[논문]차량 실내 소음에 대한 음질 평가 방법의 표준화

박상길; 김호산; 오재응; 배철용; 이봉현

문제 정의

이러한 현상은 자동차의 기술발전에 따라 차량의 실내소음의 음압레벨뿐만 아니라 소비자의 입장에서 감성적인 품질의 평가를 가능하게 하기 위한 시험모드를 정립해 놓은 것으로써 완성차를 제조하는 많은 업체에서 적용하고 있으며, 이를 토대로 각 업체의 시험규격 작성의 기준을 제시하고자 제정된 것으로 분석되어진다.
이에 본 논문에서는 각국의 관련 법규 및 시험규격에 대한 검색과 분석을 통해 최신 연구 경향을 분석한 후, 차량 실내 소음을 측정하기 위해 센서의 부착위치, 도로조건, 차량 속도 등 다양한 측정 조건에 따른 음질 측정 방법을 정립하기 위한 실차주행시험 모드를 구축하고, 통계적 분석 방법을 이용한 차량 실내 음질 평가방법 및 기준 설정을 목표로 한다.
이에 본 연구에서는 각국 및 관련업체에서 제정하여 사용되는 차량 실내/외 소음측정과 관련된 시험규격을 한국표준협회 및 IHS Standard 社를 통하여 검색하고 차량 실내/외 소음측정과 관련된 기술적 동향파악을 위하여 검색되어진 각 시험규격의 분석작업을 수행하였다.
차량 실내 소음의 음질 평가를 위한 측정점과 시험환경 등 대부분의 조건은 기존 규격의 내용을 따르되, 음질 분석 방법이나 측정기기 등 음질 평가 기술에 해당하는 내용을 추가하여 기존 규격에 대해 내용을 보완하는 성격의 시험 규격을 개발하고자 한다.
차량의 실내 음질에 대해 정상 속도 주행 시 앞에서 기술한 방법에 따라 객관적 음질 평가를 수행한 결과를 정리한 것이다. 음질의 크기를 나타내는 라우드니스의 경우 음압레벨과 비슷한 경향을 나타내고 있으며, 운전석 보다 뒷좌석의 음질이 더 크게 느껴진다는 것을 알 수 있다.

제안 방법

국내/외 관련 시험규격 및 기술개발동향 조사를 통해 차량 실내/외 소음 측정에 대한 방법 및 용어정의 등을 분석하고, 이를 바탕으로 차량 실내 음질 평가를 위한 기술개발 및 표준화를 구축하였다.
그 외 마이크로폰 교정을 위한 보정기 등 앞 절의 Table 3 에서 제시한 계측 시스템을 기반으로 하여 차량 실내 음질 측정 시험을 수행하였다.
그리고 기준점 대비 뒤쪽과 위, 아래 방향으로 15cm 씩 이동한 지점에서도 시험을 수행하여 결과 차이를 분석하기로 하였다.
도로 및 기상 조건을 점검하고 운전 조건을 KS A ISO 5128 에서 제시된 조건을 기준으로 차량의 실내 음질을 측정하였다. 대상 차량이 승용차에 해당되므로 운전 조건은 정상 속도 주행시험과 스로틀 전개 가속시험에 대해 수행하였다. 정상 속도 주행시험은 각 속도 별 10 초 이상 녹음하였으며, 구축한 계측 시스템 운전석과 뒷좌석 동시에 측정하였다.
따라서 본 실험에서는 50km/h 로 정속 주행하다가 110km/h 로 급가속하는 주행연습을 여러 차례 수행한 결과, 가속을 약 8 초동안 진행하도록 운전 하여 소음을 측정하였다.
또한 자동차 내부 소음의 측정임을 감안하여 완성차 업체에서 추천하는 신품의 타이어와 공기압을 적용하고, 창문 및 환기구는 모두 작동을 정지하며, 등받이는 수직으로 위치시켜 시험을 수행하게 된다.
공회전 상태에서 차량 실내 암소음은 39dB(A)로 나타났고, 실차 주행시험 결과 값을 정리한 Table 2 를 보면 암소음과 측정값은 10dB 이상 차이가 발생하여 암소음은 주행 소음에 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 또한, 각 시험모드 당 2 회 이상의 시험을 수행하여 A 가중 음압 레벨의 편차가 3dB 오차 범위 내에 존재할 때 유효 데이터로 인정하여 측정값의 신뢰성을 확보하였다. 그 결과 ISO 5128 기준점 대비 뒤, 위, 아래쪽 측정값의 편차는 모두 3dB 를 초과하지 않으므로 ISO 5128 측정점은 유효하다고 판단된다.
하지만, 버스와 트럭 같은 상용차량은 실내 음질에 대한 비중이 낮은 종류의 차량이라고 판단되므로 차량 음질 평가를 위한 적용범위에 추가적으로 제외하였다. 또한, 차량 실내 음질의 유용한 정의를 제시하고 시험평가 방법을 구축하는 단계로써 실내 소음의 객관적 음질인 자를 이용한 음질 분석 과정과 시험모드의 조건을새로 설정하였다.
본 시험규격의 전반적인 시험진행 및 시험조건은 국제시험규격인 ISO 5128 의 내용을 적용시켰으나, 측정된 데이터의 분석과 관련하여 ISO 5128 국제규격을 보강하여 A 가중함수가 적용된 OA 레벨과 1/3 옥타브 스펙트럼(Step 형식) 및 명료도 지수를 추가로 분석하여 차량 주행 시 발생 가능한 실내소음의 측정기준을 제시하고있다.
본 시험은 차량 실내 소음 측정시험과 마찬가지로 개구부, 모든 창 및 임의의 부속 장비가 내부 음질에 영향을 미치지 않도록 작동을 멈추고 시험을 수행하였다.
본 실험에서는 정상 속도 주행 시험의 경우 50~110km/h 속도 범위 내에서 10km/h 씩 증가시키면서 등속 시험을 수행하였고, 각 주행 속도별 10 초 동안 측정하였다.
정상 속도 주행시험은 각 속도 별 10 초 이상 녹음하였으며, 구축한 계측 시스템 운전석과 뒷좌석 동시에 측정하였다. 스로틀 전개 가속 시험에 대해서도 음압레벨 측정 방법과 마찬가지로 가속되는 8 초 동안의 음질을 측정하였다.
본 실험에서는 정상 속도 주행 시험의 경우 50~110km/h 속도 범위 내에서 10km/h 씩 증가시키면서 등속 시험을 수행하였고, 각 주행 속도별 10 초 동안 측정하였다. 스로틀 전개 가속 시험은 50km/h 속도로 주행하다가 가속페달을 최대로 전개시켜 110km/h 속도에 이를 때까지의 소음을 측정하였다.
대상 차량이 승용차에 해당되므로 운전 조건은 정상 속도 주행시험과 스로틀 전개 가속시험에 대해 수행하였다. 정상 속도 주행시험은 각 속도 별 10 초 이상 녹음하였으며, 구축한 계측 시스템 운전석과 뒷좌석 동시에 측정하였다. 스로틀 전개 가속 시험에 대해서도 음압레벨 측정 방법과 마찬가지로 가속되는 8 초 동안의 음질을 측정하였다.
차량 실내 소음은 앞서 서술한 바와 같이 운전자의 쾌적성 및 제품의 품질을 결정하는 요소로 작용되고 있다. 차량 실내 소음 측정시험의 대표적인 국제규격인 ISO 5128 시험규격에 맞게 시험을 수행하여 측정위치의 타당성 검토, 차량 주행 조건의 검토, 음압레벨위주 측정의 한계점 등을 알아보고자 한다.
차량의 실내 소음을 측정함에 있어서 가장 일반적인 범주 승객 수송용으로서 4 개 이상의 차륜을 갖는 자동차에 속한 국내 생산 차량을 선택하여 실차 주행시험을 수행하였다. 시험차량은 국내에서 생산된 자동변속기 차량이고 배기량은 3300cc 급 승용차이다.
첫 번째는 60~120km/h 사이에서 5 가지 이상의 정속 속도영역을 선택하여 수행하는 정속주행시험과 두번째 로스로틀 전개가속 시험으로써 60~120km/h 의 속도영역을 모두 포함하는 변속비에서 최대로 스로틀을 전개시켜 발생하는 소음을 측정하는 시험과 세 번째로 정지시험으로써, 차량을 정지시켜놓고 기어 중립상태에서 스로틀을 최대로 전개하여, 이때 발생하는 음압을 측정하는 시험으로 나누어진다.

대상 데이터

ISO 5128 규격에 따라 차량 실내 소음을 측정하여 분석해보았다. 실제 규격에 의거한 측정점에서 시험을 수행한 음압레벨과 다른 위치에서 측정한 읍압레벨의 편차가 3dB 이내로 규격에서 제시한 측정위치는 유효한 결과를 보여주어 주었고, 차량 주행 조건의 경우 규격에서 제시한 방법대로 수행하는 데에는 큰 무리가 없었다.
검색한 시험규격은 국내의 경우 KS 규격으로 총 5 건이 검색되었고, 해외 시험규격의 경우 총 69 건이 검색되었다.
또한 시험의 측정데이터는 각 시험모드에서 발생하는 최대 음압(dB(A))을 기록하여 이를 최종데이터로 활용하게 된다.
본 시험을 위해 사용된 마이크로폰은 B&K 사에서 만든 4189 형식으로 측정 주파수 범위가 20~20kHz 인 ICP Type 의 마이크로폰을 사용하였다.
실내 소음 측정을 위한 측정기기는 Table 1 에 나타낸 바와 같이 차량 내부 운전석과 뒷좌석에서의 소음 측정을 위한 소음계와 마이크로폰, 마이크로폰 교정을 위한 보정기, 신호 저장과 분석을 위한 FFT 분석기 등 계측 장비 별 상세 내용을 나타내었다. 본 실험에 사용된 측정기기는 20~20kHz 의 주파수 범위를 다룰 수 있는 것으로 사람의 가청 주파수 영역을 표현할 수 있는 장비이다.
시험차량은 국내에서 생산된 자동변속기 차량이고 배기량은 3300cc 급 승용차이다.
본 시험을 위해 사용된 마이크로폰은 B&K 사에서 만든 4189 형식으로 측정 주파수 범위가 20~20kHz 인 ICP Type 의 마이크로폰을 사용하였다. 측정점은 KS A ISO 5128 을 기준으로 하여 운전석 오른쪽 귀 위치에 해당하는 곳과 뒷 좌석의 승객 귀 위치에 대하여 마이크로폰을 설치하였다. 그 외 마이크로폰 교정을 위한 보정기 등 앞 절의 Table 3 에서 제시한 계측 시스템을 기반으로 하여 차량 실내 음질 측정 시험을 수행하였다.

데이터처리

측정된 1/3 옥타브 대역 음압레벨 데이터를 이용하여 라우드니스(Loudness)와 샤프니스(Sharpness)를 계산한다. 라우드니스는 KS A ISO 532 의 방법(9)으로 계산한다.

이론/모형

본 시험은 차량 실내 소음 측정시험과 마찬가지로 개구부, 모든 창 및 임의의 부속 장비가 내부 음질에 영향을 미치지 않도록 작동을 멈추고 시험을 수행하였다. 도로 및 기상 조건을 점검하고 운전 조건을 KS A ISO 5128 에서 제시된 조건을 기준으로 차량의 실내 음질을 측정하였다. 대상 차량이 승용차에 해당되므로 운전 조건은 정상 속도 주행시험과 스로틀 전개 가속시험에 대해 수행하였다.
측정된 1/3 옥타브 대역 음압레벨 데이터를 이용하여 라우드니스(Loudness)와 샤프니스(Sharpness)를 계산한다. 라우드니스는 KS A ISO 532 의 방법(9)으로 계산한다. 샤프니스의 계산에는 라우드니스와 임계 대역률에 따른 라우드니스인 비 라우드니스(specific loudness)를 이용하여야 하므로 1/3 옥타브 대역을 임계대역으로 근사하여 샤프니스를 계산하는 방법을 따른다.

성능/효과

기존 KS A ISO 5128 시험규격에 맞도록 실차 주행시험을 하여 실내 소음에 대한 음압레벨 분석 결과 소비자가 느끼는 감성적인 측면을 나타내기 어려웠으며, 정량적 값인 음압레벨만 나타낼 수 있었다. 단, KS A ISO 5128 시험규격의 실차 주행시험을 통해 차량 실내 음질 계측 시스템에 대한 시험모드를 표준화할 수 있었으며, 차량 운전 조건 및 시험 환경에 대한 정의를 제시할 수 있었다.
단, KS A ISO 5128 시험규격의 실차 주행시험을 통해 차량 실내 음질 계측 시스템에 대한 시험모드를 표준화할 수 있었으며, 차량 운전 조건 및 시험 환경에 대한 정의를 제시할 수 있었다.
검색 규격 중, 각 국가별 규격의 경우 ISO 국제 규격을 자국의 언어로 기술적 내용 변화 없이 사용한 경우가 대부분이었으며, 업체 규격의 경우 ISO 국제 규격을 토대로 각 업체의 개발환경과 개발조건에 부합하는 시험규격을 개별적으로 제정하여 사용하고 있는 것으로 분석되었다. 또한 업체의 차량 실내/외 소음측정과 관련한 시험규격의 경우, 자동차 기술의 발전과 소비자의 감성품질의 기대치가 상승함에 따라 이에 대한 대응을 위해 시험규격을 지속적으로 개정하고 있는 것으로 분석되었다.
실제 규격에 의거한 측정점에서 시험을 수행한 음압레벨과 다른 위치에서 측정한 읍압레벨의 편차가 3dB 이내로 규격에서 제시한 측정위치는 유효한 결과를 보여주어 주었고, 차량 주행 조건의 경우 규격에서 제시한 방법대로 수행하는 데에는 큰 무리가 없었다.
음압레벨과 라우드니스가 크게 나타난 곳이 샤프니스가 크게 나타나지 않았으며, 주행 속도와 음질 요소 값의 경향도 각각 다르게 나타나 기존 음압레벨 위주의 시험규격에서 알 수 없었던 제품의 심리평가 요소를 도출할 수 있었다.
하지만, 음질 평가 방법과 측정기기의 정의는 인용 규격과 문헌을 통해 정립하여 표준화하였다. 이렇게 표준화된 기술을 바탕으로 한 실차 주행시험 결과 주요 음질 분석 요소인 라우드니스와 샤프니스에 대한 경향을 알 수 있었다. 음압레벨과 라우드니스가 크게 나타난 곳이 샤프니스가 크게 나타나지 않았으며, 주행 속도와 음질 요소 값의 경향도 각각 다르게 나타나 기존 음압레벨 위주의 시험규격에서 알 수 없었던 제품의 심리평가 요소를 도출할 수 있었다.

후속연구

차량 실내 소음에 대한 음질 평가 방법의 표준화를 통해 소비자가 제품을 선택할 수 있는 범위가 늘어날 것이며, 자동차 업계의 품질 평가를 위한 척도로써 효율적인 음질 측정 기술을 구축하는 데에 활용될 수 있다. 또한, 측정좌석 별 음질 특성을 분석하여 생산 차량의 가격과 음질 수준, 고음질을 방안을 위한 목적 주파수 선정으로 차량종류에 따른 음질 개선이 이루어 질 것으로 예상된다. 따라서 차량 실내 소음의 음질 표준화 방안이 규제의 성격 보다는 차량의 이미지를 대표할 수 있도록 활용되었으면 하는 바람이다.
차량 실내 소음에 대한 음질 평가 방법의 표준화를 통해 소비자가 제품을 선택할 수 있는 범위가 늘어날 것이며, 자동차 업계의 품질 평가를 위한 척도로써 효율적인 음질 측정 기술을 구축하는 데에 활용될 수 있다. 또한, 측정좌석 별 음질 특성을 분석하여 생산 차량의 가격과 음질 수준, 고음질을 방안을 위한 목적 주파수 선정으로 차량종류에 따른 음질 개선이 이루어 질 것으로 예상된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SAE J 1477은 무엇을 나타내는가?	SAE J 1477(6)은 미국자동차공학회에서 제정하고 있는 자동차 실내소음의 측정에 대한 시험표준을 나타낸다. SAE J 1477 은 ISO 5128 의 국제 규격을 기반으로 작성된 시험표준규격으로써, ISO 5128 과 많은 부분의 내용을 공유하고 있으나, 측정된 데이터의 분석에 있어서는 서로 상이한 양상을 나타내고 있다.
	GME R-0-20은 무엇인가?	GME R-0-20(7)은 미국 GM 社의 자체적인 시험표준 중, 유럽에 적용하는 차량의 타이어, 노면에 의한 실내소음을 측정하기 위한 시험규격을 나타내고 있다. 본 시험규격의 전반적인 시험진행 및 시험조건은 국제시험규격인 ISO 5128 의 내용을 적용시켰으나, 측정된 데이터의 분석과 관련하여 ISO 5128 국제규격을 보강하여 A 가중함수가 적용된 OA 레벨과 1/3 옥타브 스펙트럼(Step 형식) 및 명료도 지수를 추가로 분석하여 차량 주행 시 발생 가능한 실내소음의 측정기준을 제시하고있다.
	차량 실내/외 소음측정과 관련한 시험규격은 어떻게 나뉘는가?	차량 실내/외 소음측정과 관련한 시험규격은 크게 세 가지로 나누어진다. 첫 번째는 국제표준화기구에서 규정하고 있는 국제규격과 이를 토대로 각 국에서 자국의 언어로 번역하여 사용하는 국가 규격, 그리고 각 완성차 업체 및 자동차관련 협회에서 작성된 시험규격으로 나누어진다. 이에 본 연구에서는 각국 및 관련업체에서 제정하여 사용되는 차량 실내/외 소음측정과 관련된 시험규격을 한국표준협회 및 IHS Standard 社를 통하여 검색하고 차량 실내/외 소음측정과 관련된 기술적 동향파악을 위하여 검색되어진 각 시험규격의 분석작업을 수행하였다.

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차량 실내 소음에 대한 음질 평가 방법의 표준화
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