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문제 정의
- 본 연구는 발생된 타이어 패턴음의 전파경로인 타이어와 휠가드 사이공간에 주목하여 ‘whine’ 성분의 피크성 특성이 전파공간과의 상호작용으로 보강간 섭되는 현상을 시험적으로 규명하였고, 이를 통한 휠가드 형상인자 변경을 통해 타이어-휠가드 사이 공간에서 형성되는 음향학적 보강현상을 저감시켜 패턴소음의 실내 전달량을 개선하였다.
제안 방법
- 개선된 형상의 휠가드를 장착한 뒤 일반노면 80 km/h 주행시 실내에서 ‘whine’성 패턴음의 변화를 관찰하였다.
- 결정된 범위안에 원주방향과 반경방향 공간특성 인자의 변화를 위하여 캐비티를 배치하였으며, 이때 공간의 원주방향인 깊이는 관심주파수의 λ/4 이상이 되도록0.10 m 이상을 확보하였다(Table 2).
- 넷째, 타이어와 휠가드 공간의 음장모드 발생을 감소시키기 위하여 휠가드의 형상을 변경하였다. 이 때 휠가드의 형상변경 부위는 음장분포 및 근접소음 분석 결과를 통해 결정하였고, 단차공간의 설계인자는 패턴음의 파장길이를 고려하여 결정하였다.
- 볼륨스피커를 이용한 백색잡음을 타이어와 지면의 접지점에서 발생시키고 라인 어레이를 타이어 중심을 기준으로 π/16 간격으로 이동하며 음압을 측정하였다.
- 음장 분포 및 근접소음 분석을 통한 휠가드의 변경부위는 전륜과 후륜의 휠가드 후방면으로 결정했으며, 변경범위는 음장분포의 열세부위인 휠가드 후방끝단을 기준으로 0° ~ 45° 구간으로 최소화 하였다.
- 고주파성 로드 노이즈 중 ‘샤 ~ ’소음으로 알려진 타이어 패턴음은 피크 특성을 갖는 ‘whine’ 성분으로 실내음 수준을 결정하는 주요 성분이다. 음향학적 관점에서 피크성 소음원이 갖는 파장관 내의 음향현상에 착안하여 타이어-휠가드 공간상에서 음향학적 보강간섭 현상을 예측하였고 이를 실험적으로 검증하기 위해서 다음과 같은 단계로 검증평가를 수행하였다.
- 넷째, 타이어와 휠가드 공간의 음장모드 발생을 감소시키기 위하여 휠가드의 형상을 변경하였다. 이 때 휠가드의 형상변경 부위는 음장분포 및 근접소음 분석 결과를 통해 결정하였고, 단차공간의 설계인자는 패턴음의 파장길이를 고려하여 결정하였다.
- 따라서 ‘whine’ 성분의 타이어 방사소음은 지면과의 접지점 기준, 후방 방사특성을 갖는 것으로 예측할 수 있다. 이를 검증하기 위해 실차 주행조건에서 타이어 전후 근접위치의 방사소음을 측정해 보았다.
- 측정된 신호의 음압의 크기와 위상정보를 이용하여 공간상에 존재하는 음장모드의 휠가드 장착/탈 거에 따른 변화를 관찰할 수 있다.
- 타이어-휠가드 사이 공간특성이 타이어 패턴음의 실내전달에 미치는 영향을 확인하기 위해서 휠가드 장착과 탈거에 따른 실내음 변화를 관찰하였다.
- 타이어-휠가드 사이공간의 음장분포를 측정함에 있어서 좁은 공간 상의 왜곡을 최소화하기 위하여 9개의 표면마이크로폰을 이용하여 라인 어레이를 구성하였다.
대상 데이터
- 현대자동차 차량 중 17인치 썸머 타이어를 장착한 준중형 세그먼트 차량을 선정하였고, 일반고속도로 노면 조건에서 80 km/h 주행시 고주파성 로드 노이즈의 수준이 평가에 적합함을 사전에 확인하였다.
성능/효과
- (b)를 통해 고주파수 로드 노이즈의 개선효과를 살펴보면 0.9 kHz 대역의 ‘whine’성 패턴음의 저감효과를 확인할 수 있으며, 휠가드 탈거에 따른 흡차음 성능저하로 악화되는 고주파영역에서는 휠가드 장착과 동등수준의 흡차음 성능을 확보할 수 있었다.
- 2의 실내소음 개선 주파수에서 Figs. 4와 5의 전륜과 후륜에 형성되는 음장세기가 눈에 띄게 개선되는 것을 확인하였다.
- 둘째, MCF 분석을 통해 실내음의 패턴 성분이 공기전달 성분임을 확인하였고, 타이어와 휠가드 사이의 길이특성과 소음원의 파장을 고려하여 1차원 덕트 관내의 평면파 전달 현상으로 가정해 볼 수 있었다.
- 마지막으로 단차공간을 적용한 휠가드를 장착한 실차평가로 개선 전 후의 실내음의 변화를 관찰하였을 때, 패턴음의 효과적인 저감현상을 확인할 수 있 었다.
- 본 연구의 관심성분인 ‘whine’성 패턴음 대역에서는 주로 후륜 성분의 기여가 지배적이며 일부 대역에서 전륜 성분이 기여하고 있음을 확인할 수 있다.
- 셋째, 타이어와 휠가드 공간에서 음향 에너지의 보강 및 간섭 현상을 확인하기 위한 음장모드 평가를 수행하고, 이에대한 분석을 통해 휠가드 유무에 따른 음장모드의 저감과 휠가드 표면에서 형성되는 강한 음압 레벨의 감소를 확인하였다.
- 이러한 개선효과는 목표 주파수의 각 대역에서 협대혁폭 기준으로 전후석 평균2 dB수준의 개선효과를 확인할 수 있었고, 피크 성분의 저감으로 정속 주행시 느껴지는 고주파 로드노이즈의 감성수준도 크게 개선되었다. 이는 실내음질 지수 AI(Articulation Index) 기준으로 약2 %의 개선효과로 실내 정숙감이 향상되었다.
- 이상의 분석으로 타이어와 휠가드 사이공간에서 형성되는 음장모드의 개선이 패턴음의 전달감도 저감에 효과적임을 알았고, 이를 위한 휠가드 형상변경 방안을 결정하였다.
- 첫째, 휠가드 장착과 탈거에 따른 실내음 변화를 관찰할 때 탈거시 실내음의 패턴성분이 저감되는 현상을 관찰할 수 있었다.
- 타이어-휠가드 사이공간의 특성길이 변화에 따라 공간에 형성되는 음장모드의 주파수가 변경됨을 알 수 있는데, 1 kHz 이하 대역에서 음장모드의 변화는 전륜보다는 후륜의 공간변화에 따라 크게 상쇄됨을 확인할 수 있다.
- 7과 같다. 휠가드 후방면의 음압이 강한 범위에 파장 길이를 고려한 캐비티 배치로 타이어와 휠가드 사이공간 특성에 변화를 줄 수 있었다.
후속연구
- 다만 저소음 휠가드 형상제안을 위해서는 보다 최적화 툴에 기반한 해석적 접근이 필요할 것으로 생각되며 의장부품인 휠가드 뿐만이니라 차체범주에서도 최적화된 형상구현을 위한 휠하우징 설계를 병행해야 한다고 생각된다.
- 그럼에도 불구하고 여전히 존재하는 피크 성분을 확인할 수 있는데, 이는 휠가드 후면에 영향받지 않은 전면부나 측면부의 성분일 것이라 예상한다. 또한 휠가드 후면부와 하우징 차체면 사이의 제약으로 인해 단차공간의 충분한 깊이를 확보하지 못한 점도 평가상의 한계로 남아 있다.
- 본 연구의 실험적인 접근을 바탕으로 해석적 접근을 통한 휠가드 형상 최적화가 가능하다면 좀 더 효과적인 개선형상을 고안해 낼 수 있을 것이다.
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