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문제 정의
- 이 논문에서는 실내용 타워형 에어컨의 송풍과 정에서 발생하는 소음을 능동제어하여 에어컨의 소음원 수준을 감소시키는데 목적을 두고 있다. 이를 위해 제어대상을 분석하여 참조신호와 제어 스피커를 선정하고 적합한 제어기를 설계하여 능동제어시스템을 구현하고자 한다.
제안 방법
- 제어기는 FXLMS 알고리듬을 기반으로 하여 구현하였고 그성능을 확인하였다. 그리고 참조신호의 위치와 종류에 따른 제어성능을 고찰하였다.
- 해당 전달경로의 입력신호와 외란신호를 이용하여 LMS(least mean square) 알고리듬으로 전달 함수를 모델링하였다. 능동제어기는 전달경로들의 모델링을 통해 얻은 전달함수를 조합하여 FXLMS (filtered-x LMS) 알고리듬으로 구현하였다.
- 먼저 오차신호 센서는 타워형 에어컨의 송풍구 중앙에서 음압신호를 측정할 마이크로폰으로 사용하였다. 오차신호를 획득하기 위한 마이크로폰은 B&K Type 4190을 이용하였으며 바람이 나오는 출구에 위치시켜 에어컨이 방출하는 음향 파워를 관측하고 제어기는 이를 최소화할 수 있도록 하였다.
- 10에는 앞 절에서 설명한 FXLMS 알고리듬 기반의 제어기를 이용한 타워형 에어콘의 소음 저감 실험을 수행한 결과를 보이고 있다. 소음 저감 결과는 제어 전 후에 대한 에러 센서의 음압 수준을 비교하여 나타내었다. 이 실험에서는 Fig.
- 오차신호를 획득하기 위한 마이크로폰은 B&K Type 4190을 이용하였으며 바람이 나오는 출구에 위치시켜 에어컨이 방출하는 음향 파워를 관측하고 제어기는 이를 최소화할 수 있도록 하였다.
- 소음 저감 결과는 제어 전 후에 대한 에러 센서의 음압 수준을 비교하여 나타내었다. 이 실험에서는 Fig. 5에서 보인 3 가지 참조 신호를 각각 사용한 제어 성능을 비교하였다. 먼저 Fig.
- 이 연구는 타워형 에어컨에서 발생하는 소음을 감소시키기 위해 FXLMS기반의 능동제어기술을 적용한 결과로 능동소음제어를 위해 구성품인 오차 센서, 참조 신호 센서 및 제어음원을 선정하고 제어기를 설계하였으며 최종적으로 실험을 통하여 제어 성능을 확인하였다. 이 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이 논문에서는 실내용 타워형 에어컨의 송풍과 정에서 발생하는 소음을 능동제어하여 에어컨의 소음원 수준을 감소시키는데 목적을 두고 있다. 이를 위해 제어대상을 분석하여 참조신호와 제어 스피커를 선정하고 적합한 제어기를 설계하여 능동제어시스템을 구현하고자 한다. 참조신호는 제어스피커에 의한 오염이 없는 가속도계 신호를 이용하는 경우와 참조신호의 보정(6)이 필요한 마이 크로폰을 이용하는 경우를 고려하였다.
- 제어기는 2절에서 설명한 FXLMS 알고리듬을 기반으로 Programmable DSP 장비인 dSPACE RTI-1103 모듈을 이용하여 구현하였다. 제어기 프로그램은 Fig. 7에서 보인 바와 같이 Mathworks사의 Simulink를 기반으로 작성하였고 실험 시 실시간 제어를 위해서는 C언어로 변환하여 RTI-1103 모듈에 탑재하여 구동하였다. Fig.
- 제어스피커는 제어대상 소음의 주파수 범위 내의 출력 성능을 고려하여 스피커를 선정하였다. 제어기는 FXLMS 알고리듬을 기반으로 하여 구현하였고 그성능을 확인하였다. 그리고 참조신호의 위치와 종류에 따른 제어성능을 고찰하였다.
- 제어스피커는 소음원의 주파수 범위를 고려하여 5 Hz부터 3 kHz까지의 성능이 입증된 BOSS사의 17인치 우퍼용 스피커(모델명 SE12S)를 사용하였다, 에어콘 하단에 있는 홴에서 발생된 소음은 송풍 경로를 통해 전파되므로 송풍구 도달 전 송풍 경로인 에어콘 측면에 제어스피커를 설치하였다. 스피커의 성능을 나타내는 스피커의 전달함수와 입출력 간의 상호상관함수를 Fig.
- 참조 신호가 소음원의 정보를 얼마나 잘 담고 있는 가를 평가하기 위해 참조 신호와 오차 신호사이의 상호상관함수(coherence function)를 측정하였다. Fig.
- 이를 위해 제어대상을 분석하여 참조신호와 제어 스피커를 선정하고 적합한 제어기를 설계하여 능동제어시스템을 구현하고자 한다. 참조신호는 제어스피커에 의한 오염이 없는 가속도계 신호를 이용하는 경우와 참조신호의 보정(6)이 필요한 마이 크로폰을 이용하는 경우를 고려하였다. 제어스피커는 제어대상 소음의 주파수 범위 내의 출력 성능을 고려하여 스피커를 선정하였다.
- 7의 FXLMS 모듈의 구현 내용을 살펴보면 앞서 설명한 에러 신호와 참조 신호는 FXLMS 모듈의 입력 신호로 연결하였음을 알 수 있다. 특히 참조 신호 3가지의 특성과 그 성능에 미치는 영향을 보기 위해 Fig. 7의 ADC02 부분에 각각을 연결하여 참조 신호를 변경해 가면서 성능의 변화를 관찰하였다.
- 능동 제어시스템의 구현을 위해서는 전달경로의 모델링이 필요하다. 해당 전달경로의 입력신호와 외란신호를 이용하여 LMS(least mean square) 알고리듬으로 전달 함수를 모델링하였다. 능동제어기는 전달경로들의 모델링을 통해 얻은 전달함수를 조합하여 FXLMS (filtered-x LMS) 알고리듬으로 구현하였다.
대상 데이터
- 참조신호는 주 소음원으로 추정되는 홴 모터 주위에 가속도계와 마이크로폰을 이용하여 Fig. 3의 좌측 하단에서 보인 바와 같이 취득하였다. 각 센서의 종류와 위치를 Fig.
이론/모형
- 따라서 오차신호가 0으로 수렴한다면 #(n)은 d(n)을 출력 하는 임의의 시스템을 모델링했다고 할 수 있다. 그러므로 LMS 알고리듬은 주로 오차경로를 모델링하는데 이용되며 이 논문에서도 오차경로를 모델링하는데 LMS 알고리듬을 이용하였다.
- 제어기는 2절에서 설명한 FXLMS 알고리듬을 기반으로 Programmable DSP 장비인 dSPACE RTI-1103 모듈을 이용하여 구현하였다. 제어기 프로그램은 Fig.
성능/효과
- (2) 그리고 참조신호는 제어 대상이 되는 소음원의 특성 정보를 제어기로 제공하여 제어 성능을 향상하도록 하므로 센서의 종류와 위치의 선정의 중요성을 확인하였다. 참조신호를 선정할 때 오차신호와 참조신호 사이의 상호상관함수를 검토하여 참조신호의 적절성을 검토할 수 있음을 확인하였다.
- (3) 이 연구에서 선정한 3종의 참조신호를 이용하여 능동제어를 수행한 결과 모터 고정부(①지점)에 설치한 가속도계를 참조센서로 이용한 경우는 100 Hz근처와 170 Hz근처의 피크를 제외한 저주파 대역에서 높은 소음 감소 성능을 보였다. 반면 에어콘 벽면(②지점)에 설치한 가속도계를 참조센서로 이용한 경우는 저주파 대역 성능이 나쁘고 100 Hz근처 피크는 나쁘지만 170 Hz근처 피크는 우수한 제어 성능을 보였다.
- (3) 이 연구에서 선정한 3종의 참조신호를 이용하여 능동제어를 수행한 결과 모터 고정부(①지점)에 설치한 가속도계를 참조센서로 이용한 경우는 100 Hz근처와 170 Hz근처의 피크를 제외한 저주파 대역에서 높은 소음 감소 성능을 보였다. 반면 에어콘 벽면(②지점)에 설치한 가속도계를 참조센서로 이용한 경우는 저주파 대역 성능이 나쁘고 100 Hz근처 피크는 나쁘지만 170 Hz근처 피크는 우수한 제어 성능을 보였다.
- 전체적인 감소 성능은 마이크로폰을 사용한 ③지점의 신호를 참조신호로 사용한 경우가 가장 우수한 것으로 평가할 수 있다. 그러나 120 Hz와 180 Hz부근과 같은 일부 주파수에서는 성능이 좋지 않은 상태를 보이기도 하였다.
- 10(a)는 지점 ①의 가속도계로부터 참조 신호를 얻어 제어한 결과를 보이고 있다. 제어 전의 음압 수준과 비교한 결과 0 Hz에서 80 Hz까지의 저주파 대역과 200 Hz에서 400 Hz 사이의 주파수 대역에서 크게 감소하였음을 알 수 있다. 또한 100 Hz에서 150 Hz사이의 주파수 대역 소음이 많이 감소하는 것을 볼 수 있다.
- (2) 그리고 참조신호는 제어 대상이 되는 소음원의 특성 정보를 제어기로 제공하여 제어 성능을 향상하도록 하므로 센서의 종류와 위치의 선정의 중요성을 확인하였다. 참조신호를 선정할 때 오차신호와 참조신호 사이의 상호상관함수를 검토하여 참조신호의 적절성을 검토할 수 있음을 확인하였다.
- 이들 전달함수와 상호상관함수의 입력은 스피커에 입력되는 전압신호이고 출력은 에러센서에서 측정한 음압신호 이다. 측정 결과로 부터 이 연구에서의 관심 주파수 대역에서 제어신호를 발생하는데 적절한 특성을 갖고 있다고 판단할 수 있다.
후속연구
- (5) 향후, 관심 주파수 대역 내에서 전반적인 감소 성능을 확보하기 위해 여러 참조신호를 반영한 다채널 FXLMS 제어기에 대한 연구를 수행할 계획이다.
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