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철도 차륜 및 레일 진동 특성 해석을 통한 전동 소음 모델 연구
Study on the Rolling Noise Model Using an Analysis of Wheel and Rail Vibration Characteristics 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.16 no.3 = no.76, 2013년, pp.175 - 182  

장승호 (Korea Railroad Research Institute) ,  유정수 (School of Naval Architecture and Ocean Engineering, University of Ulsan)

초록
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전동 소음은 철도의 주요한 소음 중 하나이며, 차륜과 레일의 음향 조도에 의해 차륜 및 레일이 진동하면서 발생한다. 이러한 전동 소음의 저감 대책을 수립하기 위해서는 관련 인자들의 영향을 파악할 수 있는 예측모델이 필요하다. 본 논문에서는 차륜과 레일의 진동 특성을 이용해 전동 소음을 예측하기 위한 모델링에 관해 다루었다. 슬라브 도상 궤도에 대하여 1단 이산 탄성 지지 구조를 가진 보로 모델링 하였으며, 차륜 진동은 유한요소법을 이용한 수치해석을 적용하였다. 수직 및 수평방향 차륜-레일 집촉력들의 연성은 선형 Hertzian 접촉이론으로 모델링 하였고, 차륜과 레일의 진동 응답을 계산한 후 방사되는 소음을 예측하였다. 예측 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 시험차량에 대해 전동 소음을 측정하였다. 예측치가 측정치와 잘 일치하였으며, 특히 전동 소음이 주요하게 기여하는 200~4000Hz 주파수 대역에서 유사한 경향으로 나타남을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Rolling noise is an important source of noise from railways; it is caused by wheel and rail vibrations induced by acoustic roughness at the wheel/rail contact. To reduce rolling noise, it is necessary to have a reliable prediction model that can be used to investigate the effects of various paramete...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에 제시된 철도 전동 소음 예측 모델의 신뢰성을 확인하기 위하여 HEMU 차량이 국내 슬라브 도상 궤도를 주행할 때 발생하는 전동 소음을 본 모델을 이용하여 계산하였다. 슬라브 도상 궤도는 1단 이산 탄성 지지 구조로 모델링 하였으며 차륜 진동은 해석의 정확도를 높이기 위해 유한요소법을 이용한 수치해석을 적용하였다.
  • 본 논문에서 제시된 철도 전동 소음 모델을 이용하여 HEMU 차량 주행 시의 전동 소음에 대한 예측을 수행하였다. 예측 및 측정 대상 지역은 경부 2단계 305.
  • 본 논문에서는 차세대 고속철도 시험차량 HEMU-430X(이하 HEMU)가 국내 슬라브도상 궤도를 주행할 때 음향 조도에 의한 차륜 및 레일의 진동 가진 및 응답을 해석하고, 각 진동 성분에 의한 음향 파워를 계산하였다. 특히, 차륜-레일 크립력의 6개 방향(3축의 병진 및 3축의 회전 방향) 성분 중에서 주요한 수직-수평 방향 성분을 이용하는 예측 모델을 유도하여 적용하였으며, 대상 차륜 및 레일의 음향 조도를 계측하여 입력하였다.
  • 본 논문에서는 철도 전동 소음을 예측하기 위한 차륜-레일 접촉, 레일 진동, 차륜 진동 모델링에 관하여 기술하였다. 철도 전동 소음 예측 모델에서는 차륜과 레일의 음향 조도에 의하여 가진된 차륜 및 레일의 진동 응답을 해석하고, 각 진동 성분에 의한 음향 파워를 계산하였다.

가설 설정

  • 레일 및 차륜 소음원에 대한 기존의 실험적 연구[1]에서 차륜의 반지름 방향 소음은 단극자 특성, 차륜의 차축 방향 소음은 쌍극자 특성, 레일의 수직방향 소음은 단극자 선음원, 레일의 수평방향 소음은 쌍극자 선음원의 지향 특성과 유사함이 보고된 바 있다. 본 논문에서는 그러한 각 소음원 성분의 지향 특성에 대한 가정을 이용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전동 소음은 어떻게 발생되는가? 철도 소음은 발생원의 종류에 따라서 전동 소음(rolling noise), 동력 소음(engine or motor noise), 공력 소음(flow noise)으로 구분된다. 이 중 전동 소음은 철도 차량이 레일(rail) 위를 주행할 때 차륜(wheel)과 레일의 표면 거칠기(surface roughness)에 의해 생기는 가진력에 따라 차륜과 레일이 진동하면서 발생된다. 여기서 소음 발생과 관련한 파장 범위의 거칠기를 음향 조도(acoustic roughness)라고 한다[1].
철도 전동 소음 예측 모델을 활용하여 HEMU 차량이 국내 슬라브 도상 궤도를 주행할 때 발생하는 전동 소음을 측정한 결과는 어떻게 되는가? 철도 전동 소음의 가진력은 레일과 차륜의 음향 조도이므로, 측정이 이루어진 궤도 구간의 레일 음향 조도와 HEMU 차륜의 음향 조도를 계측하여 입력값으로 이용하였다. 예측된 전동 소음의 성분별 기여도를 보면 약 300~3000Hz 구간에서 레일 소음이 차륜 소음보다 크게는 약 10dB 이상 높았으며, 특히 레일의 수직 방향 진동에 의해 발생하는 소음이 주요하게 기여하는 것으로 예측되었다. 슬라브 도상 궤도에서 측정한 HEMU의 통과 소음도는 총합 소음도 비교에서 측정값과 예측값이 약 0.4dB의 작은 오차를 보였으며, 특히 전동 소음이 주요하게 발생하는 약 200~4000Hz 주파수 대역에서 두 결과가 유사함을 확인하였다. 따라서 본 전동 소음 예측 모델이 신뢰성을 갖는 것으로 판단된다. 다만 약 200Hz 미만의 저주파수 대역에서는 예측치와 측정치 사이에 다소 큰 오차가 관측되었는데, 이는 본 전동 소음 해석 모델에 포함되지 않은 공력 또는 동력소음이 저주파수 대역에서 측정치에 기여하였기 때문으로 사료된다.
철도 소음은 발생원에 따라 무엇으로 구분되는가? 철도 소음은 발생원의 종류에 따라서 전동 소음(rolling noise), 동력 소음(engine or motor noise), 공력 소음(flow noise)으로 구분된다. 이 중 전동 소음은 철도 차량이 레일(rail) 위를 주행할 때 차륜(wheel)과 레일의 표면 거칠기(surface roughness)에 의해 생기는 가진력에 따라 차륜과 레일이 진동하면서 발생된다.
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참고문헌 (12)

  1. D.J. Thompson (2009) Railway Noise and Vibration: Mechanisms, Modelling and Means of Control, Elsevier Ltd., Oxford, UK, pp. 11-20. 

  2. P.J. Remington (1987) Wheel/rail rolling noise, I: theoretical analysis, Journal of the Acoustical Society of America, 81, pp. 1805-1823. 

  3. D.J. Thompson (1993) Wheel/rail noise generation, part I: introduction and interaction model, Journal of Sound and Vibration, 161, pp. 387-400. 

  4. D.J. Thompson (1993) Wheel/rail noise generation, part IV: contact zone and results, Journal of Sound and Vibration, 161, pp. 447-466. 

  5. J. Ryue, S. Jang (2012) Comparison of track vibration characteristics for domestic railway tracks in the aspect of rolling noise, Journal of the Korean Society for Railway, 16(2), pp. 85-92. 

  6. J.J. Kalker (1990) Three dimensional elastic bodies in rolling contact, Kuwer Academic Publishers, Dordrecht. pp. 287-289. 

  7. D.J. Thompson (1993) Wheel-rail noise generation, part V: inclusion of wheel rotation, Journal of Sound and Vibration, 161, pp. 467-482. 

  8. EN 15610 (2009) Railway applications - Noise emission - Rail roughness measurement related to rolling noise generation. 

  9. ISO 3095 (2005) Railway applications - Acoustics - Measurements of noise emitted by railbound vehicles. 

  10. Commission of the European Communities (2008) Technical specification for interoperability relating to the rolling stock sub-system of the trans-European high-speed rail system, Official Journal of the European Union (2008/232/CE). 

  11. ISO 9613-2 (1996) Acoustics - Attenuation of sound during propagation outdoors - part 2: general method of calculation. 

  12. B. Plovsing, J. Kragh (2006) Nord2000, Comprehensive outdoor sound propagation model. Part 1: propagation in an atmosphere without significant refraction, DELTA Acoustics & Vibration Report AV 1849/00, revised version. 

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