[논문]자동차 계기판 BSR 소음특성 평가

신수현; 정철웅; 김덕환; 정성수

doi:10.5050/ksnve.2010.20.7.644

문제 정의

이 논문에서는 차량 인테리어 모듈 중 가장 많은 소음진동 문제를 일으킨다고 보고되고 있는 계기판(Instrument panel, 이하 IP)에 대한 BSR 소음을 측정 평가하고자 한다. 이 연구의 주된 목적은 자동차 인테리어 모듈의 BSR 소음 평가에 있어서 사람의 주관성을 최대한 배제한 객관화된 평가방법을 제시하고자 하는 것이며 이를 통하여 BSR 문제를 최종생산제품이 아닌 초기 모듈별 설계단계에서 접근할수 있게 함으로써 궁극적으로 자동차 개발 비용을 감소시킬 수 있을 것이다.
이 연구에서는 자동차 인테리어 모듈 중 BSR 발생인자의 50 % 이상을 차지하는 IP(환경진동 노화가 된 샘플)에 대해 BSR을 측정 평가하였다. 자동차 IP 모듈은 글로브 박스(glove box), 오디오 시스템(A/V system), 온도조절 장치(climate controller), 속도계(speed meter), IP 트림(IP trim) 등으로 이루어져 있으며, 이들 부품들은 항시 BSR 발생의 주된 소음원이 될 가능성을 가진다.
이 논문에서는 차량 인테리어 모듈 중 가장 많은 소음진동 문제를 일으킨다고 보고되고 있는 계기판(Instrument panel, 이하 IP)에 대한 BSR 소음을 측정 평가하고자 한다. 이 연구의 주된 목적은 자동차 인테리어 모듈의 BSR 소음 평가에 있어서 사람의 주관성을 최대한 배제한 객관화된 평가방법을 제시하고자 하는 것이며 이를 통하여 BSR 문제를 최종생산제품이 아닌 초기 모듈별 설계단계에서 접근할수 있게 함으로써 궁극적으로 자동차 개발 비용을 감소시킬 수 있을 것이다. 이를 위해 실차조건의 진동재현성을 갖춘 진동가진 시스템과 음장가시화(noise visualization)분석 기법을 통해 IP 모듈의 음원을 추정하였다.
이 장에서는 자동차 BSR 소음의 일반적인 특성과 발생 메커니즘, 발생 원인에 대해 설명하고, BSR 평가 방법을 소개하고자 한다.

가설 설정

또한 가해지는 힘이 정지 마찰력보다 커지게 되면 면은 미끄러지기 시작하며 운동마찰력이 정지마찰력보다 크거나 같으면 위치에너지는 그대로 유지되거나 증가할 것이다. 반대로, 운동마찰력이 정지 마찰력보다 작으면 초과된 만큼의 위치에너지가 방출될 것이다.

제안 방법

3은 진동 모달측정을 통해 분석한 모드형상을 나타내었다. 72 Hz의 진동저감대책으로 국부적으로 다이나믹 댐퍼를 사용하여 진동저감과 진동 취약점을 보완하였다. IP 모듈의 소음원 추정을 위해서는 48 채널의 소음 측정시스템(B&K 3560D)과 인텐시티 마이크로폰(B&K 4951), 측정 분석프로그램(B&K 7712)을 사용하였다.
IP 모듈의 구조적인 측면에서, BSR 발생 메커니즘이 서로 상반되는 두 지점(P-2, P-4)을 선정하여 시간-주파수-음압레벨을 Fig. 9와 같이 비교 분석하였다. Fig.
IP 모듈의 소음원 추정을 위해서는 48 채널의 소음 측정시스템(B&K 3560D)과 인텐시티 마이크로폰(B&K 4951), 측정 분석프로그램(B&K 7712)을 사용하였다. IP 모듈의 진동에 의한 BSR 소음평가 시스템은 Fig. 4와 같이 구성하였으며, 실험을 위해 배경소음(22 dBA, 0.19 sone)과 온 ․ 습도(22.5℃, 35 %) 환경조건을 항시 유지하였다.
따라서 이 연구에서는 실차조건과 유사한 진동 구속조건의 지그(jig)를 제작하고, 1축 수직 전자식 진동 가진시스템(B&K 4828)과 진동신호피드백 시스템(VR 8500)을 이용하여 진동재현성을 높였으며, 10~100 Hz의 랜덤(random) 진동가진신호를 사용하였다.
또한 음질에 대한 물리적 평가를 위해 음질분석 프로그램(B&K 7698)을 이용하였으며, 대상 소음원은 3.2절에서 음장가시화를 통해 추정된 여섯 지점(Table 1 ; Point 1~Point 6, 이하 P-1,...,P-6)에 인텐 시티 마이크로폰을 이용하여 음원을 레코딩하였다.
이 연구에서는 차량 인테리어 모듈에서 발생하는 BSR 소음을 진동가진 시스템과 음장가시화 시스템을 이용하여, 자동차 IP 모듈의 BSR 음원을 추정하고, 소음원에 대해서는 Zwicker 파라미터 기법을 통해 소음 분석을 하였다.
또한 운전자의 소음 인지적인 측면에서는 음압레벨과 같은 물리적인 양에 대해 선형적으로 지각하지 않는 점을 고려하여, 다양한 음질분석기법을 적용해야 된다. 이를 위해 이 연구에서는 인간의 주관적 소리인지를 고려하여 정의된 Zwicker의 음질분석과 시간 변화에 따른 라우드니스를 측정 분석하였다⁽⁷⁾.
인간의 청감반응을 잘 표현한 Zwicker 파라미터중 사람이 인지하는 소리에너지 크기를 나타내는 라우드니스, 소리의 날카로움 정도를 나타내는 샤프 니스(sharpness)와 저주파 대역에서의 소리 거침 정도를 나타내는 러프니스(roughness)를 적용하였다. 또한 음질에 대한 물리적 평가를 위해 음질분석 프로그램(B&K 7698)을 이용하였으며, 대상 소음원은 3.
지그시스템은 가볍고 높은 강성을 가질 수 있도록 설계 제작하였으며, Fig. 3은 진동 모달측정을 통해 분석한 모드형상을 나타내었다. 72 Hz의 진동저감대책으로 국부적으로 다이나믹 댐퍼를 사용하여 진동저감과 진동 취약점을 보완하였다.
추정된 소음원에 대한 음질분석을 위해 전통적인 A-가중 음압레벨 측정방법과 Zwicker 파라미터를 적용하여, 6지점의 소음원에 대한 물리적 음질분석을 하였다. A-가중 음압레벨과 라우드니스 레벨은 속도계와 오디오 시스템이 높은 값을 나타내었으며, 고주파수음과 연관한 샤프니스는 온도조절장치의 소음이 비교적 높은 값을 나타내었다.
이를 위해 실차조건의 진동재현성을 갖춘 진동가진 시스템과 음장가시화(noise visualization)분석 기법을 통해 IP 모듈의 음원을 추정하였다. 추정된 음원은 인텐시티(intensity) 마이크로폰을 통해 음압레벨과 시간-주파수에 따른 음질평가를 수행하였다.

데이터처리

IP 모듈의 소음원 추정을 위해서는 48 채널의 소음 측정시스템(B&K 3560D)과 인텐시티 마이크로폰(B&K 4951), 측정 분석프로그램(B&K 7712)을 사용하였다.
시스템에서 방사되는 다양한 구조 전달 소음을 분리하기 위해서 비정상 공간 음향전달(non-stationary spatial transformation of sound fields)의 측정 프로그램을 사용하여 음장가시화(acoustic field visualization)를 하였으며, 추정된 음원에 대해서는 시간주파수-음압레벨 분석을 하였다.

이론/모형

이 연구의 주된 목적은 자동차 인테리어 모듈의 BSR 소음 평가에 있어서 사람의 주관성을 최대한 배제한 객관화된 평가방법을 제시하고자 하는 것이며 이를 통하여 BSR 문제를 최종생산제품이 아닌 초기 모듈별 설계단계에서 접근할수 있게 함으로써 궁극적으로 자동차 개발 비용을 감소시킬 수 있을 것이다. 이를 위해 실차조건의 진동재현성을 갖춘 진동가진 시스템과 음장가시화(noise visualization)분석 기법을 통해 IP 모듈의 음원을 추정하였다. 추정된 음원은 인텐시티(intensity) 마이크로폰을 통해 음압레벨과 시간-주파수에 따른 음질평가를 수행하였다.

성능/효과

추정된 소음원에 대한 음질분석을 위해 전통적인 A-가중 음압레벨 측정방법과 Zwicker 파라미터를 적용하여, 6지점의 소음원에 대한 물리적 음질분석을 하였다. A-가중 음압레벨과 라우드니스 레벨은 속도계와 오디오 시스템이 높은 값을 나타내었으며, 고주파수음과 연관한 샤프니스는 온도조절장치의 소음이 비교적 높은 값을 나타내었다.
첫째, 부품들이 서로에 대해 미끄러지거나 충격을 주도록 야기하는 힘이 존재해야 한다. 두 번째, 미끄러지는 운동인 경우, 국부적인 진동을 일으킬 수 있게 변화하는 마찰력을 발생 시킬 수 있는 운동이어야 한다. 셋째로, 진동 혹은 충돌하는 부품들이 가청 소리를 발생시킬 수 있을 만큼 충분한 면적을 가지고 있어야 한다.
시간변화에 따른 라우드니스 레벨과 시간-주파수-음압레벨 분석을 통해서는 각 부품의 ‘squeak’과 ‘rattle’의 상대운동은 시간변화에 따라 음향변동패턴과 주파수 기여도가 다름을 알 수 있었다. 또한 기존의 BSR 평가기법과 최근의 분석방법에 대한 비교에서는 기존의 평가방법(A-가중음압레벨과 ISO 532 정상의 라우드니스)은 정상소음에 대한 음향 고저의 변동 폭의 측정만 가능하지만, Zwicker 파라미터를 시간-주파수-음압레벨분석에 적용 할 경우, BSR 발생 메커니즘을 보다 더 인간의 감성에 근접한 물리적 평가가 가능함을 알 수 있었다.
인간의 가청 영역 중 가장 예민한 반응을 나타내는 3000~4000 Hz 영역과의 관련성 등을 종합했을 때 P-3의 온도조절장치의 소음 개선이 음질평가 측면에서 필요하다 할 수 있다. 또한 샤프니스의 청감특성은 날카로운 고주파수음과 연관하며, 소리의 크기와 관련된 라우드니스와는 독립적이라는 점⁽⁷⁾을 감안했을 때, Table 2의 P-5의 사프니스(0.66 acum)가 높은 반면 라우드니스(6.8 sone)는 가장 낮음을 확인할 수 있다.
랜덤가진에 의한 IP 모듈의 음장가시화 결과, 이종재질의 접촉재료로 구성된 속도계와 다양한 전기전자부품으로 구성된 오디오 시스템에서 높은 음압 레벨을 나타내었다.
두 번째, 미끄러지는 운동인 경우, 국부적인 진동을 일으킬 수 있게 변화하는 마찰력을 발생 시킬 수 있는 운동이어야 한다. 셋째로, 진동 혹은 충돌하는 부품들이 가청 소리를 발생시킬 수 있을 만큼 충분한 면적을 가지고 있어야 한다. 반대로, 이러한 소음들을 설계단계에서 제거하고 싶으면, 이세 가지 요소를 제어해야 한다는 것을 알 수 있다.
시간변화에 따른 라우드니스 레벨과 시간-주파수-음압레벨 분석을 통해서는 각 부품의 ‘squeak’과 ‘rattle’의 상대운동은 시간변화에 따라 음향변동패턴과 주파수 기여도가 다름을 알 수 있었다.
7의 음압레벨 곡선에서도 80~1200 Hz 주파수 대역에서 높은 에너지 레벨을 나타내고 있다. 실제 음장가시화 결과(Fig. 5)에서의 음향강도 및 소음발생 빈도에서도 다른 부품보다 높음을 알 수 있었다.
따라서 자동차 인테리어 부품에서 발생하는 ‘squeak’과 ‘rattle’을 일으키는 필요충분조건은 세 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 부품들이 서로에 대해 미끄러지거나 충격을 주도록 야기하는 힘이 존재해야 한다. 두 번째, 미끄러지는 운동인 경우, 국부적인 진동을 일으킬 수 있게 변화하는 마찰력을 발생 시킬 수 있는 운동이어야 한다.

후속연구

따라서 노면에 따른 운전상태의 다양성이 곧 BSR 소음의 다양성과 연관된다. 또한 BSR 평가를 위해서는 노면의 특성과 차량진동과의 관계, 진동조건과 BSR 발생 메커니즘 등에 대한 분석이 선행되어야 한다.
특히 온도조절장치의 높은 샤프니스레벨은 소리 에너지 크기와 관련한 라우드니스와는 독립적이라는 점을 확인할 수 있었으며, 인간의 청감특성과 관련한 고주파수음에 대해 음질평가 측면에서 개선이 필요함을 알 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BSR 평가를 위해서는?	따라서 노면에 따른 운전상태의 다양성이 곧 BSR 소음의 다양성과 연관된다. 또한 BSR 평가를 위해서는 노면의 특성과 차량진동과의 관계, 진동조건과 BSR 발생 메커니즘 등에 대한 분석이 선행되어야 한다.
	BSR을 발생시키는 진동원은?	BSR은 일종의 구조 전달음이라 할 수 있다. BSR을 발생시키는 진동원은 파워트레인, 구동계, 노면진동이 대표적이다. 최근 차량 자체 진동저감기술의 발달에 따라 노면을 통하여 실내로 전달되는 진동이 BSR의 주된 원인으로 작용하고 있다.
	BSR 소음을 측정 평가의 주된 목적은?	이 논문에서는 차량 인테리어 모듈 중 가장 많은 소음진동 문제를 일으킨다고 보고되고 있는 계기판(Instrument panel, 이하 IP)에 대한 BSR 소음을 측정 평가하고자 한다. 이 연구의 주된 목적은 자동차 인테리어 모듈의 BSR 소음 평가에 있어서 사람의 주관성을 최대한 배제한 객관화된 평가방법을 제시하고자 하는 것이며 이를 통하여 BSR 문제를 최종생산제품이 아닌 초기 모듈별 설계단계에서 접근할수 있게 함으로써 궁극적으로 자동차 개발 비용을 감소시킬 수 있을 것이다. 이를 위해 실차조건의 진동재현성을 갖춘 진동가진 시스템과 음장가시화(noise visualization)분석 기법을 통해 IP 모듈의 음원을 추정하였다.

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