[논문]차세대 고속철도 차량 적층 구조의 차음성능

이중혁; 김석현

[국내논문] 차세대 고속철도 차량 적층 구조의 차음성능
Sound Insulation Performance of the Layered Structure of the Next Generation High Speed Train 원문보기

이중혁 (강원대학교 대학원 기계메카트로닉스공학과) , 김석현 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과)

Aluminum extruded panel used in a high speed train shows high stiffness, however, its sound insulation performance is remarkably decreased by local resonance phenomena. In this paper, improvement strategy of the sound insulation performance is proposed for the floor extruded panel used in HEMU-400x, 400km/h class next generation high speed train under development, and the improvement effect is verified by experiment. Aluminum extruded panel specimen for the floor is manufactured and urethane foam is installed in the core of the panel. Based on ASTM E2249-02, intensity transmission loss is measured and the improvement effect in local resonance frequency band is verified. Finally, improvement effect of the sound insulation performance is estimated on the layered floor structure including the foamed aluminum panel.

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문제 정의

이 연구에서는 현재 개발 중인 400km/h 급 차세대 고속철도 차량인 HEMU-400x의 바닥 압출재의 차음성능을 평가하고, 압출재 코어 내에 우레탄 폼을 충진 시킬 때의 차음성능 개선 효과를 실험적으로 평가한다. 제작된 압출재 시편을 대상으로, ASTM E2249-02⁽⁵⁾에 따라 인텐시티 투과손실을 측정한다.
HEMU-400x 바닥재용 알미늄 압출재는 국부 공진이 발생하는 500Hz 이후 차음 성능이 크게 하락하였다. 이에 대한 대책으로 탄성 다공성 우레탄 폼을 압출재 코어부에 충진 시켜국부공진에 대한 댐핑을 효과적으로 증가시켰다. 그 결과 압출재 중량의 6%에 상당하는 폼을 충진 시킬 때 500Hz이후 투과손실이 크게 개선되어 1000Hz에서 5dB의 차음성능이 향상되었다.

제안 방법

제작된 압출재 시편을 대상으로, ASTM E2249-02⁽⁵⁾에 따라 인텐시티 투과손실을 측정한다. 최종적으로, 개선된 압출재를 바닥 적층재에 적용할 때의 최종 차음성능 개선효과도 평가한다.
2 (a)는 HEMU-400x에 사용되는 알미늄 압출재 모델이고, (b)는 압출재의 코어에 압출재 중량의 6% 상당의 우레탄폼을 충진 시킨 모델이다. 우레탄 폼은 3% 및 6% 의 두 경우를 충진 시켜, 개선효과를 충진 전과 비교하였다. 최종적으로 알미늄 압출재를 Fig.
우레탄 폼은 3% 및 6% 의 두 경우를 충진 시켜, 개선효과를 충진 전과 비교하였다. 최종적으로 알미늄 압출재를 Fig. 3과 같이 바닥 적층재에 적용하고 개선 전후의 차음성능을 비교 평가하였다.

대상 데이터

이 연구에서는 현재 개발 중인 400km/h 급 차세대 고속철도 차량인 HEMU-400x의 바닥 압출재의 차음성능을 평가하고, 압출재 코어 내에 우레탄 폼을 충진 시킬 때의 차음성능 개선 효과를 실험적으로 평가한다. 제작된 압출재 시편을 대상으로, ASTM E2249-02⁽⁵⁾에 따라 인텐시티 투과손실을 측정한다. 최종적으로, 개선된 압출재를 바닥 적층재에 적용할 때의 최종 차음성능 개선효과도 평가한다.
개구부 크기(840mm x 840mm)를 고려하여 836mm x 836mm의 크기로 시편을 제작하였고, 가장자리는 점토로 기밀처리 하였다. 실측한 시편 질량은 폼 충진 전의 값이다.

이론/모형

ASTME2249-02 기준에 따라 Fig. 4 의 잔향실 반 무향실 환경에서 인텐시티 투과손실을 측정하였다. 인텐시티 투과손실은 다음 식(1)으로부터 결정된다.
한편, 중량대비 투과손실의 평가에는 다음의 필드 입사음 질량법칙(Field incidence mass law)⁽⁶⁾ 식 (2)를 사용하였다.

성능/효과

이러한 큰 하락은 코어부에서 국부적인 굽힘 변형을 보이는 다수의 국부공진 모드에 의한 것으로 선행연구에서 밝혀졌다.^(3,4) 200Hz 아래 저주파수 대역에서는 시편의 제한된 크기에 따른 구속효과로 투과손실이 높게 나오나, 실제 바닥재의 크기에서는 구속효과가 작아지므로 저주파수 대역의 투과손실은 크게 감소하여 질량법칙에 따른다.
5는 폼 충진 전후의 투과손실을 비교한다. 6% 충진 시, 1000Hz에서 5dB 정도의 투과손실이 향상되었고, 국부 공진이 시작하는 주파수 대역 이후 상당한 개선 효과를 내고 있다. 랜덤 음파가진 하에서 투과손실과 동시에 측정한 진동 가속도를 Fig.
이에 대한 대책으로 탄성 다공성 우레탄 폼을 압출재 코어부에 충진 시켜국부공진에 대한 댐핑을 효과적으로 증가시켰다. 그 결과 압출재 중량의 6%에 상당하는 폼을 충진 시킬 때 500Hz이후 투과손실이 크게 개선되어 1000Hz에서 5dB의 차음성능이 향상되었다. 또한, 충진 압출재를 바닥 적층재에 사용하였을 때, 총 중량 2% 의 증가로 3dB 정도의 투과손실 개선효과를 발생시켰다.
그 결과 압출재 중량의 6%에 상당하는 폼을 충진 시킬 때 500Hz이후 투과손실이 크게 개선되어 1000Hz에서 5dB의 차음성능이 향상되었다. 또한, 충진 압출재를 바닥 적층재에 사용하였을 때, 총 중량 2% 의 증가로 3dB 정도의 투과손실 개선효과를 발생시켰다.

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