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NTIS 바로가기한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.23 no.7, 2013년, pp.605 - 616
유정수 (School of Naval Architecture and Ocean Engineering, University of Ulsan) , 장승호 (Echo-Rail Research Division, Korea Railroad Research Institute)
An important source of noise from railways is rolling noise caused by wheel and rail vibrations induced by acoustic roughness at the wheel-rail contact. In the present paper, characteristics of rail vibration and radiated sound power from concrete slab tracks for domestic high speed train(KTX) is in...
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핵심어 | 질문 | 논문에서 추출한 답변 |
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250 km/h 이하에서는 어떤 소음이 주요 소음원인가? | 철도 차량이 궤도를 따라 주행할 때 발생하는 소음은 발생원의 종류에 따라서 전동 소음(rolling noise), 동력 소음(engine or motor noise) 그리고 공력 소음(flow noise)으로 구분할 수 있다. 이 중 약 250 km/h 이하의 주행 속도에서는 전동 소음이 주요 소음원으로 작용한다(1). 전동 소음은 차량 주행시 차륜(wheel)과 레일(rail) 표면의 수직 방향 거칠기(roughness)에 의해 차륜과 궤도가 진동하면서 발생한다. | |
차륜이 전동 소음의 주요 소음원의 주파수 음역대는? | 일반적인 자갈 도상 궤도(ballasted track)의 경우, 침목(sleeper), 레일, 그리고 차륜이 전동 소음의 주요 소음원으로 기여한다. 주파수 대역 별로는, 대략 300~400 Hz 이하의 저주파수 대역에서는 침목에서, 약 400~2000 Hz까지는 레일에서, 그리고 약 2000 Hz 이상의 주파수 대역에서는 차륜에서 발생하는 소음이 지배적이다(1,2). 이들 소음을 합산한 overall 소음 수준에 있어서는 레일에서 방사되는 소음이 일반적으로 가장 크게 기여한다. | |
철도 차량이 궤도를 따라 주행할 때 발생하는 소음은 발생원의 종류는 무엇이 있는가? | 철도 차량이 궤도를 따라 주행할 때 발생하는 소음은 발생원의 종류에 따라서 전동 소음(rolling noise), 동력 소음(engine or motor noise) 그리고 공력 소음(flow noise)으로 구분할 수 있다. 이 중 약 250 km/h 이하의 주행 속도에서는 전동 소음이 주요 소음원으로 작용한다(1). |
Thompson, D. J., 2009, Railway Noise and Vibration: Mechanisms, Modelling and Means of Control, Elsevier Ltd.
이 중 약 250 km/h 이하의 주행 속도에서는 전동 소음이 주요 소음원으로 작용한다(1).
주파수 대역 별로는, 대략 300~400 Hz 이하의 저주파수 대역에서는 침목에서, 약 400~2000 Hz까지는 레일에서, 그리고 약 2000 Hz 이상의 주파수 대역에서는 차륜에서 발생하는 소음이 지배적이다(1,2).
전동 소음 관점의 철도 궤도 모델링에 관해서는 그 동안 유럽을 중심으로 많은 연구들이 수행되어왔다(1~4).
그러나 궤도의 이산 지지 구조는 pinned-pinned 주파수 부근에서만 영향을 미치므로(1) 이 수치 해석에서는 해석의 편의를 위해 레일이 연속 지지 구조를 가진다고 가정하였다.
고주파수 대역의 감쇠율에 영향을 미치는 인자로 여러 가지 성분을 추정할 수 있겠지만 일반적으로는 레일의 댐핑(damping)이 가장 주요하게 작용하는 것으로 알려져 있다(1).
그러나, 이 값은 궤도 물성치가 제시된 여러 문헌(1,6,17,18)에서 사용한 0.01~0.02 범위의 레일 댐핑과 비교해 볼 때 다소 과도해 보인다.
음향 방사 파워를 가진점 모빌리티로 정규화하는 것은 약 100~2000 Hz 주파수 대역에서는 레일의 모빌리티가 커서 외력이 속도 입력(velocity input)으로 작용하기 때문이다(1).
Thompson, D. J., Fodiman P. and Mahe, H., 1996, Experimental Validation of the TWINS Prediction Program, Part 2: Results, Journal of Sound and Vibration, Vol. 193, No. 1, pp. 137-147.
Thompson, D. J., 1993, Wheel-rail Noise Generation. Par III: Rail Vibration, Journal of Sound and Vibration, Vol. 161, No. 3, pp. 421-446.
Ryue, J., Thompson, D. J., White, P. R. and Thompson, D. R., 2008, Investigation of Propagating Wave Types in Railway Tracks at High Frequencies, Journal of Sound and Vibration, Vol. 315, No. 1-2, pp. 157-175.
Nilsson, C.-M., Jones, C. J. C., Thompson, D. J. and Ryue, J., 2009, A Waveguide Finite Element and Boundary Element Approach to Calculating the Sound Radiated by Railway and Tram Rails, Journal of Sound and Vibration, Vol. 321, No. 3-5, pp. 813-836.
Ryue(5)와 Nilsson 등(6)은 도파관 유한요소(waveguide finite element)와 파수 경계요소(wavenumber boundary element)를 적용해 레일의 진동 및 방사 소음을 해석한 바 있다.
수치 해석 기법으로는 참고문헌(6)에 소개된 도파관 유한요소(WFE)와 경계요소(BE) 기법을 적용하였다.
도파관 유한요소와 경계요소의 연성에 관한 운동방정식 유도에 관해서는 참고문헌(6,15)에 소개되어 있으므로 이 절에서는 관련 내용을 생략하고 최종 운동 방정식만을 간략히 기술한다.
그러나, 이 값은 궤도 물성치가 제시된 여러 문헌(1,6,17,18)에서 사용한 0.01~0.02 범위의 레일 댐핑과 비교해 볼 때 다소 과도해 보인다.
참고문헌(6)에서는 레일을 선음원으로 가정하여 2차원 경계요소 해석을 수행하고 3차원 경계요소 해석 결과와 그 차이를 비교한 바 있다.
따라서 자갈 도상 궤도의 경우 레일 소음에 대한 2차원 경계요소 해석이 유용하다(6).
Ryue, J. and Jang, S., 2013, Comparison of Track Vibration Characteristics for Domestic Railway Tracks in the Aspect of Rolling Noise, Journal of Korean Society for Railway, Vol. 16, No. 2, pp. 85-92.
국내에서는 최근 Ryue와 Jang(7,8)이 국내 기존선 및 고속 철도(KTX) 노선 궤도에 대한 전동 소음 관점의 진동 해석 및 전동 소음 예측을 수행한 바 있다.
Ryue와 Jang(7)은 국내에서 운용중인 KTX 콘크리트 슬라브 궤도에 대해 이론적인 진동 해석을 수행한 바 있다.
이 연구에서 해석에 사용할 KTX 콘크리트 슬라브 궤도의 물성치는 참고문헌(7)의 이론 해석으로 구한 모빌리티와 Fig.
참고문헌(7)의 이론 해석에서는 콘크리트 슬라브 궤도를 이산 지지 보로 모델링하였다.
Jang, S. and Ryue, J., 2013, A study on the Rolling Noise Model Using the Analysis of Wheel and Rail Vibration Characteristics, Journal of Korean Society for Railway, Vol. 16, No. 3, pp. 175-182.
Gavric, L., 1995, Computation of Propagative Waves in Free Rail Using a Finite Element Technique, Journal of Sound and Vibration, Vol. 183, No. 3, pp. 531-543.
도파관 유한요소에 대한 운동방정식 및 적용 예는 여러 참고문헌(9~14)에 소개되어 있으므로 이 논문에서는 유도를 생략하고, 지배방정식만을 간략히 소개한다.
Nilsson, C.-M., 2004, Waveguide Finite Element Applied on a Car Tyre, PhD Thesis, MWL, KTH, Stockholm.
도파관 유한요소에 대한 운동방정식 및 적용 예는 여러 참고문헌(9~14)에 소개되어 있으므로 이 논문에서는 유도를 생략하고, 지배방정식만을 간략히 소개한다.
Ryue, J., Thompson, D. J., White, P. R. and Thompson, D. R., 2009, Decay Rates of Propagating Waves in Railway Tracks at High Frequencies, Journal of Sound and Vibration, Vol. 320, No. 4-5, pp. 955-976.
도파관 유한요소에 대한 운동방정식 및 적용 예는 여러 참고문헌(9~14)에 소개되어 있으므로 이 논문에서는 유도를 생략하고, 지배방정식만을 간략히 소개한다.
WFE 방법을 이용해 콘크리트 슬라브 궤도와 같은 1단 지지 레일의 감쇠율을 구하는 과정에 대해서는 참고문헌(12)에 기술되어 있다.
참고문헌(12)에 제시된 방법은 레일을 따라 전파되는 진행파(propagating wave)가 cut-on된 이후에만 해당 파동의 감쇠율을 계산할 수 있으며 cut-on 주파수 이하에서는 감쇠율을 정의하지 못한다.
이 장에서는 참고문헌(12)에 제시된 방법 대신 식 (1)에서 구한 복수 파수와 식 (9)를 이용해 감쇠율을 계산하였다.
Bartoli, I., Marzani, A., Lanza de Scalea, F. and Viola, E., 2006, Modeling Wave Propagation in Damped Waveguides of Arbitrary Cross-section, Journal of Sound and Vibration, Vol. 295, No. 3-5, pp. 685-707.
Ryue, J., Shin, H.-K., Ahn, H.-T. and Kwon O.-C., 2011, Self Noise Analysis of Towed Array Sonar Induced by Axisymmetric Vibrations Propagating Along Fluid-filled Elastic Hoses, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 21, No. 5, pp. 437-446.
Ryue, J., 2010, A Numerical Method for Analysis of the Sound and Vibration of Waveguides Coupled with External Fluid, The Journal of the Acoustical Society of Korea, Vol. 29, No. 7, pp. 448-457.
도파관 유한요소와 경계요소의 연성에 관한 운동방정식 유도에 관해서는 참고문헌(6,15)에 소개되어 있으므로 이 절에서는 관련 내용을 생략하고 최종 운동 방정식만을 간략히 기술한다.
Finnveden, S. and Nilsson, C.-M., 2007, Input Power to Waveguides Calculated by a Finite Element Method, Journal of Sound and Vibration, Vol. 305, No. 4-5, pp. 641-658.
Thompson, D. J., Hemsworth, B. and Vincent, N., 1999, Experimental Validation of the TWINS Prediction Program for Rolling Noise, Part 1: Description of the Model and Method, Journal of Sound and Vibration, Vol. 193, No. 1, pp. 123-135.
그러나, 이 값은 궤도 물성치가 제시된 여러 문헌(1,6,17,18)에서 사용한 0.01~0.02 범위의 레일 댐핑과 비교해 볼 때 다소 과도해 보인다.
그러나 레일패드의 강성이 증가하면 궤도 지지 구조 및 차량으로 전달되는 하중이 증가할 것이므로 철도 및 차량 시스템 전체의 유지 보수 및 안전성 관점에서 함께 평가되어야 할 것이다(18).
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