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.
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.
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...
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 parameters related to the rolling noise. This paper deals with modeling rolling noise from wheel and rail vibrations. In this study, the track is modeled as a discretely supported beam by regarding concrete slab tracks, and the wheel vibration is simulated by using the finite element method. The vertical and lateral wheel/rail contact forces are modeled using the linearized Hertzian contact theory, and then the vibration responses of the wheel and rail are calculated to predict the radiated noise. To validate the proposed model, a field measurement was carried out for a test vehicle. It was found that the predicted result agrees well with the measured one, showing similar behavior in the frequency range between 200 and 4000 Hz where the rolling noise is prominent.
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 parameters related to the rolling noise. This paper deals with modeling rolling noise from wheel and rail vibrations. In this study, the track is modeled as a discretely supported beam by regarding concrete slab tracks, and the wheel vibration is simulated by using the finite element method. The vertical and lateral wheel/rail contact forces are modeled using the linearized Hertzian contact theory, and then the vibration responses of the wheel and rail are calculated to predict the radiated noise. To validate the proposed model, a field measurement was carried out for a test vehicle. It was found that the predicted result agrees well with the measured one, showing similar behavior in the frequency range between 200 and 4000 Hz where the rolling noise is prominent.
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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.
제안 방법
본 논문에서는 Fig. 9(a)에 보인 Rail-Measurement사의 CAT(Corrugation Analysis Trolley)를 이용하여 측정지(경부 2단계 구간 305.6 KP 지점) 레일의 음향 조도를 측정하였다. 본 장비는 빔 위에 설치된 가속도계로 레일 면 요철을 접촉 방식으로 스캔하고 가속도 신호를 두 번 적분하여 레일의 조도 변위를 구할 수 있으며, 최종적으로 1/3-옥타브 밴드 파장별 조도 스펙트럼을 출력한다.
Fig. 10과 11에 측정된 레일 및 차륜의 음향 조도를 나타내었으며, 각각 ISO 3095[9] 및 TSI[10]시험 조건에 제시되어 있는 음향 조도 기준치와 비교하였다. 레일의 경우 레일 두부의 안쪽면에서 20~40mm 위치의 5mm 간격으로 측정한 결과를 나타내었다.
7에는 HEMU 차륜에 대한 유한요소 모델을 나타내었다. Fig. 7에서는 이해를 돕기 위하여 절단된 차륜으로 표현하였으나 실제 해석에서는 차륜 전체에 대해서 유한요소 해석을 수행하였으며, 차륜 허브에 해당하는 면에 고정 지지의 경계조건을 적용하였다. 그리고 유한요소 해석을 통해 얻은 결과에 윤축(wheelset)의 강체 운동 모드를 추가 보정하여 진동 응답 특성의 결과로 이용하였다.
7에서는 이해를 돕기 위하여 절단된 차륜으로 표현하였으나 실제 해석에서는 차륜 전체에 대해서 유한요소 해석을 수행하였으며, 차륜 허브에 해당하는 면에 고정 지지의 경계조건을 적용하였다. 그리고 유한요소 해석을 통해 얻은 결과에 윤축(wheelset)의 강체 운동 모드를 추가 보정하여 진동 응답 특성의 결과로 이용하였다.
그러나 일반적인 경우 레일 및 차륜의 조도 스펙트럼이 광대역의 특성을 가지므로 1/3-옥타브 밴드 또는 전체 레벨에서는 그 영향이 크지 않게 된다. 본 논문에서는 1/3-옥타브 밴드별 분석을 수행하므로 회전 효과를 무시하고 계산하였다.
수치적인 방법에서는 유한요소(FE) 해석을 통하여 모드 정보를 계산하며 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있다. 본 논문에서는 HEMU 차륜 진동 특성에 대하여 ANSYS 프로그램을 이용한 FE 수치해석을 수행하고 임팩트 테스트를 통한 측정 결과와 비교하였다. 계산에 이용한 차륜의 제원 및 물성치는 Table 1에서 볼 수 있으며, Fig.
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. 철도 전동 소음의 가진력은 레일과 차륜의 음향 조도이므로, 측정이 이루어진 궤도 구간의 레일 음향 조도와 HEMU 차륜의 음향 조도를 계측하여 입력값으로 이용하였다.
본 장치에는 변위 센서가 차륜의 중심을 향하여 고정하기 쉽도록 중심조정봉을 설치하였다. 이를 이용하여 차륜 답면의 축 방향으로 서로 다른 몇 지점에 대하여 차륜 음향 조도 스펙트럼을 측정하고 평균하였다. 이 때 차륜의 원주 방향으로 0.
철도 전동 소음에 대한 이론적 모델은 Remington[2]에 의하여 처음으로 제안되었으나, 해당 모델은 차륜-레일 접촉에서의 크립력(creep force)을 고려하지 않는 등 비교적 간단화한 모델이었다. 이후 Thompson[3,4]이 더욱 세밀하고 확장된 모델을 제안하였으며, 해당 이론을 바탕으로 상용 프로그램인 TWINS(Track-Wheel Interaction Noise Software)를 개발하였다. 유럽의 경우 TWINS를 이용하여 전동 소음에 기여하는 각 소음원 별 진동 및 소음 특성을 해석하고 실험을 통해 검증하는 일련의 과정을 수행해 오고 있다.
또한 HEMU 차량은 동력 분산식이며 차륜 디스크 또는 차축 디스크를 이용한 제동 방식을 이용하여 차륜들의 음향 조도는 큰 차이가 발생하지 않았다. 이후의 계산에서는 레일과 차륜의 각 위치에 대한 음향 조도의 평균값을 입력으로 하였다.
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. 이때 수직 및 수평방향 차륜-레일 접촉력들의 연성을 선형 Hertzian 접촉 이론을 이용하여 모델링 하였으며, 접촉 영역의 크기에 의한 접촉 필터 효과를 고려하였다.
슬라브 도상 궤도는 1단 이산 탄성 지지 구조로 모델링 하였으며 차륜 진동은 해석의 정확도를 높이기 위해 유한요소법을 이용한 수치해석을 적용하였다. 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.
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. 계산된 음향 파워를 이용하여 선로변 측정점에서의 통과 소음도를 예측하고 측정 결과와 비교하였다.
대상 데이터
6에 비교하여 나타내었다. 대상 측정 지점은 경부 2단계 305.6KP 지점으로 슬라브 도상 궤도이었다. 측정에는 B&K Type 8206 임팩트 해머와 B&K Type 4525B001 가속도계를 이용하였다.
레일의 길이 방향으로 1mm 간격의 데이터를 측정하였으며 정밀도는 0.1µm이었다.
소음의 측정은 1/2-인치 마이크로폰 PCB Model 378B02와 Müller BBM의 PAK MKII 주파수 분석장비를 이용하였다.
본 논문에서 제시된 철도 전동 소음 모델을 이용하여 HEMU 차량 주행 시의 전동 소음에 대한 예측을 수행하였다. 예측 및 측정 대상 지역은 경부 2단계 305.6KP 지점으로서 마이크로폰의 위치는 선로에서 8.7m 떨어진 곳이며 세부 지형은 Fig. 12와 Table 2에 나타내었다. 계산에 필요한 관련 입력 자료는 2.
측정 시에는 B&K Type 8206 임팩트 해머와 B&K Type 4508B 가속도계를 이용하였다.
측정에는 B&K Type 8206 임팩트 해머와 B&K Type 4525B001 가속도계를 이용하였다.
데이터처리
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. 계산된 음향 파워를 이용하여 선로변 측정점에서의 통과 소음도를 예측하고 측정 결과와 비교하였다.
이론/모형
거리 감쇠 특성을 표현하는 β를 이용해 궤도 진동 감쇠율(track decay rate) ∆(dB/m)를 정의하면 ∆ = 20log(eβ) = 8.686β이 되며, 본 논문에서는 궤도 진동 모델[5]의 감쇠율 계산 값을 이용하였다.
이러한 소음 전달 감쇠 효과를 고려하기 위하여 본 논문에서는 ISO 9613-2 규격[11]의 옥외 소음 전달 감쇠 계산법을 이용하였다. 다만, 소음원과 수음점 사이의 지형이 평탄하지 않거나 서로 다른 표면 임피던스의 영역으로 구성된 지면을 계산하기 위해서 Fresnel 영역을 이용한 지면 효과 계산법[12]을 이용하였다.
또한 해석 주파수 대역이 500Hz 이하인 경우 레일을 단순 Euler-Bernoulli 보로 가정할 수 있으나 레일에 전단 변형이 발생하는 500Hz 이상에서는 Timoshenko 보 모델이 사용된다. 본 논문에서는 Ryue와 Jang[5]의 궤도 진동 모델 및 궤도 물성치를 이용하여 레일의 모빌리티를 계산하였다. 다만, 레일패드의 강성과 감쇠 손실 계수(damping loss factor)는 레일 모빌리티의 계산값과 측정값 비교를 통해 각각 110MN/m와 0.
철도 전동 소음 예측 모델에서는 차륜과 레일의 음향 조도에 의하여 가진된 차륜 및 레일의 진동 응답을 해석하고, 각 진동 성분에 의한 음향 파워를 계산하였다. 이때 수직 및 수평방향 차륜-레일 접촉력들의 연성을 선형 Hertzian 접촉 이론을 이용하여 모델링 하였으며, 접촉 영역의 크기에 의한 접촉 필터 효과를 고려하였다.
레일 및 차륜의 음원에서 발생한 소음은 선로변의 수음점까지 공간적인 확산(geometrical divergence), 대기 흡음(atmospheric absorption), 지면 효과(ground effect), 장애물에 의한 반사 및 회절을 거쳐서 전파된다. 이러한 소음 전달 감쇠 효과를 고려하기 위하여 본 논문에서는 ISO 9613-2 규격[11]의 옥외 소음 전달 감쇠 계산법을 이용하였다. 다만, 소음원과 수음점 사이의 지형이 평탄하지 않거나 서로 다른 표면 임피던스의 영역으로 구성된 지면을 계산하기 위해서 Fresnel 영역을 이용한 지면 효과 계산법[12]을 이용하였다.
성능/효과
측정에는 B&K Type 8206 임팩트 해머와 B&K Type 4525B001 가속도계를 이용하였다. Fig. 6에서 비교한 측정값과 계산값은 일부 주파수 대역을 제외하고 잘 일치함을 볼 수 있으며, 특히 주기적으로 설치된 이산 지지 구조에 의해 발생하는 pinned-pinned 주파수(약 910Hz)가 해석 모델에서도 신뢰성 있게 예측됨을 알 수 있다. 또한 레일을 따라 전파되는 파동이 cut-on되는 약 360Hz 부근 대역에서 상대적으로 높은 모빌리티를 가지는 것으로 나타났으며, 이 cut-on 주파수는 레일패드의 강성에 의해 큰 영향을 받는다[5].
레일의 경우 레일 두부의 안쪽면에서 20~40mm 위치의 5mm 간격으로 측정한 결과를 나타내었다. 각 위치별로 다소 차이가 있으나 0.2m 이하의 파장 대역에서는 ISO 3095 또는 TSI 기준과 유사한 레벨을 가지고, 0.2m 이상의 파장 대역에서는 기준값보다 다소 큰 레벨을 가지고 있음을 알 수 있다. Fig.
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.
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.
14에 나타내었다. 총합 소음도를 비교하면 측정값은 92.0dB(A)이며 본 전동 소음 모델 예측값은 91.6dB(A)로 작은 오차를 보이고 있으며, 주요한 주파수 대역인 약 200~4000Hz에서 두 결과가 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 일부 주파수 성분이 정확하게 일치하지 못하는 것은 통과 차륜과 레일의 접촉점 위치가 일정 범위 내에서 다소 랜덤한 성향을 가지고 있기 때문으로 여겨진다.
후속연구
향후 본 예측 모델의 신뢰성을 보다 향상시키기 위해서는 보다 많은 측정을 통한 모델 개선 및 검증 작업이 필요할 것으로 판단되며, 이러한 작업으로 본 예측 모델은 철도 전동 소음의 영향 인자 연구를 통한 소음 저감 대책 수립 및 초기설계 단계에서의 전동 소음 예측 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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.
참고문헌 (12)
D.J. Thompson (2009) Railway Noise and Vibration: Mechanisms, Modelling and Means of Control, Elsevier Ltd., Oxford, UK, pp. 11-20.
P.J. Remington (1987) Wheel/rail rolling noise, I: theoretical analysis, Journal of the Acoustical Society of America, 81, pp. 1805-1823.
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.
J.J. Kalker (1990) Three dimensional elastic bodies in rolling contact, Kuwer Academic Publishers, Dordrecht. pp. 287-289.
D.J. Thompson (1993) Wheel-rail noise generation, part V: inclusion of wheel rotation, Journal of Sound and Vibration, 161, pp. 467-482.
EN 15610 (2009) Railway applications - Noise emission - Rail roughness measurement related to rolling noise generation.
ISO 3095 (2005) Railway applications - Acoustics - Measurements of noise emitted by railbound vehicles.
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).
ISO 9613-2 (1996) Acoustics - Attenuation of sound during propagation outdoors - part 2: general method of calculation.
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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