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문제 정의
- 우리는 이 논문에서 주방의 쾌적한 상태를 유지하는데 가장 많이 사용되고 있는 주방 레인지 후드의 능동 시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 크게 3부분(Eco-Sesors Pack, Main Controller 및 Active Noise Controller)으로 구성되어 있다.
- 우리는 이 장에서 실내 공기질 개선을 위해 사용된 기법들과 소음 감소를 위한 대표적인 기법에 대해서 소개한다.
- 이 논문에서 우리는 모든 주택에 구비되어 있는 주방 레인지후드와 같은 형태의 환기장치에 적용할 수 있는 소형 크기의 저 전력, 저소음을 유지하며 능동적으로 제어할 수 있는 시스템을 제안한다.
- 이 논문에서는 가정에서 사용되는 대표적인 환기장치 중 하나인 주방 레인지 후드의 작동 시 발생되는 불필요한 소음을 감소하고, 레인지 후드의 ON/OFF까지 능동적으로 제어할 수 있는 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템을 통해 레인지 후드 주변에서 발생되는 Co, Smoke, CNG와 같은 유해물질의 탐지부터 제거까지 능동적으로 관리할 수 있고, 아울러 시스템 작동시 필요한 소비 전력 감소도 함께 고려하였다.
- 제안한 시스템은 주방에 설치된 레인지 후드 주변의 유해물질을 측정하여 그 결과에 따라 레인지 후드를 작동시키고, 이로 인해 발생되는 레인지 후드의 소음을 감소하기 위한 것이다. 아래 Fig 1은 제안한 시스템의 프레임워크를 묘사한 것이다.
제안 방법
- Eco-sensors pack 작동을 위해 실험 주변 온도는 (24.0±1.0)℃, 습도는 (40±1 )%R.H로 설정하고, 가스주입유무와 관계없이 온도와 습도의 출력상태를 확인하였다.
- ● Noise Cancellation : 우리는 LMS 알고리즘을 기반으로한 Feedforward ANC 기법을 적용하여 우리 시스템에 맞도록 설계 하였다.
- Main Controller에서는 RF 컴포넌트를 제어하기 위한 프로세서로서 현재 전원의 상태정보를 기억하여 특정 값을 입력 받아 특정 장치의 제어를 통해 전원의 입력과 출력을 제어한다. 그리고 RF 컴포넌트에서는 무선 주파수 방식을 지원하는 RF chip을 이용하였다.
- 이 사이의 정확한 값을 구하기 위해 6~7초 동안 발생되는 값들을 비교하였다. 그리고 speaker 입력 값과 error microphone 사이의전달 함수 값을 구하고, 마지막으로 speaker와 reference microphone 사이의 값도 구하였다. 이렇게 구해진 값을 통하여 우리는 약간의 보정 작업을 진행하여 소음 감소 정도 값을 산출하고, 이를 Noise Cancellation 모듈에 다운로드하여 실시간 소음 감소를 수행하도록 하였다.
- 실험용 장치에 10ℓ의 무취공기를 채운 후 충전된 공기는 펌프를 이용하여 완전히 빼냈다. 그리고 시험용 가스는 CO = 500[ppm], CH4 = 1007[ppm], NOx = 51.2[ppm], VOCs = 5[ppm], CO2 = 1990[ppm] 정도씩 각각 주입하였고, Smoke의 경우 담배연기를 3회 흡연 후 주입하였다. 데이터로거를 통해 수집된 결과를 컴퓨터를 통해 실시간으로 확인하여 가스주입에 따른 출력전압의 차이를 모니터링 하였다.
- 2[ppm], VOCs = 5[ppm], CO2 = 1990[ppm] 정도씩 각각 주입하였고, Smoke의 경우 담배연기를 3회 흡연 후 주입하였다. 데이터로거를 통해 수집된 결과를 컴퓨터를 통해 실시간으로 확인하여 가스주입에 따른 출력전압의 차이를 모니터링 하였다. 레인지 후드의 소비전력 측정을 위해 YOKOGAWA 사의 Digital Power Meter 장비를 사용하였다.
- 레인지 후드의 소비전력 측정을 위해 YOKOGAWA 사의 Digital Power Meter 장비를 사용하였다. 레인지 후드의 소비 전력을 평가하기 위해 최대 부하 동작 상태에서 220[V] 전압으로 1시간 동안 예열 시킨 후 안정화 상태에서 소비전력을 측정하였다. 이때 시간당 소비 전력은 83.
- 마지막으로, Active Noise Controller 모듈은 레인지 후드내에 부착할 수 있도록 소형으로 구현하였다. 그리고 이때 발생되는 소음은 Noise cancellation 에 의해 팬 스위치에 따라 소음 감소정도를 결정하여 소음을 감소시킨다.
- 우리는 소음 감소 정도를 결정하기 위해 한 개의 speaker와 reference microphone, error microphone 두 개를 사용하여 소음 감소정도를 구하였다. 먼저, reference microphone과 error microphone 사이의 전달 함수 값을 구하였다. 이 사이의 정확한 값을 구하기 위해 6~7초 동안 발생되는 값들을 비교하였다.
- Initial Config Set module : 탐지 공간의 환경에 대한 초기 값을 결정하는 일을 담당한다. 모든 주거환경에서 발생되는 유해물질들은 집의 건축년도, 시공재료, 집의 위치(도시, 시골), 거주자의 연령 및 생활 패턴 등 여러 가지요소에 영향을 받기 때문에 우리는 이 모듈을 통해서 거주 환경 맞춤형 초기 값 결정을 하도록 하였다.
- 우리 시스템의 성능평가를 위해 레인지 후드의 소음 감소가 일어나는지에 대한 실험과 Eco-sensors pack의 탐지 결과에 따른 레인지 후드의 소비전력 감소에 대하여 실험 평가를 하였다.
- 우리는 두 번째로 제안한 시스템의 작동에 따른 소비전력 감소를 평가하기 위해 3개의 모듈이 정상적으로 작동되는지를 살펴보았다. Eco-sensors pack 작동을 위해 실험 주변 온도는 (24.
- 이 기법은 불필요한 소음 신호가 스피커로 전달되기 전에 먼저 획득하여 처리하는 방식이기 때문이다. 우리는 소음 감소 정도를 결정하기 위해 한 개의 speaker와 reference microphone, error microphone 두 개를 사용하여 소음 감소정도를 구하였다. 먼저, reference microphone과 error microphone 사이의 전달 함수 값을 구하였다.
- 우리는 실험 결과 Active Noise Controller가 작동되기 전과 후의 소음을 측정하였다. 소음 감소 결과는 Fig 4에서처럼 Active Noise Controller가 작동되기 전의 기본 소음은 76.
- 첫째, 주방에서 발생되는 특유의 유해물질을 탐지하는 Eco-Sensors Pack, 둘째, Eco-Sensors Pack에서 탐지된 결과에 따라 레인지 후드의 작동 여부 결정 및 전력관리를 담당하는 Main Controller, 그리고 마지막으로 Main Controller로부터 레인지 후드의 작동 여부에 대한 정보가 넘어오면 레인지 후드의 버튼을 선택하여 후드 팬의 바람의 세기를 선택하고, 선택된 세기에 따라 소음의 감소정도 결정하여 수행하는 Active Noise Controller 로 이렇게 구성되어 있다. 우리는 제안한 시스템을 통해 주방에서 많이 사용되는 레인지 후드의 소비전력 및 대기전력을 줄이고, 아울러 레인지 후드의 작동 및 소음감소를 동시에 실행시킴으로서 쾌적한 실내 공기를 유지할 수 있도록 구성하였다.
- 먼저, reference microphone과 error microphone 사이의 전달 함수 값을 구하였다. 이 사이의 정확한 값을 구하기 위해 6~7초 동안 발생되는 값들을 비교하였다. 그리고 speaker 입력 값과 error microphone 사이의전달 함수 값을 구하고, 마지막으로 speaker와 reference microphone 사이의 값도 구하였다.
- 그리고 speaker 입력 값과 error microphone 사이의전달 함수 값을 구하고, 마지막으로 speaker와 reference microphone 사이의 값도 구하였다. 이렇게 구해진 값을 통하여 우리는 약간의 보정 작업을 진행하여 소음 감소 정도 값을 산출하고, 이를 Noise Cancellation 모듈에 다운로드하여 실시간 소음 감소를 수행하도록 하였다. reference microphone의 위치는 소음이 발생하는 가장 근접한 위치에 배치토록 하였고, 소음 감소가 적용된 speaker는 reference microphone과 최소 12cm 이상의 거리에 배치하였다.
- 제안된 시스템은 Eco-sensors pack, Main Controller, Active Noise Controller 이렇게 세 부분으로 구성되어있다. Eco Sensors pack(3종 이상의 탐지용 센서 셋)을 통해 레인지 후드 즉, 주방에서 발생되는 유해물질을 탐지하고, Main controller에서는 탐지된 결과에 대해서 분석하여 레인지 후드의 작동 여부에 대하여 결정하고, 그 정보는 Active Noise Controller에게 전달된다.
- 이 논문에서는 가정에서 사용되는 대표적인 환기장치 중 하나인 주방 레인지 후드의 작동 시 발생되는 불필요한 소음을 감소하고, 레인지 후드의 ON/OFF까지 능동적으로 제어할 수 있는 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템을 통해 레인지 후드 주변에서 발생되는 Co, Smoke, CNG와 같은 유해물질의 탐지부터 제거까지 능동적으로 관리할 수 있고, 아울러 시스템 작동시 필요한 소비 전력 감소도 함께 고려하였다.
- 우리는 이 논문에서 주방의 쾌적한 상태를 유지하는데 가장 많이 사용되고 있는 주방 레인지 후드의 능동 시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 크게 3부분(Eco-Sesors Pack, Main Controller 및 Active Noise Controller)으로 구성되어 있다. 첫째, 주방에서 발생되는 특유의 유해물질을 탐지하는 Eco-Sensors Pack, 둘째, Eco-Sensors Pack에서 탐지된 결과에 따라 레인지 후드의 작동 여부 결정 및 전력관리를 담당하는 Main Controller, 그리고 마지막으로 Main Controller로부터 레인지 후드의 작동 여부에 대한 정보가 넘어오면 레인지 후드의 버튼을 선택하여 후드 팬의 바람의 세기를 선택하고, 선택된 세기에 따라 소음의 감소정도 결정하여 수행하는 Active Noise Controller 로 이렇게 구성되어 있다.
- 첫째, Eco-Sensors Pack 모듈[8]은 Co, Smoke, CNG와 같이 주방에서 발생되는 유해물질 탐지용 센서들을 하나로 통합하여 설계하였다. 통합된 탐지용 센서들로부터 수집되는 유해물질의 측정 기준치는 실내공기질 권고기준[출처: 다중이용시설 실내공기질관리법 시행규칙, Dec.
- 첫째, Eco-Sensors Pack 모듈[8]은 Co, Smoke, CNG와 같이 주방에서 발생되는 유해물질 탐지용 센서들을 하나로 통합하여 설계하였다. 통합된 탐지용 센서들로부터 수집되는 유해물질의 측정 기준치는 실내공기질 권고기준[출처: 다중이용시설 실내공기질관리법 시행규칙, Dec. 2011.]을 토대로 제안 시스템의 용도에 맞게 수정 하였다. 이 모듈은 소형 크기로 외장형으로 구현되었기 때문에 주방의 원하는 곳에 비치해 두면 Main Controller 와는 무선 통신을 통하여 탐지된 결과를 전송하게 된다.
대상 데이터
- 우리는 주방 레인지 후드의 소음 감소기능을 적용하기 위해 레인지 후드 내부에 speaker 와 microphone을 설치하기 위해 실험용 레인지 후드를 제작하였다. 제작된 레인지 후드의 내부는 10T 두께의 불에 타지 않는 난연 재질의 흡음재 처리를 하였다.
이론/모형
- 데이터로거를 통해 수집된 결과를 컴퓨터를 통해 실시간으로 확인하여 가스주입에 따른 출력전압의 차이를 모니터링 하였다. 레인지 후드의 소비전력 측정을 위해 YOKOGAWA 사의 Digital Power Meter 장비를 사용하였다. 레인지 후드의 소비 전력을 평가하기 위해 최대 부하 동작 상태에서 220[V] 전압으로 1시간 동안 예열 시킨 후 안정화 상태에서 소비전력을 측정하였다.
- 먼저 소음 감소 측정을 위한 장비는 CESVA 사의 Sound Lever Meter 이용하였다. 소음 감소 측정 실험을 위해 Active Noise Controller 모듈을 레인지 후드 내부에 부착하였다.
성능/효과
- 그 이유는 reference microphone 와 speaker 사이의 소음 전달시간을 고려한 최소의 거리 때문이다. error microphone의 위치는 speaker와 특정 거리를 유지할 정도는 아니었으나 소리의 확산성을 고려해 볼 때 speaker에 가깝게 배치했을 때 소음 감소에 좋은 결과를 얻을 수 있었다.
- 115[W]을 구한다. 그리고 마지막으로 (4)를 이용하여 1시간 중 최대 부하 시 소비전력량 42.85*1.115=47.78[WH]을 구할 수 있었다. 두 번째로, 안정화 상태일 때의 소비전력을 구한다.
- 우리는 실험 결과 Active Noise Controller가 작동되기 전과 후의 소음을 측정하였다. 소음 감소 결과는 Fig 4에서처럼 Active Noise Controller가 작동되기 전의 기본 소음은 76.2[dB](실선, 상단 그래프)으로 측정되었고, 작동 후의 소음은 70.6[dB](점선, 하단 그래프)로 측정되었다. 실험 결과로서 우리의 Active Noise Controller가 5.
- 6[dB](점선, 하단 그래프)로 측정되었다. 실험 결과로서 우리의 Active Noise Controller가 5.6[dB]의 소음을 감소시키는 것을 확인할 수 있었다.
- 더욱이 팬의 작동으로 레인지 후드 주변의 유해물질 농도가 감소되면 팬의 작동 역시 선택된 속도에서 단계별로 감소되며 결국엔 레인지 후드의 작동을 OFF 시키게 된다. 우리는 실험을 통해 5.6[dB]의 소음 감소와 20% 정도의 소비전력 감소 결과를 얻었다. 이로서 제안된 시스템은 주방의 유해물질 탐지, 제거 및 레인지 후드의 소음감소와 작동 ON/OFF 까지 자동으로 제어함으로써 기존의 수동식 방식에 비해서 사용의 편리성을 제공하고, 소비전력과 대기전력 절약 측면에서도 많은 효과를 얻을 수 있었다.
- 우리는 실험을 통해 주방 레인지 후드의 소음감소와 소비전력 감소를 평가한 결과 소음은 5.6[dB]의 감소와 20% 정도의 소비전력 감소 결과를 얻을 수 있었다.
- 72[WH]가 나왔다. 이 소비전력 값은 Eco-Sensors pack과 연동 시 레인지 후드가 동작되었을 때의 소비전력으로 기존의 레인지 후드가 동작될 때의 소비전력 83.81[WH]과 비교하면 20%정도 감소된 결과를 얻을 수 있었다.
- 6[dB]의 소음 감소와 20% 정도의 소비전력 감소 결과를 얻었다. 이로서 제안된 시스템은 주방의 유해물질 탐지, 제거 및 레인지 후드의 소음감소와 작동 ON/OFF 까지 자동으로 제어함으로써 기존의 수동식 방식에 비해서 사용의 편리성을 제공하고, 소비전력과 대기전력 절약 측면에서도 많은 효과를 얻을 수 있었다.
후속연구
- 향후 주방 레인지 후드 구동 시 65 ~ 75[dB]의 소음 크기를 고려하여 조용한 평상시 소음 수준인 45 ~ 55[dB] 정도가 될 수 있도록 10[dB] 이상의 감소 효과를 낼 수 있도록 연구를 진행할 계획이다.
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