[논문]파수-주파수 분석을 이용한 자동차 옆 창문 표면 압력 섭동의 비압축성/압축성 성분 분해

이송준; 정철웅

doi:10.5050/ksnve.2016.26.7.765

파수-주파수 분석을 이용한 자동차 옆 창문 표면 압력 섭동의 비압축성/압축성 성분 분해
Decomposition of Surface Pressure Fluctuations on Vehicle Side Window into Incompressible/compressible Ones Using Wavenumber-frequency Analysis 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.26 no.7, 2016년, pp.765 - 773

이송준 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 정철웅 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The vehicle interior noise caused by exterior fluid flow field is one of critical issues for product developers in a design stage. Especially, turbulence and vortex flow around A-pillar and side mirror affect vehicle interior noise through a side window. The reliable numerical prediction of the noise in a vehicle cabin due to exterior flow requires distinguishing between the aerodynamic (incompressible) and the acoustic (compressible) surface pressures as well as accurate computation of surface pressure due to this flow, since the transmission characteristics of incompressible and compressible pressure waves are quite different from each other. In this paper, effective signal processing technique is proposed to separate them. First, the exterior flow field is computed by applying computational aeroacoustics techniques based on the Lattice Boltzmann method. Then, the wavenumber-frequency analysis is performed for the time-space pressure signals in order to characterize pressure fluctuations on the surface of a vehicle side window. The wavenumber-frequency diagrams of the power spectral density shows clearly two distinct regions corresponding to the hydrodynamic and the acoustic components of the surface pressure fluctuations. Lastly, decomposition of surface pressure fluctuation into incompressible and compressible ones is successfully accomplished by taking the inverse Fourier transform on the wavenumber-frequency diagrams.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 자동차 바람소리의 실내 전달음을 수치적으로 예측하기 위한 선행연구로 자동차 외부 유동에 의한 옆 창문 표면압력 섭동을 예측하고 이를 비압축성/압축성 압력섭동으로 구분하기 위해 파수-주파수 분석을 수행하였다. 유동소음원인 유동장과 이로 인한 음장이 동시에 존재하는 근접장인 자동차 외부 유동을 정확하게 예측하기 위해^(13,18) LBM에 기초한 CAA 수치기법을 적용하였다.
이 절에서는 자동차의 창문표면 압력섭동 데이터를 획득하기 위해, 자동차 외부를 흐르는 유동 및 유동소음 해석을 수행하였다. 2.

가설 설정

PSD 스펙트럼은 공간에 관한 파수 축 k_x, k_y와 시간과 관계하는 주파수 축의 3차원으로 나타낼 수 있다. 3.1절에서의 결과와 마찬가지로 압축성 압력섭동과 비압축성 압력섭동의 영역이 확연히 구분된다. 정확한 압축성 압력섭동의 영역은 x-방향으로의 평균유속에 대한 항이 더해진 다음의 수정된 디락콘(modified Dirac cone)의 식으로 나타낼 수 있다.

제안 방법

2.1절에서 기술한 LBM 기법은 내·외부 유동소음 문제에 적용하여 그 유효성을 확인하였으며(16,17), Fig. 2에 해석에 이용한 자동차 모델과 해석 도메인을 간략하게 나타내었다.
이를 통해 평균 유동장 속도의 약 70 %로 전파하는 비압축성 압력파와 음속과 평균 유동장 속도의 합으로 전파해 가는 압축성 압력파 즉 음파을 확연히 구분할 수 있음을 보였다. 그리고 압축성 압력과 비압축성 압력 영역의 신호에 대해 다시 역푸리에 변환하여 비압축성/압축성 압력이 분리된 시간 SPF 신호를 획득하였다. 추가 연구를 통하여 분리된 시간 SPF 신호를 입력 값으로 내부 음장을 예측할 수 있는 기법을 개발할 예정이다.
따라서 창문 표면의 시간에 대한 압력신호를 파수-주파수 영역에서 관찰하면 압축성 압력섭동과 비압축성 압력섭동을 구분해 낼 수 있다. 다음 절에서 각각 1차원, 2차원 영역에 대한 파수-주파수 분석을 수행하였다.
구조물에서의 전파는 구조물 표면의 압력섭동 분포를 입력 값으로 예측하게 되는데 자동차 창문(구조)을 형성하는 유리의 경우 공간필터(spatial filter)로서 작용함으로⁽⁴⁾ 구조물의 진동원이 되는 압력섭동을 전파 특성에 따라 분리하여 접근해야 한다. 따라서 이 연구는 운송체 구조물의 진동원이 되는 두 가지 압력섭동 즉, 와류에 의하여 유체밀도의 섭동 없이 직접 유도되는 유체역학적 압력인 비압축성 압력섭동과 음향파인 압축성 압력섭동이 혼재되어있는 자동차 옆 창문 표면 압력섭동(surface pressure fluctuation, 이하 SPF)을 분리하기 위한 파수-주파수 분석(wavenumber-frequency analysis)을 수행하였다. 먼저 자동차 내/외부 구조를 간단한 3차원 형상으로 모델링하고 격자 볼츠만법(lattice Boltzmann method, 이하 LBM)에 기초한 전산공력음향학(computational aero-acoustics, 아하 CAA) 수치기법^(5,6)을 사용하여 음향장을 포함한 유동해석을 수행하였으며, 창문 표면에 가해지는 압력에 대해 파수-주파수 분석을 통하여 비압축성/압축성 압력을 분리하고, 그 특성에 대해 고찰하였다.
따라서 이 연구는 운송체 구조물의 진동원이 되는 두 가지 압력섭동 즉, 와류에 의하여 유체밀도의 섭동 없이 직접 유도되는 유체역학적 압력인 비압축성 압력섭동과 음향파인 압축성 압력섭동이 혼재되어있는 자동차 옆 창문 표면 압력섭동(surface pressure fluctuation, 이하 SPF)을 분리하기 위한 파수-주파수 분석(wavenumber-frequency analysis)을 수행하였다. 먼저 자동차 내/외부 구조를 간단한 3차원 형상으로 모델링하고 격자 볼츠만법(lattice Boltzmann method, 이하 LBM)에 기초한 전산공력음향학(computational aero-acoustics, 아하 CAA) 수치기법^(5,6)을 사용하여 음향장을 포함한 유동해석을 수행하였으며, 창문 표면에 가해지는 압력에 대해 파수-주파수 분석을 통하여 비압축성/압축성 압력을 분리하고, 그 특성에 대해 고찰하였다.
유동소음원인 유동장과 이로 인한 음장이 동시에 존재하는 근접장인 자동차 외부 유동을 정확하게 예측하기 위해^(13,18) LBM에 기초한 CAA 수치기법을 적용하였다. 유동해석 결과인 자동차 옆 창문의 SPF 값에 대해 파수-주파수 분석을 수행하고 파수-주파수 PSD 스펙트럼을 구하였다. 이를 통해 평균 유동장 속도의 약 70 %로 전파하는 비압축성 압력파와 음속과 평균 유동장 속도의 합으로 전파해 가는 압축성 압력파 즉 음파을 확연히 구분할 수 있음을 보였다.
이 절에서는 Fig. 6에 나타낸 것과 같이 2차원의 영역에 대해 파수-주파수 분석을 수행하였다. 시간-공간(2차원) 영역의 신호를 파수-주파수 영역으로 변환하는 3차원 푸리에 변환(Fourier transform)식은 다음과 같다.

대상 데이터

Fig. 4에서 x-방향으로 40 cm, 256개의 표면압력 신호를 이용하였으며, Δf = 4.9937Hz, Δk = 2.5(1/m)이며, 약 1.544 s의 데이터를 70 % 중첩(overlap)된 23개의 신호를 평균화(averaging)하였다.
Fig. 6에서 40 cm × 40 cm 영역에서 256 × 256개의 압력신호를 이용하였으며, Δf = 4.9937 Hz, Δkx = 2.5 (1/m), Δky = 2.5(1/m)이며, 1차원 해석과 마찬가지로 약 1.544 s의 데이터를 70 % 중첩(overlap)된 23개의 신호를 평균화(averaging) 하였다.

이론/모형

이 논문에서는 자동차 바람소리의 실내 전달음을 수치적으로 예측하기 위한 선행연구로 자동차 외부 유동에 의한 옆 창문 표면압력 섭동을 예측하고 이를 비압축성/압축성 압력섭동으로 구분하기 위해 파수-주파수 분석을 수행하였다. 유동소음원인 유동장과 이로 인한 음장이 동시에 존재하는 근접장인 자동차 외부 유동을 정확하게 예측하기 위해^(13,18) LBM에 기초한 CAA 수치기법을 적용하였다. 유동해석 결과인 자동차 옆 창문의 SPF 값에 대해 파수-주파수 분석을 수행하고 파수-주파수 PSD 스펙트럼을 구하였다.

성능/효과

8(b), (c)의 압축성, 비압축성 압력의 영역을 역푸리에 변환한 결과이다. 결과에서 볼 수 있듯이 비압축성/압축성 압력이 함께 존재하는 압력장으로부터 압축성 압력장과 비압축성 압력장을 분리해낼 수 있음을 알 수 있다. 분리한 결과로부터 압축성 압력섭동의 크기가 비압축성 압력섭동의 크기보다 매우 작으며, 그리고 압축성 압력섭동의 전파속도가 비압축성 압력섭동의 전파속도보다 큼을 알 수 있다.
결과에서 볼 수 있듯이 비압축성/압축성 압력이 함께 존재하는 압력장으로부터 압축성 압력장과 비압축성 압력장을 분리해낼 수 있음을 알 수 있다. 분리한 결과로부터 압축성 압력섭동의 크기가 비압축성 압력섭동의 크기보다 매우 작으며, 그리고 압축성 압력섭동의 전파속도가 비압축성 압력섭동의 전파속도보다 큼을 알 수 있다.
유동해석 결과인 자동차 옆 창문의 SPF 값에 대해 파수-주파수 분석을 수행하고 파수-주파수 PSD 스펙트럼을 구하였다. 이를 통해 평균 유동장 속도의 약 70 %로 전파하는 비압축성 압력파와 음속과 평균 유동장 속도의 합으로 전파해 가는 압축성 압력파 즉 음파을 확연히 구분할 수 있음을 보였다. 그리고 압축성 압력과 비압축성 압력 영역의 신호에 대해 다시 역푸리에 변환하여 비압축성/압축성 압력이 분리된 시간 SPF 신호를 획득하였다.

후속연구

그리고 압축성 압력과 비압축성 압력 영역의 신호에 대해 다시 역푸리에 변환하여 비압축성/압축성 압력이 분리된 시간 SPF 신호를 획득하였다. 추가 연구를 통하여 분리된 시간 SPF 신호를 입력 값으로 내부 음장을 예측할 수 있는 기법을 개발할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차에서 발생하는 소음은 무엇과 무엇으로 구분 가능한가?	대표적인 운송체인 자동차의 소음문제는 경제력의 상승에 따른 환경문제에 대한 관심의 증대와 더불어 자동차의 주요 성능지표로서 인식되기 시작하였다. 자동차에서 발생하는 소음은 크게 구조진동소음과 유동소음으로 구분할 수 있고, 다시 유동소음은 엔진에서 발생하는 연소소음과 차체에서 발생하는 공력소음으로 분류할 수 있다. 구조진동소음과 엔진소음은 지난 40여 년간의 꾸준한 연구를 통해 상당히 저감되어 상대적으로 공력소음 저감에 대한 중요성이 부각되고 있으며(1), 주요한 공학적 설계목표 인자 중 하나로 관심을 받기 시작했다.
	본 논문에서 자동차 옆 창문의 SPF 값에 대해 파수-주파수 분석을 수행하고, 파수-주파수 PSD 스펙트럼을 구하면서 알게된 내용은 어떠한가?	유동해석 결과인 자동차 옆 창문의 SPF 값에 대해 파수-주파수 분석을 수행하고 파수-주파수 PSD 스펙트럼을 구하였다. 이를 통해 평균 유동장 속도의 약 70 %로 전파하는 비압축성 압력 파와 음속과 평균 유동장 속도의 합으로 전파해 가는 압축성 압력파 즉 음파을 확연히 구분할 수 있음을 보였다. 그리고 압축성 압력과 비압축성 압력 영역의 신호에 대해 다시 역푸리에 변환하여 비압축성/압축성 압력이 분리된 시간 SPF 신호를 획득하였다. 추가 연구를 통하여 분리된 시간 SPF 신호를 입력 값으로 내부 음장을 예측할 수 있는 기법을 개발할 예정이다.
	자동차의 소음문제는 어떻게 인식되고 있는가?	대표적인 운송체인 자동차의 소음문제는 경제력의 상승에 따른 환경문제에 대한 관심의 증대와 더불어 자동차의 주요 성능지표로서 인식되기 시작하였다. 자동차에서 발생하는 소음은 크게 구조진동소음과 유동소음으로 구분할 수 있고, 다시 유동소음은 엔진에서 발생하는 연소소음과 차체에서 발생하는 공력소음으로 분류할 수 있다.

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