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문제 정의
- 3.1장에서 설명하였듯이 본 논문에서는 KTX의 실내소음 저감 시뮬레이션을 수행하기 위해 개활지 구간과 터널 구간을 지날 때 발생하는 실내소음을 측정하였다. 소음분석결과 100Hz 주변 및 미만의 소음의 주요 주파수대임과 Pure Tone을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과 120Hz가 소음 저감효과가 가장 좋았던 점을 고려하여 대표적인 그래프는 120Hz 모델링에서의 시뮬레이션 결과를 표시한다.
- 본 논문에서는 KTX의 실내소음 저감 시뮬레이션을 수행 하기 위해 그림 2와 같이 고속철도 KTX와 실내 환경이 유사한 1/3로 축소된 크기의 Test-bed를 구축하였다. 그리고 고속철도 KTX의 실내소음을 제어스피커 2개, 에러마이크 2 개를 이용한 1 × 2 × 2의 다중채널 ANC 시스템을 이용해 시뮬레이션을 수행하였다.
- 본 논문에서는 능동소음제어방법으로 KTX의 실내소음 줄이기 위하여 KTX와 환경이 유사한 1/3 크기의 Test-bed 를 구축하고, Test-bed 내의 소음전달경로에 대한 모델링을 수행하였다. 또한, 모델링 된 전달함수를 바탕으로 Pure tone과 KTX의 실내소음을 이용한 능동소음제어 소음 저감 시뮬레이션을 수행하였다.
- 본 논문에서는 시뮬레이션에 사용된 실제 KTX 소음을 측정하고 그 소음을 분석하였다. 본 연구에서는 다양한 소음 종류를 중점으로 두지 않고 Test-bed 내의 소음원과 제어스 피커&에러마이크의 위치 관계에 따른 제어 성능 비교를 중점으로 한다.
- 본 논문은 고속철도 KTX의 실내 환경을 구현한 Test-bed 내부의 제어스피커와 에러마이크의 위치에 따른 소음전달 경로를 모델링하기 위하여 Pure Tone 120Hz, 280Hz, 360Hz 를 이용하여 경로별 전달함수를 추정하였다. 모델링 과정을 수행한 후, 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리에 따른 능동소음제어의 성능을 비교/분석하였다.
제안 방법
- 개활지 구간의 창 측에서 측정한 KTX 실내소음을 120Hz의 모델링을 이용하여 ②번의 위치에 대해서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 에러마이크 1번에서 평균 14.
- 모델링 과정을 수행한 후, 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리에 따른 능동소음제어의 성능을 비교/분석하였다. 구체적으로, Pure Tone 120Hz, 280Hz, 360Hz를 이용하여 각각의 모델링에서 소음저감성능을 비교한 후 KTX 실내소음을 이용하여 소음 제어 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 과정과 결과를 다음과 같이 정리한다.
- 그리고 고속철도 KTX의 실내소음을 제어스피커 2개, 에러마이크 2 개를 이용한 1 × 2 × 2의 다중채널 ANC 시스템을 이용해 시뮬레이션을 수행하였다.
- 소음분석결과 100Hz 주변 및 미만의 소음의 주요 주파수대임과 Pure Tone을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과 120Hz가 소음 저감효과가 가장 좋았던 점을 고려하여 대표적인 그래프는 120Hz 모델링에서의 시뮬레이션 결과를 표시한다. 그리고 제어스피커와 에러마이크의 위치에 따른 제어 성능을 확인 하기 위해 그림 9의 ①번과 ②번 위치에 대해 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 결과와 주파수 영역에서 분석하기 위한 FFT 결과를 나타내었다.
- 그림 6의 Test-bed 내부 모델링을 위해서 그림 6과 같이 1 × 2 × 2의 다중채널 시스템에 대한 Test-bed 내부의 소음전달 경로를 정하고, 각 경로의 전달 함수를 구하기 위해 적응 필터 방식으로 P1(z) ∼S22(z)의 모델링을 실시하였다.
- 둘째, 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리에 따라 2가지 경우(①번 위치/②번 위치)로 구분하여 Pure tone(120Hz, 280Hz, 360Hz)으로 각각 자신의 주파수별로 모델링 된 전달 함수에 맞게 ANC 시뮬레이션하여 그 성능을 비교하였다.
- 본 논문에서는 능동소음제어방법으로 KTX의 실내소음 줄이기 위하여 KTX와 환경이 유사한 1/3 크기의 Test-bed 를 구축하고, Test-bed 내의 소음전달경로에 대한 모델링을 수행하였다. 또한, 모델링 된 전달함수를 바탕으로 Pure tone과 KTX의 실내소음을 이용한 능동소음제어 소음 저감 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리에 따라 2가지 경우로 나누었으며, 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리가 능동소음제어에 어떤 영향을 미치는지 분석하였다.
- 따라서 Test-bed에서 소음저감 시뮬레이션을 수행하기 위해 Pure tone 120Hz, 280Hz, 360Hz를 이용하여 그림 6의 소음 전달 경로에 대한 전달함수를 구하는 것은 충분한 타당성이 있다고 판단된다. 또한, 소음원과 제어스피커의 위치에 따른 제어성능을 비교하고, 실제 소음을 이용한 시뮬레이션 결과의 가설을 정립하기 위하여 각각의 Pure tone을 이용해 그림 9의 ①번 위치와 ②번 위치의 경우에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
- 모델링 과정을 수행한 후, 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리에 따른 능동소음제어의 성능을 비교/분석하였다.
- 본 논문은 위에서 측정한 실제 KTX 실내 소음을 분석하였다. 그림 4는 FFT 분석을 Waterfall로 나타낸 그래프이다.
- 본 연구에서는 다양한 소음 종류를 중점으로 두지 않고 Test-bed 내의 소음원과 제어스 피커&에러마이크의 위치 관계에 따른 제어 성능 비교를 중점으로 한다.
- 셋째, Pure tone 실험으로 비교된 결과를 바탕으로 실제 측정한 순수한 KTX 소음(개활지/터널)을 대상으로 각 모델링(120Hz, 280Hz, 360Hz)에서 Pure tone 시뮬레이션과 같이 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리에 따라 어떠한 성능/특성을 보이는지 실험 및 그 결과를 비교하였다.
- 순수한 KTX 소음을 측정하기 위하여 승객이 없는 조건 에서 총 8개의 마이크를 이용하여 KTX의 출입문 방향 좌석에서 130cm/30cm 위치에서 소음을 측정하였다. 측정속도는 80Km(고속)에서 280Km(저속)로 터널구간과 개활지구간을 구별하여 측정하였다.
- 시뮬레이션은 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리에 따라 2가지 경우로 나누었으며, 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리가 능동소음제어에 어떤 영향을 미치는지 분석하였다.
- Pure tone 실험의 결과를 분석하면, 전반에 걸쳐 ②번 위치의 저감 성능이 ①번 위치보다 좋다는 것을 확인할 수 있다. 이 결과를 바탕으로 ①번 위치와 ②번 위치로 120Hz, 280Hz, 360Hz 모델링 공간에서 KTX 실내소음으로 시뮬레 이션하여 Pure tone 시뮬레이션 결과와 비교해볼 것이다.
- 이와 같이 정의된 전달함수를 FIR 필터 구조로 P1∼P4, S11∼S14, S21∼S24, S31∼S34, S41∼S44까지 모델링 한다.
- 첫째, 우리는 KTX와 유사한 3차원 폐공간인 TEST-BED 를 구축하여 공간 내의 120Hz, 280Hz, 360Hz 소음원의 경로를 데이터 취득장비를 이용하여 취득하였다. 이 데이터를 이용하여 주파수별 ANC 시스템의 전달함수를 추정하였으며 이 과정을 ANC 시스템의 모델링이라 정의하였다.
- 순수한 KTX 소음을 측정하기 위하여 승객이 없는 조건 에서 총 8개의 마이크를 이용하여 KTX의 출입문 방향 좌석에서 130cm/30cm 위치에서 소음을 측정하였다. 측정속도는 80Km(고속)에서 280Km(저속)로 터널구간과 개활지구간을 구별하여 측정하였다. 그림 3은 측정 마이크로폰의 위치를 나타내는 사진이다.
- 터널구간의 창 측에서 측정한 KTX 실내소음을 120Hz의 모델링을 이용하여 ①번의 위치에 대해서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 에러마이크 1번에서 평균 20.
대상 데이터
- 개활지 구간에서 속도가 200∼250km/h이며 창 측, 높이 130cm 위치에서 측정한 KTX 실내소음이며, 터널구간에서 속도가 130∼170km/h이며 창측, 높이 30cm 위치에서 측정한 KTX 실내소음을 사용하였다.
- 의 마이크로 그 소음을 측정하여 입출력 관계 데이터를 취득하였다. 마찬가지로 제어스피커 S1과 S2에서도 소음을 출력하여 에러마이크 M0 , M1 , M2에서 입출력 관계 데이터를 취득하였다.
- 모델링에 필요한 데이터를 얻기 위해서 그림 6의 Sp에서 소음신호 Pure-tone 또는 KTX 실내 소음을 출력하고, 그림 7의 NI 9234 장비와 연결된 에러마이크 M0 , M1 , M2의 마이크로 그 소음을 측정하여 입출력 관계 데이터를 취득하였다.
- 사용된 필터 차수는 32차수이며, 추정 오차가 충분히 작아졌을 때를 각 경로의 모델링 전달함수로 사용하였다. 그림 8은 대표적으로 120Hz에서 P1∼P4까지의 전달함수 추정을 나타낸다.
성능/효과
- 120Hz, 280Hz, 360Hz 모델링에서 개활지, 터널소음 모두 ②번 위치에서 ①번 위치에서보다 좋은 소음 저감 성능을 보였다. 다만 120Hz는 성능 차이가 거의 없어, 전체 평균 감소량이 비슷함을 확인할 수 있다
- Pure tone 실험의 결과를 분석하면, 전반에 걸쳐 ②번 위치의 저감 성능이 ①번 위치보다 좋다는 것을 확인할 수 있다. 이 결과를 바탕으로 ①번 위치와 ②번 위치로 120Hz, 280Hz, 360Hz 모델링 공간에서 KTX 실내소음으로 시뮬레 이션하여 Pure tone 시뮬레이션 결과와 비교해볼 것이다.
- 그림 4는 FFT 분석을 Waterfall로 나타낸 그래프이다. 개활지구간과 터널구간 모두 저주파소음을 다량 함유하고 있었으며, 그림 5에서 터널소음이 개활지소음보다 전체적으로 크다는 것을 알 수 있다. 이는 빠른 속도로 KTX가 달릴 때 차체 주위의 공기 흐름이 빨라져서 공기압이 낮아지게 되고, 차체의 틈새를 통해 상대적으로 압력이 높은 차 안의 공기가 밖으로 빠져나가 객실 내의 공기 압력과 밀도가 떨어지게 된다.
- 셋째, Pure tone 실험으로 비교된 결과를 바탕으로 실제 측정한 순수한 KTX 소음(개활지/터널)을 대상으로 각 모델링(120Hz, 280Hz, 360Hz)에서 Pure tone 시뮬레이션과 같이 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리에 따라 어떠한 성능/특성을 보이는지 실험 및 그 결과를 비교하였다. 결과는 전반에 걸쳐 ②번 위치의 소음저감성능이 ①번 위치보다 뛰어남을 확인하였다. 다만 120Hz 모델링에서 실제 소음의 저감성능이 크게 차이를 보이지 않았는데 이는 120Hz와 그주변의 주파수가 소음의 주요 주파수대역이기 때문에 줄일수 있는 소음원의 주파수대역이 넓어 그 성능에서 별반 차이가 없다고 판단되며, 280Hz, 360Hz의 실험 결과에서는 ②번 위치의 제어시스템이 ①번 위치보다 확연히 더 좋은 성능을 나타내는 것을 확인하였다.
- 결과는 전반에 걸쳐 ②번 위치의 소음저감성능이 ①번 위치보다 뛰어남을 확인하였다. 다만 120Hz 모델링에서 실제 소음의 저감성능이 크게 차이를 보이지 않았는데 이는 120Hz와 그주변의 주파수가 소음의 주요 주파수대역이기 때문에 줄일수 있는 소음원의 주파수대역이 넓어 그 성능에서 별반 차이가 없다고 판단되며, 280Hz, 360Hz의 실험 결과에서는 ②번 위치의 제어시스템이 ①번 위치보다 확연히 더 좋은 성능을 나타내는 것을 확인하였다. 그리고 280Hz보다 360Hz 가 더 큰 저감률을 보였다.
- 능동소음제어방법으로 줄이고자 하는 주요 주파수 영역은 500Hz 미만이다. 따라서 Test-bed에서 소음저감 시뮬레이션을 수행하기 위해 Pure tone 120Hz, 280Hz, 360Hz를 이용하여 그림 6의 소음 전달 경로에 대한 전달함수를 구하는 것은 충분한 타당성이 있다고 판단된다. 또한, 소음원과 제어스피커의 위치에 따른 제어성능을 비교하고, 실제 소음을 이용한 시뮬레이션 결과의 가설을 정립하기 위하여 각각의 Pure tone을 이용해 그림 9의 ①번 위치와 ②번 위치의 경우에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
- 모든 FFT 분석에서 500Hz이하에서 균등한 저감률을 보이며 ANC 성능을 입증하였다. 하지만 공통적으로 50Hz이하 주파수의 저감률이 다른 주파수 대역보다 낮았다.
- 둘째, 소음원과 제어스피커&에러마이크의 거리에 따라 2가지 경우(①번 위치/②번 위치)로 구분하여 Pure tone(120Hz, 280Hz, 360Hz)으로 각각 자신의 주파수별로 모델링 된 전달 함수에 맞게 ANC 시뮬레이션하여 그 성능을 비교하였다. 비교결과, ②번 위치의 소음저감성능이 ①번 위치보다 미세하게 좋음을 확인할 수 있었으며 전체적인 소음의 저감률은 120Hz가 가장 컸다.
- 1장에서 설명하였듯이 본 논문에서는 KTX의 실내소음 저감 시뮬레이션을 수행하기 위해 개활지 구간과 터널 구간을 지날 때 발생하는 실내소음을 측정하였다. 소음분석결과 100Hz 주변 및 미만의 소음의 주요 주파수대임과 Pure Tone을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과 120Hz가 소음 저감효과가 가장 좋았던 점을 고려하여 대표적인 그래프는 120Hz 모델링에서의 시뮬레이션 결과를 표시한다. 그리고 제어스피커와 에러마이크의 위치에 따른 제어 성능을 확인 하기 위해 그림 9의 ①번과 ②번 위치에 대해 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 결과와 주파수 영역에서 분석하기 위한 FFT 결과를 나타내었다.
- 개활지 구간의 창 측에서 측정한 KTX 실내소음을 120Hz의 모델링을 이용하여 ②번의 위치에 대해서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 에러마이크 1번에서 평균 14.1dB, 2번에서 21.0dB 정도 감소하였으며 평균 17.5dB 정도 감소하였다.
- 시뮬레이션 결과 에러마이크 1번에서 평균 18.7dB, 2번에서 25.1dB 정도 감소하였으며 평균 21.9dB 정도 감소하였다.
- 시뮬레이션 결과 에러마이크 1번에서 평균 18.8dB, 2번에서 15.8dB 정도 감소하였으며 평균 17.3dB 정도 감소하였다.
- 터널구간의 창 측에서 측정한 KTX 실내소음을 120Hz의 모델링을 이용하여 ①번의 위치에 대해서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 에러마이크 1번에서 평균 20.3dB, 2번에서 23.3dB 정도 감소하는 것을 알 수 있었으며 평균 21.8dB 정도 감소하였다.
- 전체 시뮬레이션을 수행한 결과 표 1에서와 같이 120Hz ①번의 경우 평균 56.9dB, ②번의 경우 평균 60.3dB 감소하였으며, 280Hz는 ①번의 경우 41.7dB, ②번의 경우 45.9dB, 360Hz는 ①번의 경우 35.8dB, ②번의 경우 44.0dB 정도 감소하는 효과를 볼 수 있었다.
- 추가로, 실제 소음 시뮬레이션의 FFT 분석에서 50Hz 이하의 저감률이 다른 주파수 대역보다 공통적으로 낮았다. 상대적으로 소음 대부분을 차지하고 있는 50Hz 또는 100Hz 이하의 대역이 다른 대역들과 마찬가지로 균등하게 감소하 였다면 훨씬 좋은 성능을 냈을 것이다.
후속연구
- 앞서 언급하였듯이 120Hz주변의 소음의 물리적인 양이 많아 제어(저감)할 대상은 많으나, 그만큼 소음의 주요 주파수 대역 전체를 제어(저감)하기는 어려운 것이다. 그러므로 이러한 소음 대부분을 차지하는 주요 주파수 대역을 감소시킨다면 획기적인 소음 저감성능을 얻어낼 수 있을 것이다. 다양한 알고리즘과 시스템의 발전을 통해 앞으로 중점적으로 연구할 필요성이 보인다.
- 본 연구에서는 다양한 소음 종류를 중점으로 두지 않고 Test-bed 내의 소음원과 제어스 피커&에러마이크의 위치 관계에 따른 제어 성능 비교를 중점으로 한다. 다양하게 측정된 소음원은 향후 구간별 소음 조건에 따른 제어 성능의 비교/분석용으로 사용될 것이다.
- 그러므로 이러한 소음 대부분을 차지하는 주요 주파수 대역을 감소시킨다면 획기적인 소음 저감성능을 얻어낼 수 있을 것이다. 다양한 알고리즘과 시스템의 발전을 통해 앞으로 중점적으로 연구할 필요성이 보인다.
- 종합적으로 Pure tone과 실제 소음 모두 ②번 위치에서더 좋은 성능을 보이는 이유는 소음원과 에러마이크의 위치가 너무 가까우면 제어 음이 소음을 실시간으로 추정하는데 어려움을 가질 것이다. 따라서 소음의 추정시간이 확보된 ②번의 위치에서 더 좋은 저감성능을 보였으리라 분석한다.
- 향후, 복잡한 비선형성으로 현재 시스템에서 추정할 수없었던 KTX 실내소음의 전달함수를 fuzzy와 neural network 등의 인공지능 알고리즘을 개발/적용하여 추정할수 있도록 할 것이며, 본 논문에서 검증된 소음원과 제어스피커&에러마이크 거리에 따른 ANC 성능 특성을 바탕으로 실제 TEST-BED 실험에서의 제어스피커 및 에러마이크의 최적 위치를 설계할 것이다.
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