경계층 음향 측정에서 표면 마이크, 매립형 마이크 및 난류 차폐 센서의 특성 비교와 적용 분석(풍동 시험)

 

목차

 

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경계층 측정의 필요성

 

경계층(boundary layer)은 물체 표면 바로 위에 형성되는 매우 얇은 공기층으로, 이 영역에서는 공기의 속도와 압력, 그리고 난류의 특성이 급격하게 변화합니다. 자동차나 항공기와 같은 분야에서는 이 경계층에서 발생하는 소음과 구조물에 작용하는 압력을 정확하게 측정하는 것이 매우 중요합니다. 특히 실제 음향 신호와 공기 흐름에 의해 발생하는 난류 잡음을 구분하는 것이 핵심 과제입니다. 이러한 이유로 경계층에서는 측정 위치를 표면에 최대한 가깝게 유지해야 하며, 동시에 센서 설치로 인해 원래의 공기 흐름이 변하지 않도록 주의해야 합니다.

 

 

표면 마이크의 특징과 활용

Schematic of surface microphone, 40LS, 팜테크

 

 

표면 마이크(surface microphone)는 구조물 표면 위에 부착하여 사용하는 방식으로, 별도의 가공 없이 간단하게 설치할 수 있다는 장점이 있습니다. 이 센서는 매우 얇은 형태로 제작되어 공기 흐름에 미치는 영향을 최소화하도록 설계되어 있으며, 평면뿐만 아니라 곡면에도 적용할 수 있습니다. 따라서 복잡한 형상의 구조물에서도 유연하게 사용할 수 있습니다.

 

그러나 표면 위에 부착되는 구조 특성상, 센서가 미세하게 돌출되어 공기 흐름과 상호작용할 수 있으며, 특히 고주파 영역에서 측정값이 일부 왜곡될 수 있습니다. 또한 난류를 억제하는 기능이 따로 없기 때문에, 바람이 강한 환경에서는 난류에 의한 잡음이 측정 결과에 크게 영향을 줄 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 설치의 용이성과 비침습성 덕분에 다양한 실험 환경에서 유용하게 활용됩니다.

 

 

매립형 마이크의 특징과 장단점

Schematic of flush-mount microphone, 47BX, 팜테크

 

매립형 마이크(flush-mount microphone)는 구조물 표면과 동일한 높이로 설치되는 방식으로, 공기 흐름을 방해하지 않으면서 보다 정확한 압력 측정이 가능합니다. 이 방식은 구조물 표면에 존재하는 실제 동압을 비교적 정확하게 재현할 수 있으며, 특히 관심 주파수 범위에서 평탄한 응답 특성을 보이는 것이 큰 장점입니다.

 

Schematic of flush-mount Turbulence Screen, 67TS, 팜테크

 

하지만 설치를 위해서는 구조물에 구멍을 내는 등의 가공이 필요하므로 비침습적이지 않다는 단점이 있습니다. 또한 난류가 강한 환경에서는 유동에 의해 발생하는 압력 변동이 그대로 센서에 전달되어 잡음이 증가할 수 있습니다. 따라서 매립형 마이크는 정밀한 음압 측정에는 매우 적합하지만, 난류 환경에서는 성능이 제한될 수 있습니다.

 

67TS와 47BX는 모두 매립형(Flush-mount) 방식의 마이크를 기반으로 하지만, 구조에서 중요한 차이를 보입니다. 47BX는 구조물 표면과 동일한 높이에 마이크가 직접 노출된 형태로, 표면에서 발생하는 압력을 그대로 측정할 수 있도록 설계된 기본적인 매립형 마이크입니다. 반면 67TS는 47BX 마이크를 기반으로 하되, 마이크를 약간 안쪽으로 배치하고 그 앞을 돔 형태의 공간과 와이어 메시(mesh)로 덮은 구조를 가지고 있습니다. 이러한 추가 구조는 외부의 난류가 마이크에 직접적으로 영향을 주지 않도록 완충 역할을 합니다.

 

 

난류 차폐형 매립 마이크의 원리와 성능

 

난류 차폐형 매립 마이크(flush-mount Turbulence Screen)는 기존 매립형 마이크에 난류 억제 기능을 추가한 형태입니다. 이 센서는 마이크를 약간 안쪽으로 배치하고, 그 앞을 와이어 메시 구조로 덮어 난류의 직접적인 영향을 줄입니다. 이러한 구조는 난류에서 발생하는 불규칙한 압력 변동을 평균화하거나 감소시키는 역할을 합니다.

 

그 결과, 강한 유동 환경에서도 실제 음향 신호를 보다 명확하게 측정할 수 있습니다. 실험 결과에 따르면, 이 센서는 다른 방식에 비해 난류 잡음을 크게 줄이며, 최대 약 15 dB 정도의 소음 감소 효과를 보였습니다. 특히 풍동 실험과 같이 바람의 영향이 큰 조건에서 가장 뛰어난 성능을 나타냅니다. 다만, 구조적인 특성으로 인해 특정 주파수 영역에서는 응답 특성이 변할 수 있으며, 설치 역시 매립이 필요하다는 점은 고려해야 합니다.

 

 

실험 결과를 통한 비교 분석

 

문서에서는 무향실과 풍동 환경에서 다양한 센서의 성능을 비교하였습니다. 무향실 실험에서는 매립형 마이크가 가장 평탄한 주파수 응답을 보였으며, 표면 마이크와 난류 차폐형 센서는 구조적 영향으로 인해 고주파 영역에서 약간의 편차를 보였습니다.

 

Pressure response of the transducers, relative to that of the 47BX, placed in a baffle and with sound arriving head-on,팜테크

 

반면, 풍동 실험에서는 결과가 크게 달라졌습니다. 바람이 없는 경우에는 모든 센서가 비교적 유사한 성능을 보였지만, 바람이 있는 경우에는 난류의 영향이 크게 나타났습니다. 일반 매립형 마이크와 표면 마이크는 난류 잡음에 의해 신호가 묻히는 경향을 보였으나, 난류 차폐형 센서는 이러한 환경에서도 신호를 비교적 명확하게 유지하였습니다. 이는 실제 운용 환경에서 센서 선택이 얼마나 중요한지를 잘 보여주는 결과입니다.

 

An overview of the setup in the small wind tunnel. From left to right are the following: 47BX (¼” flush-mount), 67TS (Turbulence Screen), 47AX (½” flush-mount), and 40LS (surface microphone). The flow was equally from left to right. In the top is seen a 40SC probe microphone (whose results have not been presented herein); in the bottom is the opening of the sound source, mouth simulator 44AA

Response of the 4 transducers to the same multitone of pure tones as shown in Figure 8, though with added turbulent noise due to a free-stream velocity of 20m/s. The 67TS flush-mount Turbulence Screen clearly extracts the excited pure tones.

 

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

 

https://famtech.co.kr/sub04/01_01.php

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