터널 내에서 고속철도 차량의 실내소음은 개활지 대비 5dB~7dB정도 증가한다. 그 원인은 터널 내 차체 외부의 음향 인텐시티가 급격히 증가하기 때문인데, 특히, 측면재의 외부에서는 개활지에 비해서 음향 인텐시티의 증가가 가장 크다. 따라서 터널 내에서는 차체의 측면을 통하여 음향파워의 투과 전달이 커질 가능성이 상당히 높다. 본 논문에서는 현재 개발중인 차세대 고속 철도차량의 터널 내 실내소음을 저감시키기 위한 종합적인 차음 전략을 제시하고자 한다. 이를 위하여 차체의 주요 차음재인 바닥 적층재, 측면 적층재 및 복층 유리창의 시편을 제작하여 ASTM E2249-02에 근거하여 투과손실 측정한다. 측정 데이터에 근거하여 차음 성능상의 문제점을 진단하고, 차음성능 향상을 위한 층별 개선 방안과 적층 구조의 개선 방안을 제시한다.
터널 내에서 고속철도 차량의 실내소음은 개활지 대비 5dB~7dB정도 증가한다. 그 원인은 터널 내 차체 외부의 음향 인텐시티가 급격히 증가하기 때문인데, 특히, 측면재의 외부에서는 개활지에 비해서 음향 인텐시티의 증가가 가장 크다. 따라서 터널 내에서는 차체의 측면을 통하여 음향파워의 투과 전달이 커질 가능성이 상당히 높다. 본 논문에서는 현재 개발중인 차세대 고속 철도차량의 터널 내 실내소음을 저감시키기 위한 종합적인 차음 전략을 제시하고자 한다. 이를 위하여 차체의 주요 차음재인 바닥 적층재, 측면 적층재 및 복층 유리창의 시편을 제작하여 ASTM E2249-02에 근거하여 투과손실 측정한다. 측정 데이터에 근거하여 차음 성능상의 문제점을 진단하고, 차음성능 향상을 위한 층별 개선 방안과 적층 구조의 개선 방안을 제시한다.
In a tunnel, interior noise of a high speed train increases by 5dB~7dB. The reason is that the sound intensity of the acoustic field in the tunnel significantly increases by the reflected waves occurred in the closed space. Especially, the incident acoustic power largely increases on the outside of ...
In a tunnel, interior noise of a high speed train increases by 5dB~7dB. The reason is that the sound intensity of the acoustic field in the tunnel significantly increases by the reflected waves occurred in the closed space. Especially, the incident acoustic power largely increases on the outside of the compartment side panel and large transmission of noise is available through the side panel and the glass window. In this paper, the sound insulation strategy in the tunnel is proposed for the next generation high speed train under development. Specimens of the aluminum extruded panels, layered panels and double glazed window are manufactured and intensity transmission loss is measured according to ASTM E2249-02. Based on the measured data, problems in the sound insulation performance are diagnosed and the sound insulation strategy is reviewed on each panel and layered structures.
In a tunnel, interior noise of a high speed train increases by 5dB~7dB. The reason is that the sound intensity of the acoustic field in the tunnel significantly increases by the reflected waves occurred in the closed space. Especially, the incident acoustic power largely increases on the outside of the compartment side panel and large transmission of noise is available through the side panel and the glass window. In this paper, the sound insulation strategy in the tunnel is proposed for the next generation high speed train under development. Specimens of the aluminum extruded panels, layered panels and double glazed window are manufactured and intensity transmission loss is measured according to ASTM E2249-02. Based on the measured data, problems in the sound insulation performance are diagnosed and the sound insulation strategy is reviewed on each panel and layered structures.
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문제 정의
전 주파수영역에서 낮은 투과손실은 2중창의 공기층 간격이 바닥이나 측면재에서보다 훨씬 좁은 것이 원인이며, 130Hz 부근의 급락은 2중창 공진의 댐핑이 작은 것이 원인이다. 공기층에 댐핑재를 채울 수는 없으므로 창과 창을 잇는 브릿지 댐퍼의 설치를 검토해볼 만하다. 한편, 라미네이트 유리창을 사용함으로써, 1200Hz 부근에서의 일치 효과는 작게 발생하고 있다.
본 연구에서는 고속철도 차량의 측면이 터널 내에서 급격히 상승하는 외부 음압을 차단하는 데에 문제가 없는지를 검토하고 대책을 제시하고자 한다. 현재 개발중인 차세대 고속열차인 HEMU-430X의 측면 압출재, 적층재, 그리고 복층유리창 시편을 제작하여, ASTM E2249-02에[7] 따라 인텐시티 투과손실(Intensity transmission loss)을 측정한다.
따라서 터널내 실내소음의 저감을 위해서 측면의 차음성능을 높이는 종합적인 대책이 필요하다. 적층재의 차음성능은 층별 차음성능과 적층 방법에 지배되므로, 본 연구에서는 이 두 가지 측면에서 문제의 원인을 규명하고 대처 방안을 찾고자 한다.
측면재와 유리창의 투과손실로부터 측면의 평균투과손실을 산정하고, 바닥재와 비교한다. 최종적으로 측면 적층재와 이중 유리창을 대상으로 차음성능의 향상을 위한 층별 개선 방안과 적층방법의 개선 방안을 제시하고자 한다.
현재 개발중인 차세대 고속철도차량의 도면자료와 차음성능 측정결과를 분석한 결과, 다음의 터널 내 실내소음 저감 전략을 제시하고자 한다.
차량의 측면에도 적용한다면 상당한 차음성능 개선 효과가 기대된다. 현재 측면용 충전 폼 모델이 나오지 않은 상태라, 본 연구에서는 6% 중량비의 일반 폼을 측면 압출재에 충전시켰을 때의 효과를 검토하였다. Fig.
제안 방법
현재 개발중인 차세대 고속열차인 HEMU-430X의 측면 압출재, 적층재, 그리고 복층유리창 시편을 제작하여, ASTM E2249-02에[7] 따라 인텐시티 투과손실(Intensity transmission loss)을 측정한다. 바닥 압출재 및 적층재의 차음성능은 선행 연구결과를 활용하여 비교 분석한다. 측면재와 유리창의 투과손실로부터 측면의 평균투과손실을 산정하고, 바닥재와 비교한다.
본 연구에서는 압출재 중량의 6%에 상당하는 우레탄 폼과, 일본 신간센 바닥에 적용하는 폼 모델인 ADF4060J 및 국산 고속철도 차량 바닥용 폼 모델인 ADF4060K를 충전시켰을 때의 투과손실을 비교한다. Table 3은 시가지 모델의 면밀도이다.
이를 위하여 Fig. 4의 음원실과 수음실 사이의 개구부(840mm×840mm)에 시편(836mm×836mm)을 설치하고, 음원실에서의 평균 음압과 수음실 측시편상의 평균 인텐시티를 측정하여 다음의 과정을 거쳐 음투과 손실을 결정하였다.
바닥 압출재 및 적층재의 차음성능은 선행 연구결과를 활용하여 비교 분석한다. 측면재와 유리창의 투과손실로부터 측면의 평균투과손실을 산정하고, 바닥재와 비교한다. 최종적으로 측면 적층재와 이중 유리창을 대상으로 차음성능의 향상을 위한 층별 개선 방안과 적층방법의 개선 방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 고속철도 차량의 측면이 터널 내에서 급격히 상승하는 외부 음압을 차단하는 데에 문제가 없는지를 검토하고 대책을 제시하고자 한다. 현재 개발중인 차세대 고속열차인 HEMU-430X의 측면 압출재, 적층재, 그리고 복층유리창 시편을 제작하여, ASTM E2249-02에[7] 따라 인텐시티 투과손실(Intensity transmission loss)을 측정한다. 바닥 압출재 및 적층재의 차음성능은 선행 연구결과를 활용하여 비교 분석한다.
이론/모형
ASTM E2249-02에[7] 근거하여 인텐시티 투과손실(Intensity transmission loss)을 측정하였다. 이를 위하여 Fig.
성능/효과
(2) 알루미늄 적층재와 이중 유리창으로 구성되는 측면의 평균투과손실은 바닥에 비해 전 주파수 영역에서 7dB이상낮다. 그 원인은 측면 적층재와 2중 유리창 모두 바닥재에 비해 매우 낮은 투과손실을 보이기 때문이다.
(3) 2중 유리창은 130Hz 부근에서 이중창 공진으로 투과손실이 급락하고, 얇은 공기층 간격 때문에 바닥 및 측면재보다 무거움에도 가장 낮은 투과손실을 보였다.
(4) 측면 압출재의 차음성능은 바닥 압출재보다 나쁘지 않으나, 적층된 상태에서는 바닥 적층재에 비해서 측면 적층재의 차음성능이 현저히 떨어진다. 그 원인은 측면에 사용되는 노멕스 허니콤 층이 바닥의 합판 및 커버 층에 비해 훨씬 가벼운 점과, 노멕스 허니콤과 압출재 사이의 유리면층이 바닥의 유리면 층에 비해 얇은 데에 기인한다.
결론적으로, 2중 창에서 가장 중점적으로 해결해야 할 문제는 전체 주파수 영역에서의 차음 성능 향상인데, 식 (10)에서 2중창의 투과손실을 전반적으로 높이려면 층별 투과손실의 합에서 감해지는 20log10(2kd)항을 최소화 시켜야 한다. 이 항은 현재의 이중 유리창 간격에서는 500Hz에서 -11dB 정도 나온다.
(b)에서 200Hz~300Hz에서 전체 공진에 의한 피크를 볼 수 있는데, 폼 충전에 의한 댐핑 증가효과는 별로 보이지 않는다. 그러나 700Hz 이후의 많은 국부공진 피크들은 폼 충전으로 그 레벨이 상당히 감소하는 것을 볼 때, 폼 충전은 전체 모드 보다는 국부 진동모드의 댐핑을 크게 증가시키는 효과가 있음을 확인할 수 있다. 향후 전용 폼재를 적용한다면 훨씬 좋은 효과가 기대된다.
후속연구
(5) 따라서 측면의 평균투과손실을 향상시키기 위해서는측면 적층 구조와 2중 유리창 구조의 개선이 동시에 필요하다. 중량을 크게 증가시키지 않도록, 알루미늄 압출재보다는 노멕스 허니콤재의 면밀도를 증가시키고 유리면 층을 강화시킬 필요가 있다.
참고문헌[3]에서도 터널 내에서는 실내 중앙보다는 유리창 부근에서의 소음레벨이 더 높게 나오는 것으로 보고하고 있다. 이러한 상황을 종합할 때, 터널 내 실내 소음을 낮추기 위해서는 바닥의 차음성능 향상보다는 측면의 차음성능을 높이는 것이 우선하며, 이를 위해서는 전술한 바와 같이 2중 유리창과 적층 구조를 동시에 개선할 필요가 있다.
국내 생산 모델(ADF4060K)이 500Hz에서 5dB, 1000Hz 이후 10dB 이상의 투과손실을 증가시키는 점은 고무적이다. 차량의 측면에도 적용한다면 상당한 차음성능 개선 효과가 기대된다. 현재 측면용 충전 폼 모델이 나오지 않은 상태라, 본 연구에서는 6% 중량비의 일반 폼을 측면 압출재에 충전시켰을 때의 효과를 검토하였다.
그러나 700Hz 이후의 많은 국부공진 피크들은 폼 충전으로 그 레벨이 상당히 감소하는 것을 볼 때, 폼 충전은 전체 모드 보다는 국부 진동모드의 댐핑을 크게 증가시키는 효과가 있음을 확인할 수 있다. 향후 전용 폼재를 적용한다면 훨씬 좋은 효과가 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도차량의 고속화 및 그에 따른 경향화는 필연적으로 어떤 문제를 야기하는가?
2002년 최고속도 350km/h급 HSR350X차량이 개발되었으며, 현재 운행중인 KTX-sancheon의 상용화 성과를 바탕으로, 2007년 4월부터는 설계 속도 430km/ h, 영업운전속도 370km/h을 목표로, 차세대 동력 분산형 고속전철인 HEMU-430X의 개발사업이 시작되어 현재 시운전을 앞두고 있다[1]. 이러한 철도차량의 고속화 및 그에 따른 경량화는 필연적으로 차실 내외의 소음을 증가시키고 실내 정숙도를 악화시킨다. 특히 터널 내부에서는 폐공간에서의 반사파로 인하여 차체외부의 음향 인텐시티가 급격히 증가하여 실내소음의 증가를 가져온다.
현재 개발중인 차세대 고속철도차량의 도면자료와 차음성능 측정결과를 분석하고, 터널 내 실내소음 저감 전략을 제시하여 어떤 결론을 얻을 수 있는가?
(1) 터널 내에서는 차량 측면 외부의 음향 인텐시티가 급격히 증가하므로, 실내소음을 저감시키기 위해서는 바닥보다는 측면의 투과손실을 향상시키는 것이 우선한다.
(2) 알루미늄 적층재와 이중 유리창으로 구성되는 측면의 평균투과손실은 바닥에 비해 전 주파수 영역에서 7dB이상낮다. 그 원인은 측면 적층재와 2중 유리창 모두 바닥재에비해 매우 낮은 투과손실을 보이기 때문이다.
(3) 2중 유리창은 130Hz 부근에서 이중창 공진으로 투과손실이 급락하고, 얇은 공기층 간격 때문에 바닥 및 측면재보다 무거움에도 가장 낮은 투과손실을 보였다.
(4) 측면 압출재의 차음성능은 바닥 압출재보다 나쁘지 않으나, 적층된 상태에서는 바닥 적층재에 비해서 측면 적층재의 차음성능이 현저히 떨어진다. 그 원인은 측면에 사용되는 노멕스 허니콤 층이 바닥의 합판 및 커버 층에 비해 훨씬 가벼운 점과, 노멕스 허니콤과 압출재 사이의 유리면층이 바닥의 유리면 층에 비해 얇은 데에 기인한다.
(5) 따라서 측면의 평균투과손실을 향상시키기 위해서는측면 적층 구조와 2중 유리창 구조의 개선이 동시에 필요하다. 중량을 크게 증가시키지 않도록, 알루미늄 압출재보다는 노멕스 허니콤재의 면밀도를 증가시키고 유리면 층을 강화시킬 필요가 있다. 동시에 이중 유리창의 공기 층 간격을 증가시키면 2중창 공진대역을 낮추고 전체 주파수대역의 투과손실을 높일 수 있다.
터널 내부에서 실내소음이 증가되는 원리는?
이러한 철도차량의 고속화 및 그에 따른 경량화는 필연적으로 차실 내외의 소음을 증가시키고 실내 정숙도를 악화시킨다. 특히 터널 내부에서는 폐공간에서의 반사파로 인하여 차체외부의 음향 인텐시티가 급격히 증가하여 실내소음의 증가를 가져온다. 터널 내 음장의 광음향 해석 연구[2]에 따르면, 차량 바닥의 외부는 개활지 대비 음압의 증가가 크지 않으나, 차량 측면의 외부는 개활지 대비 15dB이상 음압레벨이 증가하는 것으로 나오고 있다.
참고문헌 (13)
http://www.hstrain.re.kr/
D. Song, J. Kim (2010) Development of the Performance and Operation-based Technology of HEMU-400x : Noise Reduction Technology of Interior and Exterior Field (I-2-01), Research Report, KICTEP.
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