고채널 음향 어레이 시스템을 활용한 주행 소음 시각화 및 전달함수 분석(Pass-by Noise Measurement, Acoustic Camera, Helmholtz Inverse Beamforming, Vehicle, Sound Visualization)

 

목차

 

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본 연구는 차량이 주행할 때 발생하는 외부 소음을 측정하고, 소음의 원인을 정확히 찾아내기 위한 연구입니다. 특히, 독일의 Mercedes-Benz 차량을 대상으로 진행되었으며, 국제 표준인 ECE R51.03 규정에 따라 실험이 수행되었습니다.

 

국제 표준인 ECE R51.03 자동차 Pass by 노이즈 규격, 팜테크

 

이 규정은 차량이 일정한 속도와 조건으로 주행하면서 두 개의 측정용 마이크로폰을 지나갈 때 발생하는 소리를 측정하여, 그 데이터를 통해 차량의 외부 소음 수준을 평가하는 방법을 제시합니다. 일반적으로 이러한 시험에서는 시간에 따른 소음의 크기, 즉 음압 레벨 [dB(A)]이 기록되며, 특정 구간에서 소음이 커지는 피크 구간이 생깁니다. 하지만 이 피크가 정확히 차량의 어느 부분(엔진, 배기구, 타이어 등)에서 비롯된 것인지 알아내는 것은 쉽지 않습니다. 기존에는 엔지니어의 경험에 의존해 소음의 원인을 추정해야 했습니다.

 

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 음향 카메라(Acoustic Camera)를 활용했습니다. 음향 카메라는 단순히 소리를 “듣는” 것에 그치지 않고, 소리의 위치를 눈으로 볼 수 있도록 시각화하는 장치입니다. 즉, 차량 주행 중 어디에서 가장 큰 소리가 발생하는지를 실제 영상 위에 색상으로 표시해 줍니다.

 

측정 장비 구성과 원리

벤츠 자동차 Passby 마이크로폰 어레이

 

이번 연구에서는 864개의 마이크로폰이 장착된 대형 마이크 어레이가 사용되었습니다. 이렇게 많은 마이크로폰을 통해 차량 주위의 소리를 여러 방향에서 동시에 수집하고, 6대의 데이터 레코더가 이를 완벽하게 동기화하여 저장합니다

 

이 시스템에는 독일 GFaI 연구소에서 자체 개발한 SIFAH(Spherical Integration Farfield Acoustical Holography) 알고리즘이 적용되어 있습니다. 이 기술은 다수의 마이크로폰으로부터 들어온 신호를 분석해, 소리가 어느 위치에서, 어떤 방향으로, 얼마나 큰 세기로 발생했는지를 3차원적으로 계산합니다.

 

음향 가시화 패스바이 소음 분석

 

또한, NoiseImage Controller라는 전용 소프트웨어를 사용하여 실시간으로 데이터를 수집하고 제어할 수 있습니다. 이를 통해 엔지니어는 시험 중에도 소음의 분포를 확인하거나, 특정 구간의 세부 데이터를 분석할 수 있습니다.

 

 

소음원의 정량적 분석과 전달함수 계산

 

단순히 “어디서 소리가 나는가”를 아는 것에 그치지 않고, 연구에서는 각 부품이 전체 소음에 얼마나 기여하는지를 계산하는 단계까지 진행되었습니다. 이를 위해 Helmholtz Inverse Beamforming (HIBF)이라는 고급 음향 분석 기법이 활용되었습니다

 

 

이 과정에서는 특정 부위(예: 타이어, 엔진, 배기구 등)에 가상의 체적 속도 소스(volume velocity source)를 설정하고, 이 소스에서 발생한 소리가 어레이에 도달하는 전달함수(Transfer Function)를 계산합니다. 이를 역으로 분석하면 각 소음원이 전체 소리에 차지하는 비율을 구할 수 있습니다.

 

분석 결과, 타이어 소음이 가장 큰 비중을 차지하는 것으로 나타났고, 그 다음으로 엔진 소음과 배기 소음이 주요한 원인으로 확인되었습니다. 이러한 결과는 차량의 소음 저감 설계 방향을 구체적으로 제시해 주는 중요한 근거가 됩니다.

 

 

시뮬레이션 기반 주행시험 (Simulated Pass-by)

 

실제 도로 시험 외에도, 이번 연구에서는 반무향실(hemi-anechoic chamber)에서 동일한 조건을 재현하여 시뮬레이션을 수행하였습니다. 이를 통해 날씨나 환경 조건에 영향을 받지 않고 일정한 실험 조건에서 반복적인 시험을 할 수 있습니다.

 

시뮬레이션 결과는 3D 모델 위에 소음 강도를 색상으로 표시하여 시각적으로 표현되었습니다. 엔지니어는 이 결과를 통해 차량의 특정 부위에서 발생하는 소음의 세기와 위치를 한눈에 확인할 수 있었으며, 소음 저감 대책을 효율적으로 수립할 수 있었습니다

 

이번 연구를 통해 gfai tech 연구팀은 Mercedes-Benz의 요구 조건에 맞춘 고해상도 맞춤형 음향 어레이 시스템을 제작하였으며, 두 가지 새로운 음향 분석 알고리즘을 개발하였습니다. 이를 통해 고객사는 차량의 인증 기준을 충족하기 위해 어떤 부품을 개선해야 하는지를 명확히 알 수 있게 되었습니다

 

즉, 본 연구는 단순히 소음을 “듣는” 수준을 넘어, 소음의 원인을 “보는” 단계로 발전시킨 기술적 성과라 할 수 있습니다. 나아가, 실험실 환경에서도 실제 주행과 유사한 조건을 재현할 수 있어, 차량 개발 과정에서 소음 저감 설계의 효율성과 정확성을 크게 향상시켰습니다.

 

 

 

해당 내용과 관련해서 팜테크에서 시스템 솔루션을 제공하고 있습니다.  관심 있으시면 아래 홈페이지 또는 연락처를 통해 문의 주시면 됩니다. :)

 

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