 불규칙 신호처리와 시간-주파수 분석를 같이 이용하는 방법은 횟수가 제한된 측정으로 윤축에서의 소음과 진동의 동적 특성을 분석하는데 유용함을 확인하였다.
- (2) 마이크로폰과 가속도계의 자기스펙트럼 밀도에서는 공력의 영향인 1000Hz 이하의 경우 시간에 따라서 높이가 점점 높아지고 있으나 궤도나 차륜의 영향인 woo Ife 이상의 경우 속도에 비례하여 변하는 성분과 그렇지 않는 성분으로 구별할 수 있다. 속도에 따라 변하는 주파수 성분이 변하지 않는 성분과 만날 경우 공진이 발생하여 더욱 높아지고 있다.
- (3) 윤축에서 발생하는 소음과 진동은 3000~4000Hz 영역에서 상호 스펙트럼 밀도와 기여도에서 높게 나타난다. 따라서 궤도와 차륜의 상호작용에 의해 차륜에서 발생하는 소음과 진동은 이 주파수 영역에서 높은 선형관계가 있음을 확인하였다.
- 나타난다. 따라서 궤도와 차륜의 상호작용에 의해 차륜에서 발생하는 소음과 진동은 이 주파수 영역에서 높은 선형관계가 있음을 확인하였다.
- (4) 주파수 응답을 이용한 경우 시간 혹은 속도에 따라 변하는 주파수 성분과 마이크로폰과 진동 가속도계에서공통적으로 나타난 주파수 성분은 대부분 제거가 되었음을 알 수 있다. 진동 가속도계간 주파수 응답의 경우 자기스펙트럼 밀도의 결과와 일치하는 주파수성분이 있는데 이는 윤축의 고유주파수로 볼 수 있다.
후속연구
- 특히 3000~4000Hz에서는 마이크로폰과 좌우방향 가속도계의 결과에서 주파수 성분이 수직방향 가속도계와의 결과에 비해 높게 나타난다. 따라서 3000-4000 Hz 주파수 영역에서 궤도와 차륜의 상호작용에 의해 발생하는 소음과 윤축의 좌우방향 가속도는 동시에 발생하였음을 확인할 수 있는데, 이에 대해서는 기여도에서 다시 확인 할 것이다.
- 따라서 축상 가속도계는 이 주파수 대역에서 공력소음의 영향을 최소로 하면서 차륜과 궤도의 상호작용과 같은 특성을 확인할 수 있다. 이와 같은 특성은 향후 궤도상태감시에 활용할 예정이다.
- 향후에 마이크로폰과 축상 가속도계의 신호를 주파수 응답을 이용하여 고속 주행시 발생하는 공력소음의 주파수특성을 구체적으로 분석할 것이다. 더 나아가 마이크로폰과 가속도계를 이용하여 궤도 상태를 감시하는 방법으로의 활용을 검토할 예정이다.
- 구체적으로 분석할 것이다. 더 나아가 마이크로폰과 가속도계를 이용하여 궤도 상태를 감시하는 방법으로의 활용을 검토할 예정이다.
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