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제안 방법
- A보정 된 결과 값을 토대로 비상 팬터그래프 차량부근(1st section), 정상 팬터그래프 차량부근(2nd section), 측정위치 진입 전(3rd section)의 세 구간으로 나누어 팬터그래프 올림/내림 시 비교를 진행하였고 그 결과는 Fig. 10에 나타나 있다.
- 본 연구에서는 실차에서의 팬터그래프 소음을 마이크로폰 어레이를 이용하여 그 주파수 특성을 정확하게 파악하고 팬터그래프 올림 및 내림 시 환경소음의 차이를 단일 마이크로폰 측정을 통하여 분석하였다. 그리고 이를 통하여 팬터그래프의 소음을 정량적으로 평가 하고 팬터그래프의 소음 기여도를 분석하였다.
- 단일 마이크로폰 측정은 330km/h, 350km/h 의 속도일 때 팬터그래프 올림/내림 시와 400km/h 의 속도일 때 팬터그래프 올림 시 소음측정을 진행하였고, 측정된 데이터는 시간영역에서의 압력 값으로서 사람의 청각 특성을 고려한 20~20,000Hz 사이의 주파수 영역에 대해서 A-Weighting Filter를 통하여 보정한 후 음압(SPL:Sound Pressure Level)값으로 연산하였다. Fig.
- 단일 마이크로폰을 이용한 환경소음 분석을 위하여 마이크로폰 어레이와 동일한 측정지점에서 음압을 측정하였다. 측정되어진 음압은 사람의 청각 특성을 고려한 주파수 보정(A-Weighting Filter)을 적용한다.
- 데이터 취득은 저장된 마이크로폰 어레이 결과로부터 해당채널만의 데이터를 추출하였다. 두 번째는 단일 마이크로폰을 선로변 5m에 설치하여 시험열차 통과 시 환경소음을 측정하였다. 이 때 사용된 측정센서는 마이크로폰 어레이에 사용된 센서와 동일한 PCB Piezotronics사의 Model 378B02를 사용하였고 데이터 수집은 National Instruments사의 C series Analog Input 모듈인 NI 9233을 USB carrier인 NI USB-9162를 통하여 노트북으로 연결하여 25,000Hz 샘플링 주파수로 계측을 수행하였다.
- 이 때 음장가시화를 위하여 144채널 마이크로폰 어레이를 설치하여 측정을 수행하였다. 또한 환경소음 데이터 취득을 위하여, 측정한 마이크로폰 어레이의 마이크로폰 중 하나를 택일하거나, 별도의 마이크로폰을 해당 지점에 설치하여 측정을 수행하였다.
- 마이크로폰 어레이 시험은 고속철도 차량이 주행할 때 생기는 진동소음, 공력소음 등 다양한 소음들의 음압 값을 다채널 DAQ system에 144개의 마이크로폰을 이용하여 350km/h 팬터그래프 올림/내림 시, 그리고 400km/h 팬터그래프 올림 시 측정 수행하였다. 분석결과는 Fig.
- 따라서 팬터그래프의 소음기여도를 분석하기 위해서는 실차에서의 팬터그래프에 의한 소음을 정확하게 평가할 필요성이 있다. 본 연구에서는 실차에서의 팬터그래프 소음을 마이크로폰 어레이를 이용하여 그 주파수 특성을 정확하게 파악하고 팬터그래프 올림 및 내림 시 환경소음의 차이를 단일 마이크로폰 측정을 통하여 분석하였다. 그리고 이를 통하여 팬터그래프의 소음을 정량적으로 평가 하고 팬터그래프의 소음 기여도를 분석하였다.
- 실차에서의 팬터그래프 소음의 음장가시화(Sound filed visualization)를 수행하기 위하여 350km/h에서 팬터그래프 올림 및 내림 모드 그리고 400km/h에서는 팬터그래프 올림 모드에서 마이크로폰 어레이로 각각 측정을 수행하였다. 또한 팬터그래프 소음을 측정하기 위하여 330km/h 주행 시 팬터그래프 올림/내림에 따른 환경소음을 선로변 5m 거리에서 단일 마이크로폰을 이용하여 측정하였고, 350km/h 주행 시 팬터그래프 올림/내림에 따른 환경소음 비교는 144 채널 마이크로폰 어레이 시험 중 팬터그래프 높이에 해당하는 마이크로폰을 택하여 선로변 6m 거리에서 데이터를 취득하였다.
- 은 350km/h 주행 시 팬터그래프 올림/내림에 따른 음압특성을 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 연산 된 결과 값을 토대로 팬터그래프 차량 부근의 구간을 나누어 350km/h 주행 시 팬터그래프의 올림/내림 시의 음압을 비교하였다. 비교결과 다음 Table 1과 같이 팬터그래프가 위치한 차량 부근에서 팬터그래프 올림/내림 시 0.
- 두 번째는 단일 마이크로폰을 선로변 5m에 설치하여 시험열차 통과 시 환경소음을 측정하였다. 이 때 사용된 측정센서는 마이크로폰 어레이에 사용된 센서와 동일한 PCB Piezotronics사의 Model 378B02를 사용하였고 데이터 수집은 National Instruments사의 C series Analog Input 모듈인 NI 9233을 USB carrier인 NI USB-9162를 통하여 노트북으로 연결하여 25,000Hz 샘플링 주파수로 계측을 수행하였다. 센서의 민감도 및 dB Reference는 마이크로폰 어레이 시험과 동일하게 하였고, 계측 프로그램은 노트북에 설치된 National Instruments사의 Signal Express를 사용하였다.
- 4 지점을 선택하였다. 이 때 음장가시화를 위하여 144채널 마이크로폰 어레이를 설치하여 측정을 수행하였다. 또한 환경소음 데이터 취득을 위하여, 측정한 마이크로폰 어레이의 마이크로폰 중 하나를 택일하거나, 별도의 마이크로폰을 해당 지점에 설치하여 측정을 수행하였다.
- S 계산을 한다. 이러한 계산과정을 거쳐 도출된 값을 이용하여 1/3 Octave 주파수 분석을 수행하고, 팬터그래프의 상태(올림/내림)에 따른 음압 값을 도출하였다. 이 때 사용된 소프트웨어는 MATLAB 및 National Instruments사의 DIAdem을 이용하였다.
- 이 시험에서는 실제로는 별도의 팬터그래프 올림 및 하강은 실시하지 않았다. 첫 번째 주행에서는 앞쪽 팬터그래프만 올린 상태로 주행을 하고(비상 팬터그래프 모드), 반면에 두 번째 주행에서는 뒤쪽 팬터그래프만 올린 상태로 주행을 실시하였다(정상 팬터그래프 모드). 이렇게 되면 두 번의 주행에서 앞쪽 팬터그래프 차량을 비교하여 비상 팬터그래프의 소음특성을 측정할 수 있고, 또한 동시에 뒤쪽 팬터그래프 차량을 비교하면 정상 팬터그래프의 소음특성을 측정할 수 있다.
- 팬터그래프의 소음 기여도를 분석하기 위하여 마이크로폰 어레이와 단일 마이크로폰을 이용하여 측정 및 분석을 진행하였다. 팬터그래프의 소음 기여도에 대한 분석결과를 정리하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 실차에서의 팬터그래프 소음의 음장가시화(Sound filed visualization)를 수행하기 위하여 350km/h에서 팬터그래프 올림 및 내림 모드 그리고 400km/h에서는 팬터그래프 올림 모드에서 마이크로폰 어레이로 각각 측정을 수행하였다. 또한 팬터그래프 소음을 측정하기 위하여 330km/h 주행 시 팬터그래프 올림/내림에 따른 환경소음을 선로변 5m 거리에서 단일 마이크로폰을 이용하여 측정하였고, 350km/h 주행 시 팬터그래프 올림/내림에 따른 환경소음 비교는 144 채널 마이크로폰 어레이 시험 중 팬터그래프 높이에 해당하는 마이크로폰을 택하여 선로변 6m 거리에서 데이터를 취득하였다.
- 또한 계측되는 데이터는 모니터를 통하여 실시간으로 계측여부를 확인할 수 있다. 마이크로폰 어레이는 KP109.4 부근 선로 중심에서 약 6.0m 위치에서 지름이 약 6m인 마이크로폰 어레이 기구에 144개의 마이크로폰과 방풍망(Wind Screen)을 설치하여 측정 및 수집하였다. 상기 144 채널 마이크로폰 어레이는 Spiral 형태로 배치되어있어서, 지름이 좁아짐에 따라 마이크로폰 간격이 좁아진다.
- 본 연구의 마이크로폰 어레이 및 단일 마이크로폰 소음측정을 300km/h 이상에서 측정하기 위하여, 국내 유일의 300km/h 이상으로 주행할 수 있는 HEMU-430X 차량을 활용하였고, 또한 350km/h 급 신규 고속선로인 호남 고속선에서 그 측정을 수행하였다.
- 우선 마이크로폰은 PCB Piezotronics사의 model378B02를 144개 사용하였다. 샘플링주파수는 12,800Hz 였으며 데이터 수집장치는 National Instruments사의 PXI기반 DAQ를 사용하였다. 이 계측장비들을 사용하여 Fig.
- 마이크로폰 어레이 측정을 위하여 사용한 장비는 다음과 같다. 우선 마이크로폰은 PCB Piezotronics사의 model378B02를 144개 사용하였다. 샘플링주파수는 12,800Hz 였으며 데이터 수집장치는 National Instruments사의 PXI기반 DAQ를 사용하였다.
- 본 연구에서 단일 마이크로폰에 의한 환경소음 측정방법은 두 가지로 구분된다. 첫 번째는 마이크로폰 어레이의 144개 마이크로폰 중 팬터그래프 높이에 해당하는 마이크로폰 하나를 선택하여 측정한다. Fig.
- 팬터그래프의 올림/내림을 이용한 실차 팬터그래프의 소음 측정을 수행하기 위하여 측정위치는 개활지에서 선로변에 근접하기 용이한 호남고속선 상선(T2) KP109.4 지점을 선택하였다. 이 때 음장가시화를 위하여 144채널 마이크로폰 어레이를 설치하여 측정을 수행하였다.
이론/모형
- 이를 통하여 특정 주파수 영역에서 열차의 소음원의 위치를 확인할 수 있으며 팬터그래프 위치에서의 소음의 주파수 특성을 가시화할 수 있다. 데이터 분석 및 후처리에 사용된 소프트웨어는 앞서 언급한 SeeSV230 및 MathWorks사의 MATLAB을 이용하였다.
- 마이크로폰 어레이를 이용한 음장가시화 분석을 위하여 지연-합 빔 현성 이론(Delay-and-sum beam forming method)과 도플러 효과(De-dopplerization)를 적용하여 빔 파워를 구한다[2,3]. 이 때 신호 처리의 유용성을 위해 빔 파워의 값에 창 함수를 이용하여 가중치를 부여한 후에, 계측된 열차의 속도를 바탕으로 빔 파워를 열차의 위치에 투영하면 음장가시화 결과를 도출할 수 있다[3].
- 이러한 계산과정을 거쳐 도출된 값을 이용하여 1/3 Octave 주파수 분석을 수행하고, 팬터그래프의 상태(올림/내림)에 따른 음압 값을 도출하였다. 이 때 사용된 소프트웨어는 MATLAB 및 National Instruments사의 DIAdem을 이용하였다.
- 단일 마이크로폰을 이용한 환경소음 분석을 위하여 마이크로폰 어레이와 동일한 측정지점에서 음압을 측정하였다. 측정되어진 음압은 사람의 청각 특성을 고려한 주파수 보정(A-Weighting Filter)을 적용한다. 주파수 보정 되어진 데이터에 대하여 식(1)과 같이 음압(Sound Pressure Level, SPL)값으로 계산한 후 일정한 연산구간으로 R.
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