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문제 정의
- 3과 같이 압축압력이 증가함에 따라 125, 500 Hz 및 4000~10,000 Hz에서 소음이 5 dB(A) 이상 달라짐을 확인하였다. 따라서 측정시의 압력에 따라 소음수준이 달라질 수 있으므로, 따라서 본 연구에서는 공기압축기의 소음측정레벨의 일관성을 위하여, 소음이 가장 크게 발생하는 압축압력 7 kgf/cm2에서 각각 5회씩 측정하였다.
- 본 연구에서는 왕복동식 공기압축기의 주요 소음원을 파악해 보고자 한다. 직업병 유소견자의 상당수가 소음성 난청으로 파악되고 있다.
- 이는 프레스, 해머, 공기압축기 등 반복적인 고소음을 유발하는 기계류에 의한 영향이 크다. 이에 따라 본 연구에서는 고소음 발생 기계류의 하나인 공기압축기의 주요 부위별 소음발생원을 분석해 보고자 한다. 공기압축기는 왕복동식과 스크류식으로 대별된다.
제안 방법
- 왕복동식 공기압축기의 소음을 저감하기 위해서는 소음원과 그 특성을 매우 중요하다. 공기 압축기의 소음을 평가하기 위하여 부품을 제거하는 방법과 납 차음 방법을 활용하여 시험해 본 결과 아래의 결론을 도출하였다.
- 흡기필터에 의한 소음저감량을 확인하기 위하여 흡기필터가 장착된 상태에서 측정하였다. 그리고 필터를 제거한 후 측정하여 두 측정치를 비교하였다. 흡기필터는 200~630 Hz 대역에서 10 dB(A) 내외의 소음저감성능을 보이고 있음을 Fig.
- 정확한 소음레벨의 평가를 위해서는 무향실(Anechoic Room)에서 측정하는 것이 바람직하나, 본 연구의 목적이 상대적인 소음의 발생 정도를 평가하는 것이므로 측정의 편의를 위하여 일반 작업장(실험실)에서 소음수준을 측정하였다. 따라서 KSB 6361 및 ISO 1680/1에 따라 측정장소로 사용된 작업장의 환경보정값으로부터 소음원 자유음장의 음향레벨을 산정하였다. 단, 소음측정값의 신뢰도를 위하여 측정된 공기압축기의 소음레벨이 전 주파수대역에 걸쳐 배경소음(Background Noise)보다 10 dB 이상 높아야 한다.
- 먼저 흡기소음을 평가하기 위하여 Fig. 4와 같이 소음감쇠특성이 큰 소음기(BAM, Big Auxiliarly Muffler)를 흡기구에 장착한 후 소음을 측정하였다. BAM으로부터의 토출소음측정결과 Fig.
- 그러나 왕복동식 공기압축기는 작업장 내, 또는 인근에 설치하는 경우가 많아 소음에 노출되는 경우가 많다. 이에 따라 본 연구에서는 연구대상을 왕복동식 공기압축기로 정하였다. 한국산업안전보건공단의 실태조사결과에 의하면, 공기압축기는 Table 1과 같이 10여 개의 중소기업 사업장에서 제조되고 있다.
- 정확한 소음레벨의 평가를 위해서는 무향실(Anechoic Room)에서 측정하는 것이 바람직하나, 본 연구의 목적이 상대적인 소음의 발생 정도를 평가하는 것이므로 측정의 편의를 위하여 일반 작업장(실험실)에서 소음수준을 측정하였다. 따라서 KSB 6361 및 ISO 1680/1에 따라 측정장소로 사용된 작업장의 환경보정값으로부터 소음원 자유음장의 음향레벨을 산정하였다.
- 주요 소음원으로 판단되는 공기압축기의 실린더헤드, 실린더블록, 배기파이프 및 크랭크케이스를 Fig. 11과 같이 납차음판을 이용하여 이중으로 감싸고 소음의 정도를 분석하였다. 흡기소음의 주파수분석을 위해 다시 BAM을 이용하여 흡기소음을 제거한 후, 측정해 본 결과 Fig.
- 6 dB(A) 정도의 소음이 측정되었다. 흡기소음이 포함된 상태에서 실린더헤드, 실린더블록, 배기파이프의 순으로 납판을 제거하면서 소음을 측정하였다.
- 흡기필터에 의한 소음저감량을 확인하기 위하여 흡기필터가 장착된 상태에서 측정하였다. 그리고 필터를 제거한 후 측정하여 두 측정치를 비교하였다.
대상 데이터
- 공기압축기 소음을 평가하기 위하여, 국제적으로 널리 사용되고 있는 ISO 1680/1-1986(E) 및 미해군규격(MIL-STD 740-1)을 참고로 하여 Fig. 1과 같이 5개의 측정점(pt. 1~pt. 5)을 선정하였다1,2).
- 본 연구에서 연구대상으로 하는 왕복동식 공기압축기는 중소규모 사업장에서 널리 사용되고 있는 사양을 선정하였다(전동기 용량 7.5Hp, 회전수 680rpm, 최대 압축압력 10 kg/cm2).
이론/모형
- 본 연구에서는 공기압축기의 소음을 평가하기 위하여 주요 부품을 제거하는 제거법과 납 차음(LeadWrapping) 방법을 사용하였다. 납차음 방법은 주요 소음원 전부를 납차음판(차음재)으로 감싼 후 소음레벨을 측정하고, 각 소음원별로 순차적으로 차음재를 1개소씩 제거해 나가면서 소음레벨을 측정한 후 직전 단계에서 측정한 소음레벨과 비교함으로써 그 차를 확인하는 방법이다.
성능/효과
- 1) 왕복동식 공기압축기에서 소음을 가장 많이 유발하는 부위는 흡배기 밸브이며 전체 관심 주파수 대역에 걸쳐 소음이 발생하고 있음을 확인하였다. 왕복동식 공기압축기의 소음 저감을 위해서는 밸브에 의한 소음저감이 필수적이라고 판단된다.
- 2) 압축탱크 소음의 경우 500~8,000 Hz의 주파수 대역에 걸쳐 넓게 분포하고 있다. 공기저장탱크는 구동부가 아님으로 소음과 관계가 적을 것으로 생각할 수 있다.
- 3) 흡기 소음은 100~400 Hz의 저주파수 대역에서 발생하고 있어 소음성 난청에 미치는 영향은 적은 편이다. 또한 흡기필터가 대기 중의 이물질을 걸러주는 역할 이외에도 소음을 상당부분 차단하고 있음을 확인하였다.
- 4) 실린더헤드 및 실린더블록의 소음은 125~300 Hz 대역과 4,000~8,000 Hz 대역에서의 주요 소음원 임을 확인하였다.
- 4와 같이 소음감쇠특성이 큰 소음기(BAM, Big Auxiliarly Muffler)를 흡기구에 장착한 후 소음을 측정하였다. BAM으로부터의 토출소음측정결과 Fig. 5와 같이 흡기소음은 125~315 Hz 대역에서 주로 발생하고 있음을 확인하였다.
- 공기압축기에서의 압축압력의 증가와 소음의 관계는 Fig. 3과 같이 압축압력이 증가함에 따라 125, 500 Hz 및 4000~10,000 Hz에서 소음이 5 dB(A) 이상 달라짐을 확인하였다. 따라서 측정시의 압력에 따라 소음수준이 달라질 수 있으므로, 따라서 본 연구에서는 공기압축기의 소음측정레벨의 일관성을 위하여, 소음이 가장 크게 발생하는 압축압력 7 kgf/cm2에서 각각 5회씩 측정하였다.
- 공기저장탱크는 구동부가 아님으로 소음과 관계가 적을 것으로 생각할 수 있다. 그러나 밸브에서 발생한 소음이 배관을 통해 공기압축기로 전달되고 탱크의 넓은 표면이 떨림판이 되어 소음을 많이 방사하고 있음을 확인하였다.
- 10의 결과를 보면 압축탱크에 의한 방사소음은 500~5,000 Hz 주파수대역에 걸쳐 넓게 분포되어 있다. 납차음판으로 공기저장탱크를 감싼 후 실험해 본 결과 소음이 2 dB(A) 정도 저감되었다. 본 실험결과로부터 공기저장탱크의 소음이 매우 높음을 알 수 있다.
- 3) 흡기 소음은 100~400 Hz의 저주파수 대역에서 발생하고 있어 소음성 난청에 미치는 영향은 적은 편이다. 또한 흡기필터가 대기 중의 이물질을 걸러주는 역할 이외에도 소음을 상당부분 차단하고 있음을 확인하였다.
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4. 밸브
밸브소음의 발생 정도를 분석하기 위하여 Fig. 8과 같이 배기 및 흡기밸브를 제거한 후 소음을 측정한 결과 Fig. 8과 같이 소음치가 69.4 dB(A)로 매우 낮았다
. 본 연구대상인 공기압축기의 소음이 80. - 본 연구대상인 공기압축기의 소음이 80.2 dB(A)로 측정되었음을 감안할 때 소음의 대부분이 밸브와 흡·배기에 의해 발생하고 있음을 알 수 있다.
- 본 연구와 관련하여 20개 사업장을 대상으로 왕복동식 공기압축기의 소음수준을 조사해 본 결과, 평균 소음은 87.2 dB(A)이었으며 103.6 dB(A)에 이르는 것도 있었다.
- 16은 공기압축기 본체 및 공기저장탱크에 대한 Lead Wrapping(납차음판 2겹) 전후의 소음측정결과이며 각 주파수 대역별로 비교해 볼 수 있도록 분석하였다. 실험결과로부터 약 5~6 dB(A) 정도의 소음이 저감되었음을 확인하였으며, 본 실험결과로부터 각 소음원에 대한 소음의 정도를 파악할 수 있었다.
- 14와 같이 500 Hz 대역에서 소음이 뚜렷하게 증가하였으며 전체 소음이 약 2dB(A) 증가되었다. 원인을 추적해 본 결과 크랭크 케이스 측면에 설치되어 있는 덮개의 두께(t=4.5 mm)가 본체의 두께(t=9 mm)보다 얇아 이를 통해 소음이 많이 방사되고 있는 것으로 판단되었다.
- 크랭크케이스를 덮고 있는 납차음판을 제거한 후 실험해 본 결과, Fig. 14와 같이 500 Hz 대역에서 소음이 뚜렷하게 증가하였으며 전체 소음이 약 2dB(A) 증가되었다. 원인을 추적해 본 결과 크랭크 케이스 측면에 설치되어 있는 덮개의 두께(t=4.
- 11과 같이 납차음판을 이용하여 이중으로 감싸고 소음의 정도를 분석하였다. 흡기소음의 주파수분석을 위해 다시 BAM을 이용하여 흡기소음을 제거한 후, 측정해 본 결과 Fig. 12와 같이 78.8 dB(A)의 소음이 74.9 dB(A)로 약 4 dB(A) 저감되었다.
후속연구
- 이로부터 실린더헤드, 실린더블록, 배기파이프를 통한 방사소음은 크지 않음을 알 수 있다. 따라서 크랭크케이스에서의 소음 방사량을 측정해 보아야 위의 납차음판 실험에 의한 소음레벨의 변동 원인을 규명할 수 있을 것으로 판단된다.
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