[논문]스포티 음색 구현을 위한 자동차 흡기 시스템의 최적화 연구

유충준; 윤태민; 강창기; 이재응

문제 정의

본 연구에서는 저배기량, 저마력의 자연 흡기식 가솔린엔진 차량에 장착 가능한 사운드 제네레이터 시스템을 구성하고, 이 사운드 제네레이터의 주요 주파수 튜닝 설계인자를 최적화시킴으로써 목적으로 하는 음색 구현을 극대화 시키고자 한다. 또한 스포티 사운드를 만들기 위해 어떤 회전수 영역에서 어떤 엔진 소음 차수가 관련이 있는지 상관관계에 대해서도 연구하였다.
본 연구에서는 저배기량, 저마력의 자연 흡기식 가솔린엔진 차량에 장착 가능한 사운드 제네레이터 시스템을 구성하고, 이 사운드 제네레이터의 주요 주파수 튜닝 설계인자를 최적화시킴으로써 목적으로 하는 음색 구현을 극대화 시키고자 한다. 또한 스포티 사운드를 만들기 위해 어떤 회전수 영역에서 어떤 엔진 소음 차수가 관련이 있는지 상관관계에 대해서도 연구하였다.
사운드 레벨은 목표 값으로 69dBA를 선정하였다. 이러한 목표값을 만족하는 제너레이터를 만들기 위해 설계인자의 최적화를 실시하고자 한다.

제안 방법

경쟁차 사운드 레벨 평가 및 분석을 통하여 주 사용 엔진회전수 영역인 2000 ~3500rpm 영역에서 운전석 기준으로 사운드레벨 목표를 오버올(overall) 값으로 62-72 dBA로 설정하였으며, 파워풀하면서도 귀에 거슬리지 않는 성분인 C₄ 사운드 레벨은 목표 값으로 69dBA를 선정하였다. 이러한 목표값을 만족하는 제너레이터를 만들기 위해 설계인자의 최적화를 실시하고자 한다.
본 연구에서는 1400cc 전후의 저배기량, 저마력의 자연 흡기식 가솔린 엔진 차량에 장착 가능한 사운드 제네레이터 시스템을 Fig. 1에서와 같이 인테이크 호스의 스로틀바디 부분에 장착되는 개념으로 구성하였으며, 엔진 흡기밸브의 작동에 의해 발생된 맥동의 영향을 보다 크게 하기 위해 엔진의 인테이크 매니폴드에 근접하여 장착하고, 발생된 사운드를 운전자에게 보다 잘 전달시키기 위해 엔진룸 내부에 설치하거나 토출부를 운전자 전방인 대시 판넬을 관통시켜 설치하였다. 이러한 음 발생장치는 복잡한 구조로 된 것도 있으나 본 연구에서는 Fig.
사운드 제너레이터의 전달손실계수는 Fig. 3과 같이 샘플을 장착하고 임피던스 튜브의 임의의 위치 1~4점(입력측 XI, X2, 출력측 X3, X4)에 각각 마이크로 폰을 설치하고 분석장치로는 B&K 펄스를 사용하여 측정하였으며, 음향 인텐시티(intensity)를 측정하여 직접 비교함으로써 구할 수 있다.
5mm와 파이프 길이는 C₄ 성분 증대 및 표준 S/N비 산포 감 소 및 β값을 증대시키는 값 900mm로 각각 선정 하였다. 선정된 값으로 부품을 제작하고 실차에 장 착하여 사운드를 OA, C₂, C₄, C₆성분으로 나눠 각각 계측을 실시하였으며, Fig.7은 최적화 이전 결과를 나타낸 것이며, Fig. 8과 Fig. 9는 각각 1차 및 2차 최적화 결과를 나타낸 것이다.
4에 나타냈으며 ①~④는 각각 파이프 길이, 파이프 내경, 멤브레인 경도, 트럼펫 외경이 된다. 설계인자 4종류에 대해 실험계획법을 이용하여 시험을 실시하고 다구찌 방법을 이용하여 최적화를 실시하였다. 여기서, 소음 인자는 엔진룸온도, 치수오차, 경화 및 엘레먼트 불순물 잔량 등에 의해 영향을 받고 있으나 해석의 용이성 및 재현성 등을 고려하여 불순물 잔량을 소음 인자로 선정하였다.
8에서와 같이 3500rpm 부근에서 C₄ 성분이 급격하게 증대되어 OA 성분의 증대로 선형성이 악화되었다. 이로 인해 3500rpm에서 사운드가 급격히 증대 되었다가 사라져 운전자에게 듣기에 좋지 않은 노이즈로 인식되므로 C₄성분을 저회전 수 대역으로 이동시키고 사운드 레벨을 저감시켜 선형화시키기 위하여 파이프 길이를 900mm에서 1100mm로 증대시키고 부품을 제작하여 평가를 실시하였다.
차량의 특성에 맞는 음색 구현을 위해 흡기 사운드 제너레이터를 적용하는 차량에 대해 설계인자 최적화를 위해 부품을 제작하고 평가를 실시한 결과 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
최적화를 위해 Fig. 4와 같이 4개의 제어 인자에 대해 초기 설계인자로부터의 영향을 확인하기 위하여 Table 1과 같이 부품을 제작하고, L9 직교표를 이용하여 실험을 실시하였다.

대상 데이터

설계인자 4종류에 대해 실험계획법을 이용하여 시험을 실시하고 다구찌 방법을 이용하여 최적화를 실시하였다. 여기서, 소음 인자는 엔진룸온도, 치수오차, 경화 및 엘레먼트 불순물 잔량 등에 의해 영향을 받고 있으나 해석의 용이성 및 재현성 등을 고려하여 불순물 잔량을 소음 인자로 선정하였다.
1에서와 같이 인테이크 호스의 스로틀바디 부분에 장착되는 개념으로 구성하였으며, 엔진 흡기밸브의 작동에 의해 발생된 맥동의 영향을 보다 크게 하기 위해 엔진의 인테이크 매니폴드에 근접하여 장착하고, 발생된 사운드를 운전자에게 보다 잘 전달시키기 위해 엔진룸 내부에 설치하거나 토출부를 운전자 전방인 대시 판넬을 관통시켜 설치하였다. 이러한 음 발생장치는 복잡한 구조로 된 것도 있으나 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 튜닝 파이프와 러버 멤브레인 (rubber membrane)이 장착된 트럼펫의 단순한 2개 주요 인자로 구성되어 있는 장치를 대상으로 하였다. 각 구성 요소의 변화에 따라 음의 특성을 변경시킬 수 있는데, 관심 주파수 대역에서 전달 손실 (TL, Transmission Loss)을 최소화 또는 극대화하여 음의 특성을 변화시켜 음의 크기를 증대 또는 감소시킴으로써 원하는 소리를 구현할 수 있게 된다.

성능/효과

1) 실험계획법을 이용하여 설계인자를 최적화하였으며, 그 결과 스포티하고 파워풀한 음색 구현을 할 수 있었다.
2) 연구결과 사운드 제네레이터의 음은 엔진회전 수가 증대됨에 따라 사운드레벨이 선형적으로 증가 되어야 하며 C₂성분은 작게, C₄ 및 C₆성분은 크게 하는 것이 스포티하고 파워풀한 음을 구현한다는 것을 알 수 있었다.
개선사양을 적용한 사운드 제너레이터의 평가 결과는 Fig. 8에서와 같이 3500rpm 부근에서 C₄ 성분이 급격하게 증대되어 OA 성분의 증대로 선형성이 악화되었다. 이로 인해 3500rpm에서 사운드가 급격히 증대 되었다가 사라져 운전자에게 듣기에 좋지 않은 노이즈로 인식되므로 C₄성분을 저회전 수 대역으로 이동시키고 사운드 레벨을 저감시켜 선형화시키기 위하여 파이프 길이를 900mm에서 1100mm로 증대시키고 부품을 제작하여 평가를 실시하였다.
8에서 사운드 레벨은 유사 수준이나 C₂성분을 3000rpm이하에서 현저히 줄이고 C₄ 및 C₆ 성분을 증대시켜 전체 사운드레 벨을 유사하게 유지하였다. 따라서 C₂성분을 줄임으로써 귀에 거슬리는 소리를 줄였으며 C₄, C₆성 분을 증대시킴으로써 파워풀(powerful)하면서도 듣기 좋은 소리를 증대시켰다.
지금까지의 결과를 다시 한번 최적 사양을 정리 하면 트럼펫 외경은 ∅50mm, 멤브레인은 경도 60, 파이프 내경은 ∅27.5mm와 파이프 길이는 1100mm가 됨을 알 수 있었다.
지금까지의 결과를 정리하면 트럼펫 외경은 C₄ 성분 증대 및 표준 SZN비 감소 및 β값을 증대 시 키는 값 ∅50mm, 멤브레인은 C₄ 성분 증대 및 표준 S/N비 산포를 감소시키는 경도 60, 파이프 내경 은 OA 값에서 β를 증대시키는 값 ∅27.5mm와 파이프 길이는 C₄ 성분 증대 및 표준 S/N비 산포 감 소 및 β값을 증대시키는 값 900mm로 각각 선정 하였다. 선정된 값으로 부품을 제작하고 실차에 장 착하여 사운드를 OA, C₂, C₄, C₆성분으로 나눠 각각 계측을 실시하였으며, Fig.
평가 결과는 Fig. 9에 나타냈으며 3500mm 대역 에서의 사운드 레벨을 약 5dBA 이상 줄여 저회전 수부터 고회전수로 증대시킬 때 전체적으로 사운드의 선형화를 얻을 수 있었다. 특히 2500wm 이상영역에서는 C₄, C₆ 성분이 증대되어 목적으로 하는 파워풀 사운드를 구현할 수 있었다.

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