[논문]자기회귀 모형을 이용한 로드노이즈 모델링과 시뮬레이션

국형석; 이강덕; 김형건

doi:10.5050/ksnve.2015.25.12.888

[국내논문] 자기회귀 모형을 이용한 로드노이즈 모델링과 시뮬레이션
Modeling and Simulation of Road Noise by Using an Autoregressive Model 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.25 no.12, 2015년, pp.888 - 894

국형석 (Department of Automotive Engineering, Kookmin University) , 이강덕 (Hyundai Motor Company) , 김형건 (Hyundai Motor Company)

Abstract ▼ AI-Helper

A new method for the simulation of the vehicle's interior road noise is proposed in the present study. The road noise model can synthesize road noise of a vehicle for varying driving speed within a range. In the proposed method, interior road noise is considered as a stochastic time-series, and is modeled by a nonstationary parametric model via two steps. First, each interior road noise signal, obtained from constant speed driving tests performed within a range of speed, is modeled as an autoregressive model whose parameters are estimated by using a standard method. Finally, the parameters obtained for different driving speeds are interpolated based on the varying driving speed to yield a time-varying autoregressive model. To model a full band road noise, audible frequency range is divided into an octave band using a wavelet filter bank, and the road noise in each octave band is modeled.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 연구에서는 블렌딩 방식이 아닌 모수 모형(parametric model)을 이용한 로드노이즈 모델링과 시뮬레이션 방법을 제안하고자 한다. 자기회귀 모형(autoregressive model)과 같은 모수 모형은 데이터의 저장 요구량이 작은 장점이 있다.
NVH 시뮬레이터를 이용하여 자유로운 운전 상황에 맞는 차량 주행소음의 시뮬레이션이 가능하기 위해서는 주행 실내소음의 주요 성분인 로드노이즈, 윈드노이즈, 파워트레인노이즈를 주행속도, 풍향·풍속, 엔진 RPM 및 부하의 변화에 따라 실시간 시뮬레이션이 가능해야 한다. 이 연구에서는 주행속도의 변화에 따른 로드노이즈의 시뮬레이션 기법에 관하여 연구하였다.
1절에 기술한 방법을 이용해서 하모닉 성분을 제거한 나머지 실내소음의 주파수 스펙트럼과 해당 정속 조건에서 모수 모형을 시뮬레이션 하여 합성한 로드노이즈의 주파수 스펙트럼을 비교해 보여준다. 즉, 엔진에 의한 하모닉 소음성분은 배제한 체 로드노이즈 성분만을 비교하고자 하였다. 스펙트럼상으로 상당히 비슷하며, 실제 번갈아 들어도 구분이 안될 만큼 시험에서 얻은 로드노이즈를 실감있게 재현 할 수 있었다.

가설 설정

로드노이즈 모델링을 위하여 70 km/h, 90 km/h, 110 km/h에서 측정한 정속주행시험 데이터를 이용하였다. 윈드노이즈 성분은 크지 않은 것으로 가정하고 측정한 실내소음 신호에서 엔진 및 휠 회전에 관련된 하모닉 소음성분만을 제거한 것을 로드노이즈로 간주하였다. 하모닉 소음제거에는 Vold-Kalman 오더 트래킹 필터를 이용하였다⁽⁷⁾.

제안 방법

이 논문에서는 자기회귀 모형을 이용해서 로드노이즈를 시계열로 모델링하고 시뮬레이션 하였다. 가청 주파수 전 영역에서 로드노이즈를 합성하기 위해서 분석 필터 뱅크를 이용하여 풀 밴드의 신호를 10개의 옥타브 서브 밴드로 분해하였다. 서브 밴드로 분해된 로드노이즈를 10차의 자기회귀 모형을 이용하여 밴드마다 독립적으로 모델링 하였다.
시변 모수 모형에서 가장 많이 쓰는 방법은 기저함수를 정의하고 기저함수의 선형 조합으로 시변 모수를 표현하는 방법이다⁽¹⁰⁾. 기저 함수는 푸리에 급수, 멱 급수 등 다양한 형태의 함수를 사용할 수 있는데, 이 연구에서는 주행속도 u에 대한 기저 함수를, 1, u, u²로 정하고, 이것들의 선형 조합으로 모수를 모델링 하였다. 즉,
세단 형 시험차량의 운전석과 조수석 각각 좌우 귀 위치에 한 쌍의 마이크로폰으로 실내소음을 측정하였으며, 동시에 각 휠에서 3축 가속도계와 표면마이크로폰을 이용하여 로드노이즈의 레퍼런스 신호로 활용할 수 있는 신호들을 주행 중 측정하였다. 또한 엔진 회전속도와 전륜 회전속도를 타코 펄스신호로 측정하였다.
서브 밴드로 분해된 로드노이즈를 10차의 자기회귀 모형을 이용하여 밴드마다 독립적으로 모델링 하였다. 밴드 별로 모형을 이용하여 시뮬레이션 한 서브 밴드의 로드노이즈를 다시 합성 필터 뱅크를 이용하여 풀밴드의 로드노이즈로 합성하였다.
서브 밴드 신호처리에는 다양한 방법이 있으나, 이 연구에서는 신호를 고주파와 저주파로 분해하고 다시 완전 복원(PR: perfect reconstruction)하는 2채널 필터 뱅크(filter bank)를 기본으로 하는 서브 밴드 신호처리 방법을 채택하였다. 2채널 필터 뱅크는 신호를 각각 저주파와 고주파로 분해하는 저역 통과 필터와 고역 통과 필터, 그리고 필터링 된 신호의 샘플링 주파수를 절반으로 줄여주는 데시메이터(decimator)로 이루어진 분석 필터 뱅크(analysis filter bank)와 샘플링 주파수를 두 배로 올려주는 인터폴레이터(interpolator)와 그 과정에서 발생하는 에일리어스를 제거하기 위해 저주파 신호와 고주파 신호를 저역 통과 필터와 고역 통과 필터로 각각 필터링하는 합성 필터 뱅크(synthesis filter bank)로 이루어진다⁽¹¹⁾.
가청 주파수 전 영역에서 로드노이즈를 합성하기 위해서 분석 필터 뱅크를 이용하여 풀 밴드의 신호를 10개의 옥타브 서브 밴드로 분해하였다. 서브 밴드로 분해된 로드노이즈를 10차의 자기회귀 모형을 이용하여 밴드마다 독립적으로 모델링 하였다. 밴드 별로 모형을 이용하여 시뮬레이션 한 서브 밴드의 로드노이즈를 다시 합성 필터 뱅크를 이용하여 풀밴드의 로드노이즈로 합성하였다.
세단 형 시험차량의 운전석과 조수석 각각 좌우 귀 위치에 한 쌍의 마이크로폰으로 실내소음을 측정하였으며, 동시에 각 휠에서 3축 가속도계와 표면마이크로폰을 이용하여 로드노이즈의 레퍼런스 신호로 활용할 수 있는 신호들을 주행 중 측정하였다. 또한 엔진 회전속도와 전륜 회전속도를 타코 펄스신호로 측정하였다.
이 논문에서는 자기회귀 모형을 이용해서 로드노이즈를 시계열로 모델링하고 시뮬레이션 하였다. 가청 주파수 전 영역에서 로드노이즈를 합성하기 위해서 분석 필터 뱅크를 이용하여 풀 밴드의 신호를 10개의 옥타브 서브 밴드로 분해하였다.
이 연구에서 제안하는 로드노이즈 모형의 기본형태는 Fig. 1에 보였던 모수 모형이다. 모수 모형에서는 로드노이즈 신호를 스토캐스틱 과정(stochastic process)의 확률 변수(random variable)로 모형화 한다.
전륜 회전수의 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 오더와 실내소음의 rpm-frequency 스펙트로그램(spectrogram)에서 확인되는 주요 엔진 오더 성분을 차례대로 제거하였다. 제거된 엔진 오더 성분에는 엔진 회전수의 정수 및 0.
. 전통적으로 NVH개발부서에서는 시험 조건이 정형화되고 일정하게 유지할 수 있는 평가 환경에서 반복적으로 측정할 수 있는 객관적인 수치를 바탕으로 차량의 주행소음 평가를 하였으나, 소비자는 다양한 환경에서 차량을 자유롭게 운전할 때 느끼는 감성적인 만족으로 차량의 NVH 성능을 평가한다.
먼저 기존의 로드노이즈 시뮬레이션 방법에 관하여 간단히 설명하면 다음과 같다. 정속주행시험을 여러 단계의 속도로 실시하여 실내소음을 마이크로폰으로 녹음한다. 녹음된 실내소음에는 로드노이즈 뿐만 아니라 엔진노이즈와 윈드노이즈도 포함되어 있으므로 이러한 성분을 적절한 방법으로 제거하여 로드노이즈 성분만을 뽑아내야 한다.

대상 데이터

로드노이즈 모델링을 위하여 70 km/h, 90 km/h, 110 km/h에서 측정한 정속주행시험 데이터를 이용하였다. 윈드노이즈 성분은 크지 않은 것으로 가정하고 측정한 실내소음 신호에서 엔진 및 휠 회전에 관련된 하모닉 소음성분만을 제거한 것을 로드노이즈로 간주하였다.

이론/모형

녹음된 실내소음에는 로드노이즈 뿐만 아니라 엔진노이즈와 윈드노이즈도 포함되어 있으므로 이러한 성분을 적절한 방법으로 제거하여 로드노이즈 성분만을 뽑아내야 한다. 엔진노이즈의 하모닉 성분을 제거하기 위해 TSA(time synchronous averaging) 방법⁽⁶⁾, 또는 오더 트래킹 필터⁽⁷⁾를 이용할 수 있다. 두 방법 모두 엔진 타코 신호와 같은 엔진의 회전에 관한 측정 정보가 필요하다.
옥타브 필터 뱅크의 분석 필터 뱅크를 이용하여 정속주행시험에서 추출된 로드노이즈 신호를 10개의 옥타브 서브 밴드에서 10차의 자기회귀 모형을 이용하여 모델링 하였으며, Matlab®에서 제공하는 기본함수를 이용하여 모수를 추정하였다.
필터 뱅크의 분석 필터와 합성 필터는 Matlab®에서 제공하는 탭수가 90개인 Daubechies(db45) 웨이블렛 필터를 사용하였다.
윈드노이즈 성분은 크지 않은 것으로 가정하고 측정한 실내소음 신호에서 엔진 및 휠 회전에 관련된 하모닉 소음성분만을 제거한 것을 로드노이즈로 간주하였다. 하모닉 소음제거에는 Vold-Kalman 오더 트래킹 필터를 이용하였다⁽⁷⁾.

성능/효과

4는 2채널 필터가 J단계의 트리(tree) 구조로 계층적으로 연결된 모습을 보여주며, 계층 구조의 필터 뱅크로 총 J + 1개의 옥타브 밴드를 얻을 수 있다. 데이터 계측에 사용한 샘플링 주파수가 32 768 Hz였기 때문에 고주파의 상한선은 16 384 Hz이며 9~10 단계의 계층구조를 사용하여 얻을 수 있는 옥타브 밴드 주파수 하한선은 8 Hz ~ 16 Hz 이어서 가청 주파수 전체 범위를 포함하기에 충분하였다. 필터 뱅크의 분석 필터와 합성 필터는 Matlab®에서 제공하는 탭수가 90개인 Daubechies(db45) 웨이블렛 필터를 사용하였다.
즉, 엔진에 의한 하모닉 소음성분은 배제한 체 로드노이즈 성분만을 비교하고자 하였다. 스펙트럼상으로 상당히 비슷하며, 실제 번갈아 들어도 구분이 안될 만큼 시험에서 얻은 로드노이즈를 실감있게 재현 할 수 있었다.
오더 성분의 제거 결과 대부분의 주파수 영역에서 강한 톤소음 성분은 없어지거나 상당히 약해지지만, 30 Hz 이하의 저주파에서는 주행속도에 따라 피크가 없어지지 않고 남아 있는 것을 확인 할 수 있었는데, 차체나 섀시의 저주파 진동모드의 공진과 연관 있을 것으로 판단된다. 고주파에서도 일부 남아 있는 스펙트럼의 피크는 정속주행속도와 관련이 없이 일정한 주파수에서 관찰되었으며, 진동 또는 음향모드의 공진에 의한 것으로 추정된다.
가속 주행 로드노이즈의 경우 흡·배기계 소음에 영향 받지 않는 1 kHz 이하의 주파수 대역에서 모형으로 합성한 로드노이즈와 시험에서 측정한 로드노이즈의 스펙트럼이 잘 일치하였다. 이 연구에서 제시한 방법의 로드노이즈 모형은 모수 모형의 형태로 데이터의 크기가 작지만 사실적인 로드노이즈를 재현할 수 있어, NVH 시뮬레이터에 활용할 수 있다.
12초 이후에 관찰되는 높은 레벨의 충격음은 타이어가 노면과 노면을 잇는 틈새를 통과 할 때 발생한다. 충격음을 확대하여 관찰한 결과 공진 주파수는 약 30 Hz이며, 저주파의 차체 및 새시의 고유 진동과 연관된 것으로 추정된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NVH 시뮬레이터란 무엇인가?	따라서, NVH 엔지니어와 소비자가 차량의 NVH 성능을 평가하는 방식이 다르므로, 둘 사이의 간극을 줄이기 위해서는 전통적인 방법과는 다소 다른 평가 방법이 필요하다. NVH 시뮬레이터는 소비자의 입장에서 차량의 음질을 감성적으로 평가하는 것을 가능하게 해주는 시스템이다. NVH 시뮬레이터를 이용하면 운전자(또는 음질 평가자)는 실내에 마련된 실차량 기반 또는 데스크탑 기반의 차량 시뮬레이터에서 자유롭게 운전하며 차량의 주행소음을 평가할 수 있어, 차량 NVH개발에 이용될 수 있다(3,4,5).
	기존의 로드노이즈 시뮬레이션 방법은 실내소음을 어떻게 녹음하는가?	먼저 기존의 로드노이즈 시뮬레이션 방법에 관하여 간단히 설명하면 다음과 같다. 정속주행시험을 여러 단계의 속도로 실시하여 실내소음을 마이크로폰으로 녹음한다. 녹음된 실내소음에는 로드노이즈 뿐만 아니라 엔진노이즈와 윈드노이즈도 포함되어 있으므로 이러한 성분을 적절한 방법으로 제거하여 로드노이즈 성분만을 뽑아내야 한다.
	NVH 시뮬레이터를 이용하여 자유로운 운전 상황에 맞는 차량 주행소음의 시뮬레이션이 가능하기 위해 필요한 것은 무엇인가?	NVH 시뮬레이터를 이용하여 자유로운 운전 상황에 맞는 차량 주행소음의 시뮬레이션이 가능하기 위해서는 주행 실내소음의 주요 성분인 로드노이즈, 윈드노이즈, 파워트레인노이즈를 주행속도, 풍향·풍속, 엔진 RPM 및 부하의 변화에 따라 실시간 시뮬레이션이 가능해야 한다. 이 연구에서는 주행속도의 변화에 따른 로드노이즈의 시뮬레이션 기법에 관하여 연구하였다.

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원문보기 상세보기
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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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