알미늄 압출재는 고속열차의 경량화를 위하여 기존의 주름강판을 대체하여 널리 사용된다. 알미늄 압출재는 고속열차 적층재 가운데 가장 큰 차음 기여도를 보이나, 동일한 중량의 평판과 비교할 때, 국부공진 주파수 대역에서 투과손실이 크게 떨어진다. 이 연구에서는 차세대 400km/h급 고속철도 차량용 알미늄 압출재를 대상으로 차음 문제를 검토하고, 차음성능의 향상 방안을 제시한다. 코어 구조를 변경시켜 국부공진 대역을 높이고, 우레탄 폼을 코어에 충진시킬 때의 차음성능 향상효과를 실험적으로 확인한다. 최종적으로 제시된 방법이 바닥 적층재의 총 투과손실을 어느 정도 개선시키는가를 평가한다.
알미늄 압출재는 고속열차의 경량화를 위하여 기존의 주름강판을 대체하여 널리 사용된다. 알미늄 압출재는 고속열차 적층재 가운데 가장 큰 차음 기여도를 보이나, 동일한 중량의 평판과 비교할 때, 국부공진 주파수 대역에서 투과손실이 크게 떨어진다. 이 연구에서는 차세대 400km/h급 고속철도 차량용 알미늄 압출재를 대상으로 차음 문제를 검토하고, 차음성능의 향상 방안을 제시한다. 코어 구조를 변경시켜 국부공진 대역을 높이고, 우레탄 폼을 코어에 충진시킬 때의 차음성능 향상효과를 실험적으로 확인한다. 최종적으로 제시된 방법이 바닥 적층재의 총 투과손실을 어느 정도 개선시키는가를 평가한다.
Aluminum extruded panels are widely used instead of corrugated steel panels for weight reduction in high-speed trains. Of the layers in the train body, it makes the largest contribution to the sound insulation. However, compared with that of a flat panel with the same weight, the TL of the aluminum ...
Aluminum extruded panels are widely used instead of corrugated steel panels for weight reduction in high-speed trains. Of the layers in the train body, it makes the largest contribution to the sound insulation. However, compared with that of a flat panel with the same weight, the TL of the aluminum extruded panel is remarkably lower in the local resonance frequency band. We study aluminum extruded panels for next-generation 400-km/h trains. We investigate the problem of sound insulation and propose a practical method to improve the sound-insulation performance. The local resonance frequency region is increased by a modification of the core structure, and urethane foam is placed in the core. The effect on the sound insulation is verified by experiments. Finally, the improvement for the entire sound-transmission loss is estimated for the layered floor panels of express trains.
Aluminum extruded panels are widely used instead of corrugated steel panels for weight reduction in high-speed trains. Of the layers in the train body, it makes the largest contribution to the sound insulation. However, compared with that of a flat panel with the same weight, the TL of the aluminum extruded panel is remarkably lower in the local resonance frequency band. We study aluminum extruded panels for next-generation 400-km/h trains. We investigate the problem of sound insulation and propose a practical method to improve the sound-insulation performance. The local resonance frequency region is increased by a modification of the core structure, and urethane foam is placed in the core. The effect on the sound insulation is verified by experiments. Finally, the improvement for the entire sound-transmission loss is estimated for the layered floor panels of express trains.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이러한 구조는 강성을 크게 높이나 동일한 중량의 평판 및 기존의 주름강판에 비해서 차음 성능이 매우 떨어진다. 그 원인은 국부 공진 모드가 발생하는 주파수 대역에서 국부 공진이 투과손실을 악화시키는 데에 기인한다. 이러한 현상은 반복되는 단면을 갖는 주름강판에서 먼저 발견되었다.
결과적으로 중요 주파수 대역에서의 차음성능 악화가 예상된다. 실제로 KTX-sancheon이 300km/h로 주행할 때 측정한 실내 소음에서 500Hz 아래 주파수 대역의 파워가 매우 큰 것으로 보고되고 있으므로,(8) 이에 대한 대책으로. 국부 공진대역을 훨씬 위로 올리고, 적절한 댐핑 처리가 필요하다.
이 연구에서는 현재 개발중인 최고 시속 400km/h의 차세대 고속 차량인 HEMU-400x에 사용되는 알미늄 압출재를 대상으로 차음성능 개선방안을 검토한다. 당초 이 압출재의 초기 모델은 현재 운행중인 KTX-sancheon 고속 철도차량의 압출재구조를 기반으로, 중량을 조금 낮추고 약간의 치수를 조정하여 설계되었다.
그러나 유한요소해석 결과, 초기 모델의 경우, 코어 구조의 국부공진주파수 대역이 너무 낮아 사용 주파수 대역에서의 차음 성능에 불리할 것으로 예상되었다. 이에 본 연구에서는 국부 공진 주파수 대역을 높이도록 코어수를 늘리고, 우레탄폼을 코어에 충진시켜 중량대비 차음 성능을 개선시키는 방안을 제시하고 그 효과를 실험적으로 평가하였다. 이를 위하여, KTX- sancheon과 HEMU- 400x의 바닥재용 압출재 시편을 제작하였고, ASTM E2249-02에 따라 인텐시티 투과손실을 측정하였다.
제안 방법
동일한 질량을 갖고, 코어의 셀 수를 증가시킨 4개의 모델을 대상으로, 1차 국부 공진주파수와 1차 전체 굽힘 및 비틀림 모드 주파수를 비교 검토하였다. 유한요소해석을 위하여 ANSYS v12.
동일한 질량을 갖고, 코어의 셀 수를 증가시킨 4개의 모델을 대상으로, 1차 국부 공진주파수와 1차 전체 굽힘 및 비틀림 모드 주파수를 비교 검토하였다. 유한요소해석을 위하여 ANSYS v12.1을 사용하였으며, Table 1의 제원을 갖는 해석용 시편을 27,600개의 판 및 고체 요소로 모델링 하였다.
이에 본 연구에서는 국부 공진 주파수 대역을 높이도록 코어수를 늘리고, 우레탄폼을 코어에 충진시켜 중량대비 차음 성능을 개선시키는 방안을 제시하고 그 효과를 실험적으로 평가하였다. 이를 위하여, KTX- sancheon과 HEMU- 400x의 바닥재용 압출재 시편을 제작하였고, ASTM E2249-02에 따라 인텐시티 투과손실을 측정하였다. 최종적으로, 개선된 압출재를 바닥 적층재에 적용할 때 최종 차음성능 개선효과가 어느 정도 나오는지를 실험적으로 평가하였다.
이에 Fig. 5의 해석결과에 근거하여, Fig. 7(c)와 같이 셀 수를 2개 늘려 스팬을 줄이고, 중량을 증가시키지 않도록 하기 위하여 코어 두께를 약간 감소시킨 후, 반복적인 구조해석을 통하여 1차 국부공진 주파수를 650Hz로 올린 최종 안을 Table 2에서와 같이 결정하였다.
여기서는 먼저, 코어 수를 증가시켜 중량을 늘리지 않으면서 국부공진 주파수 대역을 상승시켰다. 이후, 우레탄폼을 압출재 코어에 충진시킴으로써, 중량대비 차음성능을 효과적으로 높이고 그 효과를 실험적으로 검증하였다. 여기서 전제조건은 압출재 및 바닥 적층재의 총질량을 증가시키지 않아야 하며, 굽힘 및 비틀림 강성을 훼손시키지 않아야 하는 점이다.
전술한 단순 모델에 대한 해석결과를 근거로 HEMU-400x의 압출재 구조를 재설계하였다. Fig.
최종적으로 폼 충진 압출재를 바닥 적층재에 적용할 때의 총 투과손실을 평가하였다. Fig.
이를 위하여, KTX- sancheon과 HEMU- 400x의 바닥재용 압출재 시편을 제작하였고, ASTM E2249-02에 따라 인텐시티 투과손실을 측정하였다. 최종적으로, 개선된 압출재를 바닥 적층재에 적용할 때 최종 차음성능 개선효과가 어느 정도 나오는지를 실험적으로 평가하였다.
코어 길이와 두께를 감소시킬 때, 국부공진 주파수와 압출재 강성이 어느 정도 변하는지를 파악하기 위하여, Fig. 4의 단순 모델을 대상으로 유한요소해석을 수행하였다. 모델 1은 KTX-sancheon의 바닥 압출재를 기본 구조로 하여 상하판의 레일을 제거하고 단순화시킨 모델이다.
대상 데이터
두 시편 모두 잔향실의 개구부 크기(840mm x 840mm)를 고려하여 836mm x 836mm의 크기로 제작하였고, 가장자리는 점토로 기밀처리 하였다.
이 문제를 해결하기 위해서는 국부공진의 댐핑을 효과적으로 증가시키는 방안이 함께 필요하다. 본 연구에서는 탄성 다공재인 우레탄폼(Urethane foam)을 이용하였다.
이론/모형
ASTME2249-02(9) 기준에 따라 Fig. 8의 잔향실반 무향실 환경에서 인텐시티 투과손실을 측정하였다. 인텐시티 투과손실은 다음 식 (3)으로부터 결정된다.
한편, 중량대비 투과손실의 평가에는 다음의 필드 입사음 질량법칙(Field incidence mass law)(10) 식 (4)를 사용하였다.
성능/효과
13은 6% 폼충진 및 비충진 HEMU-400x와 KTX-sancheon 압출재의 투과손실을 비교한다. 6%충진 시편은 KTX-sancheon 시편보다 비슷한 중량임에도, 600Hz를 전후하여 5dB 정도의 투과손실 향상 효과를 보이며, 이후 고주파수 대역에서도 상당한 개선효과를 내고 있다.
KTX-sancheon 및 HEMU-400x 바닥재용 알미늄 압출재를 대상으로 음 투과손실을 평가한 결과, 국부 공진이 발생하는 주파수 대역에서 차음 성능이 크게 하락하였다. KTX-sancheon 압출재의 경우, 500Hz를 전후하여 차음성능이 상당히 떨어지는 문제가 확인되었다.
이를 기반으로 차세대 HEMU-400x 압출재는 코어 수를 1단위당 2개 더 늘려 기존 코어의 스팬을 짧게 하였고 코어 두께를 조금 감소시켰다. 그 결과, HEMU-400x 압출재는 KTX-sancheon 대비 중량을 6%정도 감소시켰음에도, 국부공진 주파수를 200Hz 이상 높였다. 그 결과 중량 감소에도 불구하고 HEMU-400x 압출재의 투과손실은 KTX-sancheon 에 비해 500Hz 아래에서는 약간 높게 나왔다.
그 결과 중량 감소에도 불구하고 HEMU-400x 압출재의 투과손실은 KTX-sancheon 에 비해 500Hz 아래에서는 약간 높게 나왔다. 그러나 1000Hz~2000Hz에서 투과손실이 떨어지는 문제가 발생하여, 대책으로 6%의 중량 감소분에 상당하는 우레탄폼을 압출재 코어부에 충진시킴으로써, 국부공진 대역에서의 투과손실을 5dB 높였다. 압출재를 포함하는 전체 바닥 적층재에서도, HEMU-400x 바닥재는 폼 충진 후, 3~5dB의 차음성능이 개선되었다.
당초 이 압출재의 초기 모델은 현재 운행중인 KTX-sancheon 고속 철도차량의 압출재구조를 기반으로, 중량을 조금 낮추고 약간의 치수를 조정하여 설계되었다. 그러나 유한요소해석 결과, 초기 모델의 경우, 코어 구조의 국부공진주파수 대역이 너무 낮아 사용 주파수 대역에서의 차음 성능에 불리할 것으로 예상되었다. 이에 본 연구에서는 국부 공진 주파수 대역을 높이도록 코어수를 늘리고, 우레탄폼을 코어에 충진시켜 중량대비 차음 성능을 개선시키는 방안을 제시하고 그 효과를 실험적으로 평가하였다.
2% 정도 감소되어 고속화에 유리하다. 뿐만 아니라 Table 3의 해석결과를 보면, 최종 안은 초안에 비해 면밀도가 감소하였음에도 국부공진 주파수의 시작 대역이 200Hz 이상 증가하였고, 전체 모드의 진동수도 초안보다 약간 높은 결과를 보이므로, 중량대비 강성 측면에서도 유리하다.
압출재를 포함하는 전체 바닥 적층재에서도, HEMU-400x 바닥재는 폼 충진 후, 3~5dB의 차음성능이 개선되었다. 폼 충진 바닥재는 동일한 중량을 갖는 KTX-sancheon 바닥 적층재에 비해서도 2~3dB 개선된 차음성능을 보였다. 향후 국부공진의 댐핑 효과를 더욱 높일 수 있는 효과적인 방안에 대한 연구가 필요하다.
15의 투과 손실 측정결과를 보면, 적층재에서도 폼 충진은 400Hz 이후부터 투과손실 향상 효과를 낸다. 폼 충진된 HEMU-400x 적층재는 충진전에 비해 3~5dB 높은 투과손실을 보이고, 동일한 중량을 갖는 KTX-sancheon 적층재보다도 2~3dB 높은 투과손실을 보여 중량대비차음성능 개선 효과가 좋은 것으로 평가된다.
후속연구
폼 충진 바닥재는 동일한 중량을 갖는 KTX-sancheon 바닥 적층재에 비해서도 2~3dB 개선된 차음성능을 보였다. 향후 국부공진의 댐핑 효과를 더욱 높일 수 있는 효과적인 방안에 대한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
KTX는 언제 처음 개통되었는가?
2004년 4월 KTX의 개통 이후 국내의 고속 철도 산업은 비약적인 발전을 이루어 왔다. 2007년부터는 국토해양부의 ‘차세대 고속철도기술 개발 사업’이 최고 속도 400km/h급 동력분산형 고속철도시스템의 핵심기술 개발을 목표로 수행 중에 있다.
2007년 국토해양부의 "차세대 고속철도기술 개발 사업"의 목표는 무엇인가?
2004년 4월 KTX의 개통 이후 국내의 고속 철도 산업은 비약적인 발전을 이루어 왔다. 2007년부터는 국토해양부의 ‘차세대 고속철도기술 개발 사업’이 최고 속도 400km/h급 동력분산형 고속철도시스템의 핵심기술 개발을 목표로 수행 중에 있다. 철도차량의 고속화를 위해서는 경량화가 필수적인데, 고속철도 차량에는 알미늄 압출재를 주 요소로 하는 적층 구조를 사용함으로써, 종래의 강 구조물을 상당 부분 경량화 시키고 있다.
알미늄 압출재의 트러스 단위가 반복되는 단면 구조가 가지는 특징은 무엇인가?
1과 같이 트러스 단위가 반복되는 단면 구조를 갖는다. 이러한 구조는 강성을 크게 높이나 동일한 중량의 평판 및 기존의 주름강판에 비해서 차음 성능이 매우 떨어진다. 그 원인은 국부 공진 모드가 발생하는 주파수 대역에서 국부 공진이 투과손실을 악화시키는 데에 기인한다. 이러한 현상은 반복되는 단면을 갖는 주름강판에서 먼저 발견되었다.
참고문헌 (11)
Windle, R. M. and Lam, Y. W., 1993, "Prediction of the Sound Reduction of Profiled Metal Cladding," Inter-Noise'93, Vol. 2, pp. 999-1002.
Ng, C. F. and Zheng, H., 1998, "Sound Transmission through Double-leaf Corrugated Panel Construction," Applied Acoustics, Vol. 53(3), pp. 15-34.
Kim, S.H., Jang, H. and Kim, J., 2001, "Characteristics of Local Vibration Modes of the Aluminum Extruded Panels for Rail Road Vehicles," Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 4(3), pp. 87-93.
Kim, S.H., et al., 2000, "Sound Transmission Loss of Aluminum Extruded Panels for Railway Vehicles," Transactions of KSNVE, Vol. 10(4), pp. 662-668.
Kim, S.H., Paek, I.S., Lee, H. and Kim, J.T., 2008, "Prediction Model of the Sound Transmission Loss of Honeycomb Panels for Railway Vehicles," Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 11(5), pp. 465-470.
Xie, G., Thompson, D.J. and Jones, C.J.C., 2006, "A Modeling Approach for the Vibroacoustic behavior of Aluminum Extrusions Used in Railway vehicles," Journal of Sound and Vibration, Vol. 293, pp. 921-932.
Thomson, W.T. and Dahleh, M.D., "Theory of Vibration," 5thed., PrenticeHall.
Park, B., et al., 2010, "Sound Quality Evaluation for Transient Interior Noise of High Speed Train," Proceedings of the KSNVE Annual Autumn Conference.
ASTM E 2249 - 02 : 2003, American Standards for Testing and Materials; Standard Test Method for Laboratory Measurement of Airborne Transmission Loss of Building Partitions and Elements Using Sound Intensity, American Standard Association.
Beranek, L.L. and Ver, I.L., 1992, "Noise and Vibration Control Engineering," John Wiley and Sons, INC., pp. 281-291.
Kim, S.H., Seo, T.G. and Kim, J.T., 2010, "Improvement Effect of the Sound Insulation Performance of the Corrugated Steel Panel by Sound Absorbing and Damping Materials," Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 13(5), pp. 476-480.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.