[논문]냉장고용 왕복동식 압축기의 가진력 규명 및 방사소음 예측

김상태; 전경진; 정의봉

doi:10.5050/ksnve.2012.22.5.437

[국내논문] 냉장고용 왕복동식 압축기의 가진력 규명 및 방사소음 예측
Force Identification and Sound Prediction of a Reciprocating Compressor for a Refrigerator 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.22 no.5, 2012년, pp.437 - 443

김상태 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 전경진 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 정의봉 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the hybrid method to identify the exciting forces and radiated noise generated from the reciprocating compressor was presented. In order to identify the exciting force, both the acceleration data measured at the compressor shell and numerical finite element model for the full set of compressor were used simultaneously. Applying the identified exciting forces to the numerical model, the velocity responses of all nodes at the shell were predicted. Finally the radiated noises from the vibrating shell were predicted by using the direct boundary element acoustic analysis. For precise numerical modeling, the stiffness of rubber mounts and body springs were identified experimentally from the natural frequencies measured by impact testing. The error of over-all sound pressure level between predicted noise and measured noise was about 2.9 dB.

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문제 정의

이 논문에서는 압축기 셸 표면에서 계측된 가속도 데이터와 압축기의 전산모델링을 이용하여 압축기에서 발생하는 가진력을 규명하고자 한다. 또한 규명된 가진력을 이용하여 압축기의 방사소음을 예측하고자 한다.
이 논문에서는 압축기 셸 표면에서 계측된 가속도 데이터와 압축기의 전산모델링을 이용하여 압축기에서 발생하는 가진력을 규명하고자 한다. 또한 규명된 가진력을 이용하여 압축기의 방사소음을 예측하고자 한다. 압축기를 지지하는 고무마운트와 내부 body를 지지하는 스프링의 강성 값은 충격햄머 실험을 이용하여 규명한다.
이 논문에서는 실험과 전산을 결합해 압축기 질량중심에서 발생하는 가진력을 규명하여 압축기 방사소음을 예측하는 방안을 제시하였다. 또한 이를 검증하기 위해 전산프로그램을 이용해 구조진동해석 및 방사소음해석으로 실험값과 비교 분석하였다.

가설 설정

여기서 X(w)는 실험으로부터 획득한 가속도 벡터, H(w)는 전산모델 질량중심에서의 주파수 응답함수 행렬, F(w)는 예측 하고자하는 가진력 벡터를 의미한다. 가진점은 3방향의 병진 힘과 3방향의 모멘트가 작용한다고 가정하였다. 응답점의 수를 가진력의 수 보다 많게 선정하면 응답점의 측정된 가속도 신호와 예측된 가속도 신호의 오차의 제곱의 합이 최소가 되도록 최소제곱법을 적용하면 압축기 질량 중심에서 발생하는 힘과 모멘트 벡터는 다음과 같이 구해진다.
압축기 구성물의 노드(node)와 요소(element)의 수 그리고 요소 타입은 Table 3에 나타내었다. 내부 body는 강체(rigid body)로 가정하였으며, 압축기 질량중심에 6자유도의 가진력이 작용한다고 가정하였다. 압축기 질량중심과 셸 표면의 연결은 MPC(multi point constraint) 기법 중 하나인 RBE2로 묶어 실제모델과 유사하게 만들었다.
3.3절의 Fig. 6과 7은 가진력 규명방법으로 추출한 압축기 셸 표면에서 가진력 신호이다. MSC.

제안 방법

압축기를 지지하는 고무마운트와 내부 body를 지지하는 스프링의 강성 값은 충격햄머 실험을 이용하여 규명한다. 그리고 실험과 전산해석을 통하여 진동원 규명(source identification) 방법으로 가진력을 추출하고, 구조진동해석으로 가진력을 검증하게 된다. 마지막으로 음향해석 프로그램을 이용해 압축기 질량중심에서 가진력에 의한 방사소음 해석을 진행하여, 압축기 소음의 실험값과 비교 및 검증을 수행하고자 한다.
그리고 실험과 전산해석을 통하여 진동원 규명(source identification) 방법으로 가진력을 추출하고, 구조진동해석으로 가진력을 검증하게 된다. 마지막으로 음향해석 프로그램을 이용해 압축기 질량중심에서 가진력에 의한 방사소음 해석을 진행하여, 압축기 소음의 실험값과 비교 및 검증을 수행하고자 한다.
고무마운트와 스프링 각각 4개가 압축기 및 내부 body를 지지하고 있다. 고무마운트 및 스프링 강성의 추정은 Fig. 1과 같이 압축기 무게와 비슷한 11 kg 블록박스를 올려놓고 Fig. 2의 고무마운트는 3개, 스프링은 4개를 밑에 받쳐놓고 수직방향, 수평방향에 대하여 impact test를 진행하였다. 계측장비는 LMS.
압축기 질량중심과 셸 표면의 연결은 MPC(multi point constraint) 기법 중 하나인 RBE2로 묶어 실제모델과 유사하게 만들었다. 또한 고무마운트와 스프링 부위에는 병진 3방향의 스프링요소를 만들어 질량 중심부와 RBE2로 묶고 한쪽 끝단은 고정시켜 실제 마운트와 유사하게 모델링 하였다. 전산모델의 신뢰성을 높이기 위해 실제 압축기 셸의 물성치를 Table 4와 같이 입력하였다.
스프링요소의 강성값은 Tables 1, 2의 값을 입력하였다. 압축기 질량중심에 병진 및 회전 방향에 단위 가진을 입력하고 셸 표면에서의 전달함수를 추출하였다. 전산해석은 구조해석 프로그램인 MSC.
6과 7은 가진력 규명방법으로 추출한 압축기 셸 표면에서 가진력 신호이다. MSC.Nastran을 이용하여 앞서 구한 6방향의 가진력을 전산모델링 질량중심에 입력하여 구조진동해석을 진행하였다. 해석결과 세 위치에서는 비슷한 결과를 나타내었으며, Fig.
8에서 가는 실선은 실험으로 얻은 압축기 셸 표면의 응답이고, 가는 점선은 실험과 동일 지점에 대하여 구조진동해석으로 얻은 결과 이다. 좀 더 확실히 구분하기 위해 피크값을 가지고 실험, 해석을 비교하였다. 굵은 실선이 실험 결과, 굵은 점선이 해석으로 얻은 결과를 그린 것이다.
방사소음의 측정은 외부 소음을 최소화하기 위하여 반무향실에서 진행하였다. 반무향실의 차단 (cut-off) 주파수는 300 Hz이다.
5 kHz이하 영역에서는 실험과 해석결과가 전반적으로 경향이 비슷하게 나타남을 살펴볼 수 있으며, 차단 주파수 이하에서는 실험과 해석의 오차가 크게 발생하였다. 또한 실험과 해석의 피크 음압을 비교하였다. 굵은 실선이 실험 피크 음압결과, 굵은 점선이 해석 피크 음압결과이다.
9는 방사소음해석에 사용한 음향 격자(acoustic mesh)로 4 kHz까지의 음압을 잘 표현하기 위해 격자의 크기는 파장의 1/6 이하가 되도록 격자를 나누었고 반무향실의 반사특성을 고려하기 위하여 대칭면(symmetry plane)도 만들어 주었다. 음압 측정은 압축기 셸 표면에서 0.2 m 떨어지고 바닥에서 0.15 m지점에서 마이크로폰을 이용해 측정했다. 그리고 음향해석 모듈은 direct BEM exterior method를 사용했다.

데이터처리

압축기 질량중심에 병진 및 회전 방향에 단위 가진을 입력하고 셸 표면에서의 전달함수를 추출하였다. 전산해석은 구조해석 프로그램인 MSC.Nastran을 사용하였다.
1절에서 압축기 셸에서의 진동 데이터에 대하여 구조진동해석과 실험의 결과를 비교해 보았고, 해석의 결과가 실험의 결과를 잘 표현하고 있음을 확인하였다. 4.2절에서는 앞 절의 구조진동해석 결과를 바탕으로 LMS.Sysnoise를 이용해, 압축기 질량중심에서 가진력에 의한 방사소음 해석을 진행하고 실험값과 비교하였다.
이 논문에서는 실험과 전산을 결합해 압축기 질량중심에서 발생하는 가진력을 규명하여 압축기 방사소음을 예측하는 방안을 제시하였다. 또한 이를 검증하기 위해 전산프로그램을 이용해 구조진동해석 및 방사소음해석으로 실험값과 비교 분석하였다. over-all기준으로 셸의 가속도는 0.

이론/모형

내부 body는 강체(rigid body)로 가정하였으며, 압축기 질량중심에 6자유도의 가진력이 작용한다고 가정하였다. 압축기 질량중심과 셸 표면의 연결은 MPC(multi point constraint) 기법 중 하나인 RBE2로 묶어 실제모델과 유사하게 만들었다. 또한 고무마운트와 스프링 부위에는 병진 3방향의 스프링요소를 만들어 질량 중심부와 RBE2로 묶고 한쪽 끝단은 고정시켜 실제 마운트와 유사하게 모델링 하였다.
15 m지점에서 마이크로폰을 이용해 측정했다. 그리고 음향해석 모듈은 direct BEM exterior method를 사용했다. Fig.

성능/효과

7 dB의 오차를 나타내었다. 마지막으로 z성분 예측값은 90.8 dB로 측정값 90.2 dB와 비교하여 0.6 dB의 오차를 나타냈다. 따라서, 입력한 가진력이 전산에서의 압축기 운동을 잘 표현하고 있다고 판단할 수 있다.
4.1절에서 압축기 셸에서의 진동 데이터에 대하여 구조진동해석과 실험의 결과를 비교해 보았고, 해석의 결과가 실험의 결과를 잘 표현하고 있음을 확인하였다. 4.
여기서 가는 실선은 실험으로 얻은 음압결과이고, 가는 점선은 해석의 음압결과이다. 2.5 kHz이하 영역에서는 실험과 해석결과가 전반적으로 경향이 비슷하게 나타남을 살펴볼 수 있으며, 차단 주파수 이하에서는 실험과 해석의 오차가 크게 발생하였다. 또한 실험과 해석의 피크 음압을 비교하였다.
Pa이다. 비교 결과 P4위치 예측값은 34.9 dB로 측정값 32.0 dB와 비교하여 2.9 dB의 오차를 냈으며, P5 위치에서는 예측값 28.7 dB로 측정값 29.8 dB와 비교하여 1.1 dB의 오차를 나타냈다. 그리고 압축기의 고유특성으로 나타나는 480 Hz 성분이 해석에서는 나타나지만 실험에서는 그다지 크게 나타나지 않고 있는데, 그 이유는 측정점과 압축기의 거리가 20cm로 비교적 근음장에 가까우므로 압축기 표면의 여러 점으로부터 전달되는 음파의 위상차에 의하여 상쇄가 발생하는 것으로 추정된다.

후속연구

그리고 실험 여건상 냉매 사이클을 구성하지 못하였으므로 기계부품만의 구동에 의한 방사소음의 크기가 너무 작아 측정결과가 부정확 할 가능성이 있다. 그러나 이 논문의 제시방법의 타당성은 확인할 수 있었으며, 이를 좀 더 보완한다면 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있을 것으로 짐작된다.
9 dB오차를 나타내었다. 가진력 규명 방법과 전산해석 프로세스를 이용하여 기타 구조물에 적용 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가전 업계의 경쟁력을 결정하는 중요한 요소 중 하나는 무엇인가?	사람들의 생활수준 향상 및 주거환경 개선으로 일반 가정에서 사용되는 가전제품(home appliances)에 대한 소비자들의 기대치는 점점 높아지고 있는 추세이며, 저소음의 실현은 가전 업계의 경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 되었다. 특히 냉장고는 일반 가정의 생활공간에 위치하여 지속적으로 운전되며, 이때 발생되는 소음이 비정상적이라고 인식될 때 제품에 대한 불만족으로 나타나게 된다.
	냉장고와 관련하여 소음 관련 분야의 활발한 연구가 진행되는 이유는 무엇인가?	사람들의 생활수준 향상 및 주거환경 개선으로 일반 가정에서 사용되는 가전제품(home appliances)에 대한 소비자들의 기대치는 점점 높아지고 있는 추세이며, 저소음의 실현은 가전 업계의 경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 되었다. 특히 냉장고는 일반 가정의 생활공간에 위치하여 지속적으로 운전되며, 이때 발생되는 소음이 비정상적이라고 인식될 때 제품에 대한 불만족으로 나타나게 된다. 따라서 이러한 냉장고의 저소음화를 실현하기 위하여 소음 관련 분야에서는 활발한 연구가 진행되고 있다.
	소비자들에게 냉장고가 불만족스럽게 인식되는 이유에는 어떤 것이 있는가?	사람들의 생활수준 향상 및 주거환경 개선으로 일반 가정에서 사용되는 가전제품(home appliances)에 대한 소비자들의 기대치는 점점 높아지고 있는 추세이며, 저소음의 실현은 가전 업계의 경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 되었다. 특히 냉장고는 일반 가정의 생활공간에 위치하여 지속적으로 운전되며, 이때 발생되는 소음이 비정상적이라고 인식될 때 제품에 대한 불만족으로 나타나게 된다. 따라서 이러한 냉장고의 저소음화를 실현하기 위하여 소음 관련 분야에서는 활발한 연구가 진행되고 있다.

참고문헌 (10)

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LMS, LMS Virtual.Lab REV9 NVH Standard Training.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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