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문제 정의
- 정차진동에 많이 노출되어 있으면서 정차진동 성능에 대한 요구수준이 비교적 높은 택시기사 13명의 피시험자를 대상으로 정차진동의 주파수에 따른 불편함의 절대역치(absolute discomfort threshold)를 구하는 것을 이 연구의 목적으로 하였다. 여기서, 정차진동의 주파수 범위는 승용차량과 상용차량의 정차진동에 대하여 다양한 엔진형식을 고려하여 15~40 Hz로 하였다.
제안 방법
- 가진기의 상부에 장착되는 강체시트는 단단한 나무재질로 제작하였으며, 발판의 높이를 가변하며 피 시험자들의 다양한 신장에 대하여 착석자세가 average thigh contact으로 유지될 수 있도록 하였다. 시트의 등받이의 유무는 착석자세에 대한 불편함 평가하는 데 있어서 중요한 인자 중 한가지이나, 이 연구에서는 착석자세의 단순화를 위하여 등받이를 고려하지 않았다.
- 실험을 시작하기 전에 피시험자에게 이 연구의 목적과 진행순서, 그리고 불편함을 평가하는 방법에 대한 설명을 실시한 후 실험참가에 대한 동의서에 서명하도록 하였다. 가진기의 작동음과 주위의 암소음으로 인한 평가의 오차를 줄이기 위해 소음차단용 헤드폰을 착용하였으며, 편안한 복장으로 신발을 벗고 시트에 착석하도록 하였다. 이때 착석자세는 허벅지가 평평한 시트에 편안하게 접촉되는 average thigh contact상태를 유지하며 허리를 곧게 세우고 정면을 응시하고 두 손은 무릎 위에 가지런히 하고 불필요한 움직임은 최대한 자제하도록 주문하였다.
- 평가자들은 예비실험 과정을 통해 15 Hz와 40 Hz의 진동을 시범적으로 경험함으로써 이 실험의 불편함 평가에 대한 감각과 방법을 익힐 수 있도록 하였다. 그리고 이 실험에서는 15 Hz와 40 Hz 사이에서 5 Hz 간격으로 나누어서 6가지 주파수에 대하여 불편함을 평가하도록 하였다. 그리고 피시험자들이 실험에서 집중력을 유지하기 위해 전체 실험을 2번의 세션으로 나누었으며, 각각의 세션은 20분 동안 실시하고 다음 세션을 시작하기 전에 약 10분간의 휴식 시간을 두었으며, ISO 13090-1(9)에서 규정한 인체진동 표준화 시험절차를 준수하며 실험을 진행하였다.
- 4에 나타내었다. 그리고 중간값들에 대하여 멱방정식을 이용해서 회귀곡선을 구하였다. 이 결과로부터 15 Hz진동에 비해 40 Hz의 진동의 불편함 절대역치는 3.
- 5는 이 연구에서 구한 식 (2)의 아이들 진동 불편함에 대한 주파수가중곡선과 ISO 2631-1에서 규정하는 착석자세에 대한 상하방향 전신진동에 대한 주파수가중함수(Wk)를 비교한 것이다. 그리고 참고로 주파수에 역비례하는 속도(velocity)곡선을 함께 비교하여 나타내었다. 그래프를 비교하여 보면 차량의 정차진동을 고려하여 실험으로 구한 주파수가 중곡선이 ISO 2631-1에서 규정된 주파수가중곡선 보다 기울기가 완만함을 알 수 있다.
- 그리고 이 실험에서는 15 Hz와 40 Hz 사이에서 5 Hz 간격으로 나누어서 6가지 주파수에 대하여 불편함을 평가하도록 하였다. 그리고 피시험자들이 실험에서 집중력을 유지하기 위해 전체 실험을 2번의 세션으로 나누었으며, 각각의 세션은 20분 동안 실시하고 다음 세션을 시작하기 전에 약 10분간의 휴식 시간을 두었으며, ISO 13090-1(9)에서 규정한 인체진동 표준화 시험절차를 준수하며 실험을 진행하였다.
- 이때 유효한 진동신호의 정량적인 크기는 제곱평균값(root mean square)으로 계산하였다. 그리고 피시험자에게는 처음과 끝의 과도신호를 제외한 진동을 평가하도록 주문하였다.
- 이 실험에서는 강체의자를 장착한 단축가진기(IMV i-220)를 이용하여 일반 승용차량에서 발생하는 아이들 진동을 고려한 상하방향 단일 주파수에 대한 진동을 재생하였다. 단축가진기의 상세사양은 Table 2와 같으며, 15~40 Hz 주파수 범위에서 5 Hz 간격으로 나누어진 6가지 주파수를 가지는 다양한 크기의 정현파신호를 발생하기 위하여 NI사의 Labview와 PXI-1042Q를 이용하였다. 이 신호는 증폭기를 통하여 단축가진기에 입력되어 상하방향 변위를 가지는 진동을 발생시킨다.
- 피시험자들의 신체적 특성과 운전경력, 그리고 운전시간 등에 대한 통계적 데이터는 Table 1과 같다. 실험을 시작하기 전에 피시험자에게 이 연구의 목적과 진행순서, 그리고 불편함을 평가하는 방법에 대한 설명을 실시한 후 실험참가에 대한 동의서에 서명하도록 하였다. 가진기의 작동음과 주위의 암소음으로 인한 평가의 오차를 줄이기 위해 소음차단용 헤드폰을 착용하였으며, 편안한 복장으로 신발을 벗고 시트에 착석하도록 하였다.
- 아이들진동 불편함 절대역치의 중간값을 보간하여 구한 식으로부터 주파수가중곡선을 다음과 같이 구하였다.
- 이 실험에서는 강체의자를 장착한 단축가진기(IMV i-220)를 이용하여 일반 승용차량에서 발생하는 아이들 진동을 고려한 상하방향 단일 주파수에 대한 진동을 재생하였다. 단축가진기의 상세사양은 Table 2와 같으며, 15~40 Hz 주파수 범위에서 5 Hz 간격으로 나누어진 6가지 주파수를 가지는 다양한 크기의 정현파신호를 발생하기 위하여 NI사의 Labview와 PXI-1042Q를 이용하였다.
- 이 연구에서 three-down one-up 방법으로 아이들 진동 불편함의 절대역치를 구하기 위해, 먼저 각 주파수에 따른 초기 자극의 크기를 예비시험을 통해 구하였다. 이 실험의 피시험자(택시운전자)를 제외하고 임의로 선출된 세 명의 피시험자로 구성된 예비시험으로부터 초기자극의 크기를 0.
- 가진기의 작동음과 주위의 암소음으로 인한 평가의 오차를 줄이기 위해 소음차단용 헤드폰을 착용하였으며, 편안한 복장으로 신발을 벗고 시트에 착석하도록 하였다. 이때 착석자세는 허벅지가 평평한 시트에 편안하게 접촉되는 average thigh contact상태를 유지하며 허리를 곧게 세우고 정면을 응시하고 두 손은 무릎 위에 가지런히 하고 불필요한 움직임은 최대한 자제하도록 주문하였다. 평가자들은 예비실험 과정을 통해 15 Hz와 40 Hz의 진동을 시범적으로 경험함으로써 이 실험의 불편함 평가에 대한 감각과 방법을 익힐 수 있도록 하였다.
- 이 신호는 증폭기를 통하여 단축가진기에 입력되어 상하방향 변위를 가지는 진동을 발생시킨다. 이때 피시험자에게 노출된 진동의 실제 크기를 측정하기 위해 단축가진기 위에 장착되어 상하방향으로 진동하는 강체시트의 가속도를 측정하였다. 스트레인게이지 타입의 ICP가속도계를 이용하여 측정된 강체시트의 가속도 신호는 AD변환기를 거친 디지털 데이터는 Labview를 이용하여 후처리 과정을 수행하였다.
- 이때 착석자세는 허벅지가 평평한 시트에 편안하게 접촉되는 average thigh contact상태를 유지하며 허리를 곧게 세우고 정면을 응시하고 두 손은 무릎 위에 가지런히 하고 불필요한 움직임은 최대한 자제하도록 주문하였다. 평가자들은 예비실험 과정을 통해 15 Hz와 40 Hz의 진동을 시범적으로 경험함으로써 이 실험의 불편함 평가에 대한 감각과 방법을 익힐 수 있도록 하였다. 그리고 이 실험에서는 15 Hz와 40 Hz 사이에서 5 Hz 간격으로 나누어서 6가지 주파수에 대하여 불편함을 평가하도록 하였다.
- 스트레인게이지 타입의 ICP가속도계를 이용하여 측정된 강체시트의 가속도 신호는 AD변환기를 거친 디지털 데이터는 Labview를 이용하여 후처리 과정을 수행하였다. 한 가지 실험 진동을 발생시켜 지속되는 시간은 8초이며, 신호 분석에 이용되는 신호는 시작과 끝에 존재하는 과도신호 1초씩을 제외한 중간의 6초 동안 신호를 유효한 것으로 사용하였다. 이때 유효한 진동신호의 정량적인 크기는 제곱평균값(root mean square)으로 계산하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서는 불편함 평가의 신뢰성과 일관성을 높이기 위해 배기량이 비슷한 중형승용 택시를 운행하며 운전 경력이 최소 5년 이상되는 개인택시기사들을 대상으로하여 13명을 무작위로 섭외하였다. 피시험자들의 신체적 특성과 운전경력, 그리고 운전시간 등에 대한 통계적 데이터는 Table 1과 같다.
데이터처리
- 이때 피시험자에게 노출된 진동의 실제 크기를 측정하기 위해 단축가진기 위에 장착되어 상하방향으로 진동하는 강체시트의 가속도를 측정하였다. 스트레인게이지 타입의 ICP가속도계를 이용하여 측정된 강체시트의 가속도 신호는 AD변환기를 거친 디지털 데이터는 Labview를 이용하여 후처리 과정을 수행하였다. 한 가지 실험 진동을 발생시켜 지속되는 시간은 8초이며, 신호 분석에 이용되는 신호는 시작과 끝에 존재하는 과도신호 1초씩을 제외한 중간의 6초 동안 신호를 유효한 것으로 사용하였다.
- 실험방법은 국제표준으로 ISO/FDIS 13097-1(8)에서 정의되어 있는 역치를 추정하는 방법중에서 three-down one-up에 따라 실시하였다. 이 연구에서 얻어진 정차진동 주파수별 절대역치 곡선은 전신진동 주파수 가중함수의 국제규격인 ISO 2631-1과 비교하여 보았다.
- 이때 시간지연의 변동량은 5.8 μsec로 두고 소리의 크기와 초기 시간지연을 크게 하여 three-down one-up 및 up-down방법을 적용하여 실험한 결과와 시간지연을 작게하여 three-down one-up 및 up-down방법을 적용하여 실험을 진행한 결과를 비교하였다.
- 한 가지 실험 진동을 발생시켜 지속되는 시간은 8초이며, 신호 분석에 이용되는 신호는 시작과 끝에 존재하는 과도신호 1초씩을 제외한 중간의 6초 동안 신호를 유효한 것으로 사용하였다. 이때 유효한 진동신호의 정량적인 크기는 제곱평균값(root mean square)으로 계산하였다. 그리고 피시험자에게는 처음과 끝의 과도신호를 제외한 진동을 평가하도록 주문하였다.
이론/모형
- 따라서 연속적인 자극에 의한 감각 순응의 영향을 배제하기 위하여 이 실험에서는 up-down방법을 적용하였다. Up-down method는 Dixon(10)에 의해 제안되었는데, 자극 변화량에 따른 역치측정의 오차를 줄이기 위하여 up-down 또는 down-up이 일어날 때마다 적용할 자극 변화량은이전의 자극 변화량에 절반값으로 하여 실험을 진행하였다. Levitt(11)는 250 Hz의 소리를 왼쪽과 오른쪽 시간지연을 주고 three-down one-up 방법을 적용하였다.
- 그 결과 베케시방법이 up-down방법에 비하여 역치를 3~6 dB정도 높게 평가하였으며 이는 연속적인 자극에 의한 감각 순응에 따른 결과라 보고하였다. 따라서 연속적인 자극에 의한 감각 순응의 영향을 배제하기 위하여 이 실험에서는 up-down방법을 적용하였다. Up-down method는 Dixon(10)에 의해 제안되었는데, 자극 변화량에 따른 역치측정의 오차를 줄이기 위하여 up-down 또는 down-up이 일어날 때마다 적용할 자극 변화량은이전의 자극 변화량에 절반값으로 하여 실험을 진행하였다.
- 여기서, 정차진동의 주파수 범위는 승용차량과 상용차량의 정차진동에 대하여 다양한 엔진형식을 고려하여 15~40 Hz로 하였다. 실험방법은 국제표준으로 ISO/FDIS 13097-1(8)에서 정의되어 있는 역치를 추정하는 방법중에서 three-down one-up에 따라 실시하였다. 이 연구에서 얻어진 정차진동 주파수별 절대역치 곡선은 전신진동 주파수 가중함수의 국제규격인 ISO 2631-1과 비교하여 보았다.
성능/효과
- 이 연구에서는 13명의 택시운전 기사를 대상으로 실험한 승용차량 정차시 진동에 대한 민감도를 구하는 방법으로 선택한 one-up three-down은 차량의 정차진동의 불편함을 정량화하는 데 있어서 효과적이고 유용한 결과를 낼 수 있었다. One-up three-down의 방법으로 실험을 진행하는 과정에서 제어 신호로 준 가속도 자극의 크기와 실제로 재현된 자극의 크기는 다소 차이가 있었지만, 그 차이가 크지 않았고 실제 측정된 값을 이용하여 평가 프로세스를 진행함으로 해서 실질적인 결과와의 오차를 줄일 수 있었다. 이 실험의 결과로 차량 정차시 불편함을 느끼는 진동의 크기는 대략적으로 100~105 dB임을 알 수 있었고, 주파수가 높아질수록 불편함을 느끼는 진동의 크기는 점차적으로 크지는 것을 알 수있었다.
- 그리고 참고로 주파수에 역비례하는 속도(velocity)곡선을 함께 비교하여 나타내었다. 그래프를 비교하여 보면 차량의 정차진동을 고려하여 실험으로 구한 주파수가 중곡선이 ISO 2631-1에서 규정된 주파수가중곡선 보다 기울기가 완만함을 알 수 있다. 이러한 차이는 피시험자들의 동서양의 차이에서 발생하였거나, 전신진동을 반영하여 표준화한 ISO 2631-1과는 달리 정차시 진동을 가정하여 실시한 이 시험의 특성이 원인이 되었을 것으로 판단된다.
- 소리 크기별로 시간지연을 감지 하는 초기시간지연 별로 기울기를 비교한 결과 up-down방법보다 three-down one-up의 방법이 기울기의 차이가 적다고 보고하였다. 시간지연을 감지 하는 기울기가 시간지연을 크게 한 결과와 작게 한 결과가 비슷하게 나와야 하는데 up-down방법을 적용한 결과의 기울기차이가 큰 것으로 보았을 때 up-down결과가 오차가 큰 것으로 판단하였다. 이는 피시험자의 결정에 따른 오차라고 보았으며 이러한 오차를 줄이기 위해서는 three-down one-up의 방법이 이러한 오차를 최소화 할 수 있다고 보고하였다.
- 그리고 중간값들에 대하여 멱방정식을 이용해서 회귀곡선을 구하였다. 이 결과로부터 15 Hz진동에 비해 40 Hz의 진동의 불편함 절대역치는 3.2 dB차이가 있음을 알 수 있다.
- One-up three-down의 방법으로 실험을 진행하는 과정에서 제어 신호로 준 가속도 자극의 크기와 실제로 재현된 자극의 크기는 다소 차이가 있었지만, 그 차이가 크지 않았고 실제 측정된 값을 이용하여 평가 프로세스를 진행함으로 해서 실질적인 결과와의 오차를 줄일 수 있었다. 이 실험의 결과로 차량 정차시 불편함을 느끼는 진동의 크기는 대략적으로 100~105 dB임을 알 수 있었고, 주파수가 높아질수록 불편함을 느끼는 진동의 크기는 점차적으로 크지는 것을 알 수있었다. 이것은 차량의 정차시 엔진 회전 회전수가 높을수록 동일한 크기의 진동에 대한 불편함의 평가에서 유리하다는 의미가 된다.
- 이것은 차량의 정차시 엔진 회전 회전수가 높을수록 동일한 크기의 진동에 대한 불편함의 평가에서 유리하다는 의미가 된다. 이 연구에서 구한정차시 진동을 고려한 주파수가중함수와 ISO 2631-1결과를 비교하였을 때, 그 기울기에서 다소 완만함을 알 수 있었다. 이것은 승용차의 정차시 진동에 대한 주파수가중함수를 적용하는 데 있어서 유용한 결과로 이용될 수 있을 것이다.
- 이 연구에서는 13명의 택시운전 기사를 대상으로 실험한 승용차량 정차시 진동에 대한 민감도를 구하는 방법으로 선택한 one-up three-down은 차량의 정차진동의 불편함을 정량화하는 데 있어서 효과적이고 유용한 결과를 낼 수 있었다. One-up three-down의 방법으로 실험을 진행하는 과정에서 제어 신호로 준 가속도 자극의 크기와 실제로 재현된 자극의 크기는 다소 차이가 있었지만, 그 차이가 크지 않았고 실제 측정된 값을 이용하여 평가 프로세스를 진행함으로 해서 실질적인 결과와의 오차를 줄일 수 있었다.
후속연구
- 이 연구에서 구한정차시 진동을 고려한 주파수가중함수와 ISO 2631-1결과를 비교하였을 때, 그 기울기에서 다소 완만함을 알 수 있었다. 이것은 승용차의 정차시 진동에 대한 주파수가중함수를 적용하는 데 있어서 유용한 결과로 이용될 수 있을 것이다.
- 향후 연구에서는 더욱 다양한 피시험자와 다양한 착석자세, 그리고 다양한 진동특성을 반영한 실험을 통해 더욱 세분화된 주파수가중곡선을 제시 할 필요성이 있으며, 이것은 차량의 정차진동을 사람이 느끼는 실제적인 불편함과 연관하여 효과적이고 실용적으로 활용할 수 있는 자료가 될 것이다.
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