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문제 정의
- 모델링 과정을 수행하기 위해서는 우선 제어하고자 하는 소음과 유사한 특성을 가지는 소음이거나, 혹은 제어하고자 하는 소음, 제어 대상과 유사한 주파수 영역에 대한 소음을 이용해야한다. 본 논문에서는 KTX의 실내소음 저감을 위해 유사한 환경의 Test-bed에서 모델링 과정을 수행하였음을 시사한다. 그리고 KTX가 운행 중일 때 발생하는 실내소음과 유사한 주파수 영역대인 120Hz와 280Hz의 Pure-tone을 사용하여 모델링 과정을 수행하였다.
- Test-bed 내부에서 장비들의 위치에 대한 두 가지의 경우에 대하여 소음이 전달되는 경로에 대한 모델링 과정과 2차 경로 추정 과정 완료 후, 각각의 전달함수 값들을 이용하여 KTX의 실내소음을 이용한 소음저감 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 FFT 분석을 통하여 모델링의 유무에 대한 모델링 결과에 대한 소음저감의 정도와 저감된 소음의 주파수 영역에 대한 분석을 통하여 모델링의 필요성과 소음저감 정도에 대하여 말하고자 한다. 시뮬레이션을 수행하기 위하여 사용된 소음은 KTX가 광명터널을 130～170km/h로 주행할 때, 동반석의 위치에서 측정한 소음을 사용하였다.
제안 방법
- 2차 경로 추정 과정은 모델링의 과정과 동일하게 수행하며, 본 논문에서는 KTX가 운행할 때 발생하는 실내소음을 측정하고, 이 소음데이터를 2차 경로 추정을 위한 소음원으로 사용하였다.
- Test-bed 내부에서 장비들의 위치에 대한 두 가지의 경우에 대하여 소음이 전달되는 경로에 대한 모델링 과정과 2차 경로 추정 과정 완료 후, 각각의 전달함수 값들을 이용하여 KTX의 실내소음을 이용한 소음저감 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 FFT 분석을 통하여 모델링의 유무에 대한 모델링 결과에 대한 소음저감의 정도와 저감된 소음의 주파수 영역에 대한 분석을 통하여 모델링의 필요성과 소음저감 정도에 대하여 말하고자 한다.
- 본 논문에서는 KTX의 실내소음 저감을 위해 유사한 환경의 Test-bed에서 모델링 과정을 수행하였음을 시사한다. 그리고 KTX가 운행 중일 때 발생하는 실내소음과 유사한 주파수 영역대인 120Hz와 280Hz의 Pure-tone을 사용하여 모델링 과정을 수행하였다. 본 논문에서 선정한 120Hz와 280Hz의 주파수에 대한 모델링을 통한 시뮬레이션 결과 비교 분석은 KTX에 실제 능동소음제어 시스템을 장착하였을 때의 소음저감 결과를 예측하는데 도움이 될 것으로 사료된다.
- 본 논문에서 선정한 120Hz와 280Hz의 주파수에 대한 모델링을 통한 시뮬레이션 결과 비교 분석은 KTX에 실제 능동소음제어 시스템을 장착하였을 때의 소음저감 결과를 예측하는데 도움이 될 것으로 사료된다. 따라서 본 모델링을 수행하기 위하여 Test-bed 내부에 그림 1과 같이 장비들을 설치하고, 함수발생기를 이용하여 정현파 120Hz, 280Hz의 Pure Tone을 소음 스피커에서 발생시켜 Test-bed 내에서 소음이 어떻게 전달되는지에 대한 Test-bed 내부 모델링을 수행하였다.
- 표 2는 경로 P1～P2에 대한 전달함수 값을 나타낸 것으로, 같은 방법으로 경로 S11～S22까지의 전달함수 값을 전부 구하였다. 또한 280Hz에서의 모델링도 역시 120Hz와 같은 방법으로 모델링 과정을 수행하여 필터차수와 각 경로에 대한 전달함수 값을 구하였다.
- 본 논문에서는 능동소음제어 방법을 이용하여 소음을 제어하고자 하는 대상을 KTX로 하였으며, KTX의 실내와 유사한 환경의 Test-bed를 이용하여 모델링 과정을 수행하기 전과 수행 후에 대한 소음 저감 정도를 비교하기 위하여 다중채널 FXLMS(Filtered-X LMS) 알고리즘을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 소음 전달 경로에 대한 전달함수를 구하기 위해 그림 2와 같이 Test-bed 내부에 설치한 각 장치들에 대한 소음전달 경로를 파악하기 위해 P1(z)∼S22(Z)의 모델링을 실시하였다.
- 위와 같이 소음 전달 경로에 대한 값과 장비들 사이에 존재하는 부가 경로에 대한 값이 구해지면, 이를 이용한 시뮬레이션을 통해 모델링 과정을 수행하기 전과 수행 후의 결과를 비교하여 모델링 과정이 능동소음제어를 이용한 소음 저감에서 어떠한 영향을 미치는지에 대한 분석을 하였다.
- 시뮬레이션을 수행하기 위하여 사용된 소음은 KTX가 광명터널을 130～170km/h로 주행할 때, 동반석의 위치에서 측정한 소음을 사용하였다. 측정한 소음은 그림 12와 같으며 소음저감 결과는 충분한 결과를 보이기 위해 4초부터 능동소음제어 방법을 통해 소음이 저감되도록 하였다.
대상 데이터
- 그림 1의 Sp에서 Pure-tone 소음을 출력하고, 그림 3의 NI 9234 장비와 연결된 M0, M1, M2의 마이크로폰으로 그 소음을 측정하여 입출력 관계 Data를 취득하였다. 마찬가지로 S1과 S2에서도 소음을 출력하여 M0, M1, M2에서 입출력 관계 데이터를 취득하였다.
- 또한, 필터차수를 선정함에 있어 오차값이 최소가 되는 결과를 만족하더라도 본 제어 알고리즘에서 수렴속도의 증가로 인하여 오히려 불안정한 소음저감 결과를 초래하기 때문에, 선정함에 있어서 주의를 해야 한다. 본 논문에서는 필터차수를 32차수로 선정하였다.
- 시뮬레이션 결과를 FFT 분석을 통하여 모델링의 유무에 대한 모델링 결과에 대한 소음저감의 정도와 저감된 소음의 주파수 영역에 대한 분석을 통하여 모델링의 필요성과 소음저감 정도에 대하여 말하고자 한다. 시뮬레이션을 수행하기 위하여 사용된 소음은 KTX가 광명터널을 130～170km/h로 주행할 때, 동반석의 위치에서 측정한 소음을 사용하였다. 측정한 소음은 그림 12와 같으며 소음저감 결과는 충분한 결과를 보이기 위해 4초부터 능동소음제어 방법을 통해 소음이 저감되도록 하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 값의 차이가 최소가 되는 경로의 전달함수를 찾기 위해 LMS 알고리즘을 이용하여 그림 4, 그림 5, 그림 6과 같이 오차값이 ‘0’으로 수렴 할 때의 수렴 계수 값을 필터차수로 선정하며, 여기에서 정해진 필터차수 값은 본 제어 알고리즘을 수행 할 때까지 고정이 된다.
성능/효과
- 그림 14는 Test-bed의 소음전달경로에 대한 모델링을 Case 1의 경우에서 120Hz로 수행하고 난 후 소음 저감 시뮬레이션을 수행하였을 때의 결과이다. 결과에 대하여 FFT 분석을 한 결과 모델링을 수행하지 않았을 때에 비해 확실히 더 좋은 저감 성능 결과를 가지고 오는 것을 알 수 있다. 또한, 제어 신호가 소음신호보다 증폭이 되지 않아 소음이 전체적으로 많이 저감되는 것을 알 수 있으며, 에러마이크 1번에서는 20.
- 그림 13은 Test-bed의 소음전달경로에 대한 모델링을 수행하지 않고 소음 저감 시뮬레이션을 수행하였을 때의 결과이다. 결과에 대하여 FFT 분석을 한 결과 오히려 제어 신호의 크기가 기존 소음에 비해 더욱 커지거나 제대로 저감이 잘 되지 않은 현상을 볼 수 있었으며, 에러마이크 1번에서는 0.71dB, 2번 마이크에서는 0.39dB의 저감성능을 보이며 소음제어 전과 제어 후의 차이를 느낄 수 없을 정도의 결과가 나왔다.
- 결과에 대하여 FFT 분석을 한 결과 모델링을 수행하지 않았을 때에 비해 확실히 더 좋은 저감 성능 결과를 가지고 오는 것을 알 수 있다. 또한, 제어 신호가 소음신호보다 증폭이 되지 않아 소음이 전체적으로 많이 저감되는 것을 알 수 있으며, 에러마이크 1번에서는 13.81dB, 2번 마이크에서는 34.34dB의 저감성능을 보이며 소음제어 전과 제어 후의 차이를 확실히 느낄 수 있는 결과를 볼 수 있다.
- 결과에 대하여 FFT 분석을 한 결과 모델링을 수행하지 않았을 때에 비해 확실히 더 좋은 저감 성능 결과를 가지고 오는 것을 알 수 있다. 또한, 제어 신호가 소음신호보다 증폭이 되지 않아 소음이 전체적으로 많이 저감되는 것을 알 수 있으며, 에러마이크 1번에서는 20.33dB, 2번 마이크에서는 23.35dB의 저감성능을 보이며 소음제어 전과 제어 후의 차이를 확실히 느낄 수 있는 결과를 볼 수 있다.
- 위와 같이 시뮬레이션 수행을 통해 Test-bed 내부의 모델링의 중요성과 필요성, 제어스피커와 에러마이크의 장치에 따른 소음저감에 대한 특성을 볼 수 있었다. 소음이 전달되는 경로에 대하여 모델링을 수행하지 않았을 때는, 능동소음제어 방법을 이용한 소음 제어를 수행하기 전과 후의 소음 저감 정도가 거의 차이가 나지 않았다.
- 하지만, 소음전달 경로에 대하여 120Hz와 280Hz의 주파수 영역에 대해서 모델링 과정을 수행 한 후의 시뮬레이션 결과는 소음 저감 효과에 대한 확실한 차이를 보여줌을 알 수 있었다. 이와 같이 Test-bed에 대한 모델링 과정을 수행하고 2차 경로 추정 후, 시뮬레이션 결과를 분석한 결과, 소음을 제어하고자 하는 3차원 공간의 대상에서 소음이 어떻게 전달되는지에 대한 경로에 대한 정보가 있어야 더 좋은 소음저감 결과를 낼 수 있다는 것을 입증 할 수 있었으며, 소음을 제어하고자 하는 대상에 대한 모델링의 중요성과 필요성에 대해서 확인 할 수 있었다.
- 소음이 전달되는 경로에 대하여 모델링을 수행하지 않았을 때는, 능동소음제어 방법을 이용한 소음 제어를 수행하기 전과 후의 소음 저감 정도가 거의 차이가 나지 않았다. 하지만, 소음전달 경로에 대하여 120Hz와 280Hz의 주파수 영역에 대해서 모델링 과정을 수행 한 후의 시뮬레이션 결과는 소음 저감 효과에 대한 확실한 차이를 보여줌을 알 수 있었다. 이와 같이 Test-bed에 대한 모델링 과정을 수행하고 2차 경로 추정 후, 시뮬레이션 결과를 분석한 결과, 소음을 제어하고자 하는 3차원 공간의 대상에서 소음이 어떻게 전달되는지에 대한 경로에 대한 정보가 있어야 더 좋은 소음저감 결과를 낼 수 있다는 것을 입증 할 수 있었으며, 소음을 제어하고자 하는 대상에 대한 모델링의 중요성과 필요성에 대해서 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 그리고 KTX가 운행 중일 때 발생하는 실내소음과 유사한 주파수 영역대인 120Hz와 280Hz의 Pure-tone을 사용하여 모델링 과정을 수행하였다. 본 논문에서 선정한 120Hz와 280Hz의 주파수에 대한 모델링을 통한 시뮬레이션 결과 비교 분석은 KTX에 실제 능동소음제어 시스템을 장착하였을 때의 소음저감 결과를 예측하는데 도움이 될 것으로 사료된다. 따라서 본 모델링을 수행하기 위하여 Test-bed 내부에 그림 1과 같이 장비들을 설치하고, 함수발생기를 이용하여 정현파 120Hz, 280Hz의 Pure Tone을 소음 스피커에서 발생시켜 Test-bed 내에서 소음이 어떻게 전달되는지에 대한 Test-bed 내부 모델링을 수행하였다.
- 향후에는 본 시뮬레이션을 토대로 실제 3차원 공간에 능동소음제어 장비를 구축하고, 소음저감 실험을 수행할 예정이다. 실제 3차원 공간에서도 모델링의 유무에 따른 실험결과 비교를 통해 모델링의 필요성과 중요성을 검증할 것이다.
- 향후에는 본 시뮬레이션을 토대로 실제 3차원 공간에 능동소음제어 장비를 구축하고, 소음저감 실험을 수행할 예정이다. 실제 3차원 공간에서도 모델링의 유무에 따른 실험결과 비교를 통해 모델링의 필요성과 중요성을 검증할 것이다.
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