[Microphone] 항공음향-볼보 풍동 시험, 사운드 계측(Aeroacoustic, Volvo, Wind Noise)

 

목차

 

 

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풍동 시험에서의 Legacy 마이크로폰의 한계와 해결책

항공음향(Aeroacoustic)의 풍동 시험(Wind Tunnel Experiment)에서 신뢰할만한 사운드를 측정하는 것은 쉽지 않습니다. 퐁동 시험에 사용된 기존의 Legacy 마이크로폰(Microphone)은 Flush Mounted Microphone과 Surface Mounted Microphone이 있습니다.

 

• Flush Mounted Microphone
• Surface Mounted Microphone

 

Flush의 경우 마운팅을 위해서 드릴 작업이 필요해서 시편에 파손을 줄 수 있기 때문에 측정 결과를 신뢰하기 힘듭니다. 또한 드릴 과정에서 Material의 Transmissivity, 댐핑(Dampening)과 같은 속성이 변경될 수 있습니다.

Surface 타입도 마이크로폰의 높이에 의해 바람의 Turbulence에 영향을 주기 때문에 분석을 위해 추가적인 작업이 필요 합니다. 위와 같은 제약에 의해 특히 차량의 유리에서의 계측이 어렵습니다.

 

 

Flush, UTP, Surface

 

CAE(Computer-aided engineering)는 차량의 설계 초기 단계에서 디자인을 검증하는데 유용한 툴입니다. CAE를 통해 비용, 시간을 크게 절감할 수 있습니다. 이러한 CAE를 효과적으로 사용하기 위해서는 입력 값이 중요합니다. 단순히 차량 파트를 풍동(Wind Tunnel)에 배치하고 결과를 입력 값으로 가져오는 것이 아닌 신뢰할 수 있는 항공음향(Aeroacoustic) 값을 입력 값으로 사용하여야 됩니다. 

 

UTP(1mm, 48LX), Surface(2.5mm, 40LS)

 

볼보(Volvo)의 Mauricio Massarotti와 Pär Harling는 기존의 마이크로폰의 한계를 인지하고 있었고 이를 해결하기 위해 GRAS의 UTP(Ultra Thin Precision) 마이크로폰을 도입하였습니다.

볼보팀에서는 Dassault Systèmes PowerFLOW®, PowerACOUSTICS® CAE 프로그램을 사용해서 차량(Vehicle) 주변 공기의 단기적인 움직임(Transient Flow)을 예측하고 예측된 시계(Time Domain) 음압(Sound Pressure)을 이용해서 구조체에 발생하는 파워와 음향 파워를 계산해서 차량 내부(Cabin)에 발생하는 노이즈를 계산하였습니다. 

볼보에서 CAE에 유효한 입력 값을 주기 위해서 일련의 풍동 시험(Wind Tunnel Test)을 진행하였고 GRAS UTP를 사용해서 측정하였습니다. 풍동시험은 독일 Stuttgart의 FKFS 풍동시험실(Aeroacoustic Wind Tunnel)에서 실시 하였습니다.

 

 

 

 

 

 

 

UTP와 Legacy 마이크로폰 실차 측정 비교

 

Legacy 마이크로폰의 차량 유리(Vehicle Glass) 파트에서 노이즈 계측은 아래의 3가지 방법 중에 하나로 진행되었습니다.

 

1. Surface 마이크로폰 부착

2. Flush 마이크로폰 + 드릴 가능한 추가 플레이트

3. Flush 마이크로폰 + 드릴 가능한 소재의 차량 유리로 변경

 

3번 방식으로 진행할 경우 아래와 같이 Plexiglass 플레이트를 사용해서 Flush 마이크로폰과 케이블을 위한 공간을 잘라냅니다.

 

아래 시험은 Plexiglass 플레이트 사용 경우와 아닌 경우의 자동차 케빈의 소음 비교입니다.

위 결과는 Plexiglass 플레이트를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에서의 차량 내부 캐빈(Cabin)의 음압(SPL) 결과입니다. 결과를 통해 Plexiglass 플레이트를 사용한 경우 노이즈(Noise)에 댐핑이 발생함을 알 수 있습니다. 그러므로 이에 대한 보상을 적용하여야 합니다. 

 

 

 

 

 

다음은 UTP 마이크로폰을 차량 전면 윈도우에 부착했을 경우에 대해 차량 내부 노이즈 계측을 비교하였습니다.

그림1

1. Plexiglas 플레이트 사용햐여 UTP를 Flush 형태로 배치(그림1 왼쪽)

2. 유선형(Fairing) 고무 패드로 직접 부착, 케이블 마감처리(그림1 가운데)

3. Docking Station을 사용해서 부착, 케이블 마감처리(그림1 오른쪽)

4. Docking Station을 사용해서 부착, 케이블 비마감(그림 없음)

 

 

1번의 경우 플레이트 배치로 인해 시간과 비용기 가장 많이 발생합니다. 그 외 방식은 비용과 시간이 크게 들지 안습니다.

시험은 아래의 파라미터를 변경하면서 진행하였습니다. 

 

• 풍속(Wind Speed)
• 차량 야후(Yaw)
• 마이크로폰 위치

 

1 mm-overflush condition (no plexiglas plate) in three different positions on the window

design modification on the A-pillar measured in flush condition (plexiglas) in three different positions on the window

 

볼보에 따르면 결과의 경향은 차이가 많이 발생하지 않았지만 실내 노이즈 레벨과 전달률(Transmissibility)에서 큰 차가 발생하였다고 합니다. 

 

해치백

다음으로 차량의 바디와 해치백 도어 사이에 빈 틈 측정에 UTP의 작은 사이즈가 유용하게 이용될 수 있었습니다. 

 

 

 

 

CAE 시뮬레이션 결과와 UTP 측정 값 비교

 

Spectra, average of multiple locations distributed on the side window exterior

위 그림은 GRAS UTP 마이크로폰과 볼보의 CAE 소프트웨어 PowerFlow의 결과를 비교한 그림입니다. GRAS UTP는 측면 유리에 유선형(Fairing) 고무를 사용해서 직접 부착한 상태입니다. 모델의 Geometry와 경계 조건은 시험의 셋업에 매칭시켰습니다. 

 

결과에서 보이 듯이 측정값과 시뮬레이션 이 유사하게 나왔음을 알 수 있습니다. 해당 결과를 시물레이션의 결과를 신뢰할 수 있음을 확인할 수 있습니다. 

 

해당 비교에서 확인할 수 있는 장점은 UTP를 사용할 경우 간편한 셋업과 결과에 대한 별도의 보상(Compensation)이 필요 없습니다.

 

 

FIND acoustic noise sources with acoustic dB map on the side glass for 354-707 Hz frequency band, 0° Yaw and -10° Yaw with marked microphone locations.

위 그림은 PowerACOUSTICS 툴을 사용해서 FIND(Flow induced noise detection)과 Acoustic wavenumber filter를 사용해서 노이즈 발생지(Noise Source)에 대한 분석을 진행한 그림입니다. 위와 같은 Visualization을 통해 구조체의 Turbulent Flow와 Noise 소스에 대한 정보를 쉽게 파악할 수 있습니다. 

 

 

 

 

 

 

GRAS UTP(Ultra Thin Precision) 결론

• 안정적, 반복 시험 가능
• 위치별 Yaw 영향을 정확히 측정 가능 (국부 흐름, Local flow)
• Surface Microphone 40LS(10~20kHz, ±1 dB)에 비해 UTP 48LX-1는 고주파 측정 가능(20~40kHz, ±1 dB)
• 사이드 윈도우의 디자인 변경의 국부적 영향 캡쳐 가능
• 마운팅을 위해 추가 플레이트 필요 없음(No Additional Apparatus)
• cavity, plate vibration, mass dampening에 따른 보상 계산 필요 없음
• 최소 사이즈(1mm) 마이크로폰으로 시뮬레이션 단계에서 마이크로폰의 영향 추가 필요 없음