[논문]열린 창문을 통해 유입되는 소음을 저감하는 능동소음제어 창문

권병호; 박영진

doi:10.5050/ksnve.2011.21.9.820

문제 정의

따라서 이 연구에서는 열린 창문으로부터 유입되는 외부 환경소음을 건물 내부에서 저감시키기 위해서 창문 외부에 설치되어 있는 마이크로폰과 창문 내부에 위치하는 다수의 제어 스피커를 이용하는 능동소음제어 창문을 제안하였고, 그 성능을 모의실험과 실제 축소모형 실험을 통해 검증하였다.
이 연구에서는 건물환경에서 열린 창문을 통해 유입되는 외부 환경소음을 건물 내부에서 저감시키기 위한 능동소음제어 창문을 제안하였다. 제안된 능동소음제어 창문은 건물 본연의 기능인 사람들의 생활을 보장하기 위해서 제어영역인 건물 내부에 마이크로폰과 제어 스피커를 설치하지 않고, 창문외부에 설치되어 있는 마이크로폰과 창문 내부에 위치하는 다수의 제어 스피커를 이용하여 소음이 유입되는 경로상에서 소음을 저감시킨다.

가설 설정

건물환경에서 열린 창문으로 유입되는 외부 소음원에 의한 내부 공간의 음장을 Rayleigh 적분식을 이용하여 예측하기 위해서 건물환경에서 창문과 외부 소음원을 다음과 같이 가정한다.
2와 같이 반무한 공간으로 모델링된 건물환경에 가로, 세로 1×1m²크기의 창문에 이상적인 점음원으로 모델링된 8개의 제어 스피커가 설치된 능동소음제어 창문을 가정한다. 또한 외부 소음원은 평면파로 창문에 수직하게 입사하며, 외부 소음원을 측정하기 위한 마이크로폰은 창문 외부에 제어기의 시간지연을 고려할 수 있는 위치에 설치되어 외부 소음원의 음압을 측정한다고 가정한다. 외부 소음원에 의한 내부 음장은 식 (6)의 Rayleigh 적분식을 이용하여 계산되며, 제어 스피커의 주파수 별 제어 이득값은 창문을 둘러싸는 반구면의 반지름이 1.
건물 시공에 사용되는 재료들은 단위 부피당 질량이 크기 때문에 일반적으로 음향학적 강체로 생각할 수 있으며, 열린 창문을 제외하고는 외부 소음이 내부로 유입될 수 없기 때문에 무한한 벽면으로 가정할 수 있다. 또한 창문이 설치되는 창틀의 두께는 창문의 크기에 비해 상당히 작아 무시할 수 있다고 가정하며, 일반적인 외부 소음원은 건물의 창문과 상당히 떨어져 있어 창문으로 입사될 때에는 평면파로 가정할 수 있다. 이와 같은 가정하에서 가로, 세로 a × b m²크기를 갖는 창문을 통해 유입되는 외부 소음원에 의한 내부 공간의 음압은 식 (5)와 같이 Rayleigh 적분식으로 표현할 수 있다^(13,14).
따라서 이 논문에서 개발하고자 하는 능동소음제어 창문은 실제 건물환경을 고려하여 가로, 세로 1×1m²크기를 가지며, 창문 크기에 의한 공간 앨리어싱이 발생하지 않는 300 Hz 이하를 관심 주파수 대역으로 정의한다. 마지막으로 능동소음제어 창문은 소음이 유입되는 경로상에서 소음제어가 이뤄지므로 건물 내부의 닫힌 공간에 의한 음장 특성을 고려하지 않는 이상적인 경우로 가정하였다.
제안된 능동소음제어 창문의 성능을 검증하기 위한 모의실험에서는 Fig. 2와 같이 반무한 공간으로 모델링된 건물환경에 가로, 세로 1×1m2크기의 창문에 이상적인 점음원으로 모델링된 8개의 제어 스피커가 설치된 능동소음제어 창문을 가정한다.

제안 방법

또한 Ise와 Takane 등은 제어영역 경계면에서 측정된 음압과 음압의 변화율을 이용하여 Kirchhoff-Helmholtz 적분식을 이용하여 내부 음장을 계산하고 경계면에 존재하는 제어 스피커들을 이용하여 계산된 내부 음장과 동일한 음장을 구현할 수 있는 경계면 제어방법을 제안하고 모의실험을 통해 가능성을 검증하였다(10,11). Epain과 Friot은 반지름 0.3 m인 구 내부의 제어영역에 대해서 구면에 30개의 마이크로폰과 반지름 0.6 m인 구면에 30개의 제어 스피커를 이용하여 경계면 제어방법을 적용해 소음 저감 효과를 실험을 통해 검증하였다⁽¹²⁾. 이와 같은 경계면 제어방법에 의한 능동소음제어 방법은 제어영역에서 마이크로폰 설치 문제를 해결하고 제어영역 전체의 소음을 줄일 수는 있지만, 건물환경과 같은 넓은 영역에 적용하기 위해서는 상당히 많은 수의 마이크로폰과 제어 스피커가 필요하기 때문에 실용성이 떨어지는 문제점이 있다.
단일주파수 성분의 외부 소음원에 대한 능동소음제어 창문의 제어 성능을 확인하기 위해서 10 ~ 300 Hz의 단일주파수 성분의 외부 소음원에 대해서 식 (7)에 의해 계산되는 제어 스피커의 제어 음을 이용하여 모의실험을 수행하였다. 모의실험에서 외부 소음원의 주파수 성분을 고려하여 샘플링주파수를 3 kHz로 하였다.
축소모형에서의 창문 크기는 이 논문에서 제안하는 능동소음제어 창문의 약 1/3이므로 외부 소음원의 관심주파수 대역은 창문의 크기와 제어 스피커의 주파수 응답 함수를 고려하여 450~900 Hz로 정하였다. 따라서 450~900 Hz의 band-limited white noise를 창문에서 1.5 m 떨어진 곳에 위치하는 외부 소음원을 모사하기 위한 스피커로 재생하여 성능검증 실험을 수행하였다. 외부 소음원에 해당하는 신호는 창문 외부에 설치된 마이크로폰을 이용하여 직접 측정하지 않고 외부 소음원을 모사한 스피커의 입력 신호를 제어기의 입력 신호로 사용하였다.
모의실험 결과 외부 소음원의 주파수 별 제어 성능을 확인할 수 있었으며, 저주파 대역의 광대역 주파수 성분의 외부 소음원인 경우 시간영역제어 이득값의 길이에 따라 제어 성능이 결정되므로 목적에 맞는 제어 이득값의 길이를 결정해야 함을 알 수 있었다. 또한 축소 모형에서의 실험을 통해 제안된 능동소음제어 창문의 성능을 검증하였다. Band-limited white noise 외부 소음에 대해서 축소 모형 내부 공간 전역에서 소음 저감 효과를 확인할 수 있었다.
단일주파수 성분의 외부 소음원에 대한 능동소음제어 창문의 제어 성능을 확인하기 위해서 10 ~ 300 Hz의 단일주파수 성분의 외부 소음원에 대해서 식 (7)에 의해 계산되는 제어 스피커의 제어 음을 이용하여 모의실험을 수행하였다. 모의실험에서 외부 소음원의 주파수 성분을 고려하여 샘플링주파수를 3 kHz로 하였다. 단일주파수 성분의 외부 소음원에 대한 모의실험에서의 제어 성능은 능동소음제어 창문에서 외부 소음원의 해당 주파수에 대한 이상적인 제어 성능을 의미하며, 다양한 조건들에서의 제어성능에 대한 기준이 된다.
시간영역제어 이득값을 이용한 능동소음제어 창문의 제어 성능을 확인하기 위해서 10 ~ 300 Hz의 단일 주파수 성분의 외부 소음원에 대해 식 (9)에 의해 계산되는 제어 스피커의 제어 음을 이용하여 모의실험을 수행하였다. 시간영역제어 이득값을 이용한 모의실험은 3 kHz 샘플링주파수로 제어기가 구동되는 경우에 제어 이득값의 길이, N_f에 따른 제어 성능을 비교하기 위해서 N_f = 20, 30, 60, 100인 경우에 대해서 모의실험을 수행하였다.
시간영역제어 이득값을 이용한 능동소음제어 창문의 제어 성능을 확인하기 위해서 10 ~ 300 Hz의 단일 주파수 성분의 외부 소음원에 대해 식 (9)에 의해 계산되는 제어 스피커의 제어 음을 이용하여 모의실험을 수행하였다. 시간영역제어 이득값을 이용한 모의실험은 3 kHz 샘플링주파수로 제어기가 구동되는 경우에 제어 이득값의 길이, N_f에 따른 제어 성능을 비교하기 위해서 N_f = 20, 30, 60, 100인 경우에 대해서 모의실험을 수행하였다. 이는 제어 이득값의 길이에 따라 주파수 분해능 d_f가 결정되기 때문에 d_f의 차이에 대한 제어 성능을 검증하기 위해서 이다.
이 연구에서 제안하는 능동소음제어 창문에는 건물 내부 제어영역에서 소음을 저감시키기 위한 제어스피커의 제어 음을 창문 외부에 설치되어 있는 마이크로폰에서 측정된 외부 소음원의 음압 신호와 적절한 제어 이득값을 이용하여 계산하는 피드포워드 제어(feedforward control) 방법이 적용되었다.
U_z=0는 외부 소음원의 입사 방향에 따라 결정된다. 이와 같이 계산된 내부 공간의 음장을 이용하여 능동소음제어 창문의 각 제어 스피커의 제어 이득값을 계산한다.
이 연구에서는 건물환경에서 열린 창문을 통해 유입되는 외부 환경소음을 건물 내부에서 저감시키기 위한 능동소음제어 창문을 제안하였다. 제안된 능동소음제어 창문은 건물 본연의 기능인 사람들의 생활을 보장하기 위해서 제어영역인 건물 내부에 마이크로폰과 제어 스피커를 설치하지 않고, 창문외부에 설치되어 있는 마이크로폰과 창문 내부에 위치하는 다수의 제어 스피커를 이용하여 소음이 유입되는 경로상에서 소음을 저감시킨다. 능동소음제어 창문에 적용되는 피드포워드 제어 방법에서 각 제어 스피커의 제어 이득값을 계산함에 있어 건물 내부의 음압은 음향학적 이론식인 Rayleigh 적분식을 이용하여 예측하였으며, 이를 이용하여 외부 소음원의 주파수 별 제어 이득값을 계산하였다.
제안된 능동소음제어 창문의 성능을 검증하기 위해서 건물환경을 모사한 축소모형을 제작하였으며, band-limited white noise에 대해서 축소모형 내부의 소음 저감 효과를 실험을 통해 검증하였다. 실험 환경은 Fig.
능동소음제어 창문에 적용되는 피드포워드 제어 방법에서 각 제어 스피커의 제어 이득값을 계산함에 있어 건물 내부의 음압은 음향학적 이론식인 Rayleigh 적분식을 이용하여 예측하였으며, 이를 이용하여 외부 소음원의 주파수 별 제어 이득값을 계산하였다. 제안된 능동소음제어 창문의 제어 성능은 반무한 공간으로 모델링된 건물 환경에서 이상적인 점음원으로 모델링된 8개의 제어 스피커가 설치되어 있는 경우에 대해 모의실험을 통해 검증하였다. 모의실험 결과 외부 소음원의 주파수 별 제어 성능을 확인할 수 있었으며, 저주파 대역의 광대역 주파수 성분의 외부 소음원인 경우 시간영역제어 이득값의 길이에 따라 제어 성능이 결정되므로 목적에 맞는 제어 이득값의 길이를 결정해야 함을 알 수 있었다.
제안된 방법은 Garcia-Bonito와 Rafaely가 Active Headrest에 적용하여 그 성능을 검증하였고^(7,8), Diaz 등은 기차의 침대차에 적용하여 성능을 검증하였다⁽⁹⁾. 이와 같은 가상 센서를 이용한 능동소음제어 방법들은 제어영역에서 실제 마이크로폰까지의 거리가 상당히 짧아야 하며, 제어영역도 협소하므로 건물환경에 적용하기에는 어려움이 있다.
제어 성능은 축소 모형 내부 48개의 마이크로폰을 이용하여 제어 전·후의 음압을 측정하여 식 (10)으로 정의되는 제어 성능지표를 계산하였다.
2와 같이 등 간격으로 위치되도록 하였다. 제어 스피커 시스템에 의한 영향을 보상할 수 있는 역필터는 사전 실험을 통해 미리 계산하였으며, 이를 제어 음 계산 시 적용하였다. 축소모형에서의 창문 크기는 이 논문에서 제안하는 능동소음제어 창문의 약 1/3이므로 외부 소음원의 관심주파수 대역은 창문의 크기와 제어 스피커의 주파수 응답 함수를 고려하여 450~900 Hz로 정하였다.
축소모형에서 창문의 크기는 가로, 세로 0.3×0.3 m2이고, 축소모형의 창문 가장자리에 제어 스피커(SAMMISOUND NDU-75)를 직접 설치할 수 없어서 Fig. 4의 오른쪽 아래 그림과 같이 스피커와 덕트로 이뤄진 제어 스피커 시스템을 제작하여 스피커의 위치가 창문 가장자리에 Fig. 2와 같이 등 간격으로 위치되도록 하였다.
제어 스피커 시스템에 의한 영향을 보상할 수 있는 역필터는 사전 실험을 통해 미리 계산하였으며, 이를 제어 음 계산 시 적용하였다. 축소모형에서의 창문 크기는 이 논문에서 제안하는 능동소음제어 창문의 약 1/3이므로 외부 소음원의 관심주파수 대역은 창문의 크기와 제어 스피커의 주파수 응답 함수를 고려하여 450~900 Hz로 정하였다. 따라서 450~900 Hz의 band-limited white noise를 창문에서 1.

대상 데이터

5 m인 경우에 대해서 식 (4)로부터 계산하였고, 시간영역제어 이득값은 식 (9)로부터 계산하였다. 모의실험에서 성능 검증을 위한 내부 공간 내 제어영역은 제어 이득값을 계산하기 위해 정의한 창문을 둘러싸는 반구면의 반지름을 고려하여, 반지름 1.5 m의 반구면 이후에서 반지름 25 m의 반구면 사이의 공간을 정의하였다. 또한 제어 성능을 정량적으로 나타내기 위한 제어 성능지표는 제어영역 V에서 제어 전·후의 전체 음향 포텐셜 에너지의 비로 식 (10)과 같다.
실험 환경은 Fig. 4와 같으며, 축소모형의 크기는 가로, 세로, 높이 1.2 × 1.5 × 1.2 m3의 직육면체이다.
5 m 떨어진 곳에 위치하는 외부 소음원을 모사하기 위한 스피커로 재생하여 성능검증 실험을 수행하였다. 외부 소음원에 해당하는 신호는 창문 외부에 설치된 마이크로폰을 이용하여 직접 측정하지 않고 외부 소음원을 모사한 스피커의 입력 신호를 제어기의 입력 신호로 사용하였다.

이론/모형

제안된 능동소음제어 창문은 건물 본연의 기능인 사람들의 생활을 보장하기 위해서 제어영역인 건물 내부에 마이크로폰과 제어 스피커를 설치하지 않고, 창문외부에 설치되어 있는 마이크로폰과 창문 내부에 위치하는 다수의 제어 스피커를 이용하여 소음이 유입되는 경로상에서 소음을 저감시킨다. 능동소음제어 창문에 적용되는 피드포워드 제어 방법에서 각 제어 스피커의 제어 이득값을 계산함에 있어 건물 내부의 음압은 음향학적 이론식인 Rayleigh 적분식을 이용하여 예측하였으며, 이를 이용하여 외부 소음원의 주파수 별 제어 이득값을 계산하였다. 제안된 능동소음제어 창문의 제어 성능은 반무한 공간으로 모델링된 건물 환경에서 이상적인 점음원으로 모델링된 8개의 제어 스피커가 설치되어 있는 경우에 대해 모의실험을 통해 검증하였다.
하지만 열린 창문을 통해 유입되는 외부 소음원에 의한 내부 음압 p_n은 직접 측정되거나 이론식을 이용하여 계산되어야 한다. 이 연구에서 제안하는 능동소음제어 창문에서는 내부 음장을 직접 측정할 수 없으므로, Rayleigh 적분식을 이용하여 내부 음장을 계산한다.

성능/효과

또한 축소 모형에서의 실험을 통해 제안된 능동소음제어 창문의 성능을 검증하였다. Band-limited white noise 외부 소음에 대해서 축소 모형 내부 공간 전역에서 소음 저감 효과를 확인할 수 있었다.
6과 같다. Band-limited white noise에 대해서 700 Hz 이하에서는 제어 성능 지표가 약 10 dB 이상 됨을 확인하였고 주파수 성분이 높아질수록 제어 성능이 나빠짐을 알 수 있었다. 이는 모의실험 결과에서 언급했듯이 창문의 크기에 비해 외부 소음원의 파장이 짧아지면서 외부 소음원에 의한 내부 음장의 방향성 복잡해지고, 공간적 앨리어싱으로 인해 외부 소음원에 의한 내부 음장을 창문 가장자리에 위치하는 제어 스피커로 구현해 줄 수 없기 때문이다.
제안된 능동소음제어 창문의 제어 성능은 반무한 공간으로 모델링된 건물 환경에서 이상적인 점음원으로 모델링된 8개의 제어 스피커가 설치되어 있는 경우에 대해 모의실험을 통해 검증하였다. 모의실험 결과 외부 소음원의 주파수 별 제어 성능을 확인할 수 있었으며, 저주파 대역의 광대역 주파수 성분의 외부 소음원인 경우 시간영역제어 이득값의 길이에 따라 제어 성능이 결정되므로 목적에 맞는 제어 이득값의 길이를 결정해야 함을 알 수 있었다. 또한 축소 모형에서의 실험을 통해 제안된 능동소음제어 창문의 성능을 검증하였다.
3의 실선과 같다. 이 결과로부터 능동소음제어 창문의 제어 성능은 외부 소음원의 주파수 성분이 높아질수록 나빠짐을 알 수 있다. 이는 열린 창문을 통해 유입되는 외부 소음원의 주파수 성분이 높아질수록 창문의 크기에 비해 외부 소음원의 파장이 짧아지면서 외부 소음원에 의한 내부음장의 방향성이 복잡해지고, 공간적 앨리어싱(spatial aliasing) 때문에 능동소음제어 창문의 제어 스피커로는 외부 소음원에 의해 유입되는 음장을 동일하게 구현해 줄 수 없기 때문이다.
5와 같다. 이 결과로부터 축소모형 내부의 공간 전역에서 소음 저감 효과를 확인할 수 있었다. 제어 성능을 정량적으로 나타내기 위해서 관심주파수 대역에서 계산된 제어 성능지표는 Fig.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	외부 소음원은 어떻게 유입되는가?	외부 소음원은 건물환경에서 자연 통풍을 위해 열린 창문을 통해 주로 유입된다. 이 경우에는 수동소음제어 방법을 직접적으로 적용할 수 없기 때문에 능동소음제어 방법을 이용하여 건물 내부 거주공간의 소음을 저감시켜야 한다.
	피드포워드 제어방법의 목적함수는 어떻게 정의되는가?	· 건물 외부에서 열린 창문을 통해 내부로 유입되는 소음에 대해서 n개의 제어 스피커를 이용하여 창문을 둘러싸는 반지름 r의 반구면을 통과하는 음 파워(acoustic power)를 최소화한다.
	외부 소음원에 대한 거주공간의 쾌적성을 향상시키는 방법은 무엇이 있는가?	자동차나 열차의 주행에 의한 교통소음, 건설공사장 소음, 항공기소음 등은 건물외부에서 발생하여 내부로 전달되는 소음으로 그 전파영역이 넓을 뿐만 아니라 발생소음의 크기도 건물내부 소음보다 크기 때문에 건물환경에서 거주공간의 쾌적성을 침해하는 중요한 소음원으로 취급되고 있다. 이와 같은 외부 소음원에 대한 거주공간의 쾌적성을 향상시키는 방법으로는 크게 건물 재료의 흡음 및 차음특성을 이용한 수동소음제어 방법과 음향학적 중첩의 원리에 기반하여 추가적인 마이크로폰과 제어스피커를 이용해 제어영역에서 소음을 저감시키는 능동소음제어 방법이 있다(3~5).

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

열린 창문을 통해 유입되는 소음을 저감하는 능동소음제어 창문
Active Window to Reduce the Exterior Noise Flowed Through the Open Window 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

열린 창문을 통해 유입되는 소음을 저감하는 능동소음제어 창문 Active Window to Reduce the Exterior Noise Flowed Through the Open Window 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

권병호 (4) 박영진 (39)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

열린 창문을 통해 유입되는 소음을 저감하는 능동소음제어 창문
Active Window to Reduce the Exterior Noise Flowed Through the Open Window 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper