자동차 소음에 대한 고찰

A Window Into Automotive Noise

2018년 09월호 지면기사  /  글│ 차오 유(Chao Yu) 프로젝트 팀장, Advanced Machine Systems 미국 코닝 소재, 코닝 주식회사

     
자동차 내부는 고속 주행 시 발생하는 난류 유동에 의해 매우 시끄러울 수 있다. 코닝(Corning)의 엔지니어들은 자동차 내부 소음을 제어하기 위해 ANSYS Workbench의 공력(Aerodynamic) 해석과 진동소음(Vibro-acoustic) 해석을 조합했다. <이 글은 ANSYS의 Issue 1 │ 2018에 게재된 글을 전재한 것입니다.>



대부분의 운전자들은 고속도로에서 자신이 좋아하는 라디오 채널을 듣기 위해서 볼륨을 높여야 하고, 동승자와 대화를 나누기 위해서 목소리를 더 크게 내야 한다는 것을 알고 있다. 이는 차량이 고속으로 주행할 때 주변에 발생하는 난류의 직접적인 결과이다. 최근 J.D. Power의 미국 자동차 내구성 품질 조사(U.S. Vehicle Dependability Study)에 의하면[1], 과도한 풍절음은 차량 운전자들이 가장 흔히 경험하는 중요한 문제 중 하나였다. 외부 소음이 어느 주파수 대역에 위치하느냐에 따라서 차량 탑승자들은 소음을 조용한 대화(40~50 dB)와 번잡한 도시의 도로(70~80 dB) 수준으로 받아들일 수 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 코닝의 엔지니어들[2]은 차량 외부의 풍절음이 내부 소음으로 유입되는 물리적 메커니즘을 연구하고 있다. 고속에서, 차량을 둘러싼 공기는 차량의 프론트엔드, A-필러, 사이드미러에 의해 분리된다. 이러한 현상으로 인해 차량 외부 표면에 압력장의 섭동을 일으키는 난류(turbulent flow)가 발생한다. 이러한 압력 변화는 유리판(앞유리 및 다른 창유리들)의 진동을 일으키고, 이 진동은 차량 내부의 공기를 가진하여 내부 소음 중 일부를 생성한다.

내부 소음의 또 다른 주요 원인은 유리창 외의 다른 표면에서의 유동소음이 차체의 다른 부품들을 통하여 전달되는 우회 전달 소음(Flanking noise)이다. 또한 지면과 접촉하는 타이어와 차량의 기계적 장치에서 발생하는 소리가 차량 내부 소음에 기여한다.

코닝의 엔지니어들은 어떠한 유리 표면이 유리를 통한 소음 전달에 가장 중요한 경로가 되는 지, 그리고 경량 유리 재료가 소음에 어떠한 영향을 미치는지 알고 싶었다. 그들은 ANSYS Workbench의 유동해석과 구조해석 툴을 이용해 결정론적인 공력/진동 음향해석(Deterministic Aero-Vibro-Acoustics, DAVA) 방법을 구축했다.

DAVA 프로세스는 메시 생성과 해석에 소요되는 비용절감을 위해 미국의 일반적인 SUV 차량의 단순화된 형상을 이용했다. 연구는 유리를 통해 전달되는 소리에 집중했기 때문에 사이드미러, A-필러와 같은 유리창 주변의 복잡한 형상은 유지하고, 범퍼와 타이어 등 다른 부분은 대략적으로 모델링했다.

대칭 조건의 장점을 이용하여, 엔지니어들은 ANSYS CFD Meshing을 이용해 차량 절반에 해당되는 유동장을 5,500만 개의 육면체 요소로 구성된 전산유동해석(Computational Fluid Dynamics, CFD)용 메시를 생성했다. 계산 영역의 크기는 와흘림(vortex shedding), 유동 박리(flow separation) 및 재부착 현상이 관찰될 수 있도록 선정됐다.

소음 발생

메시가 완성된 후 코닝 연구팀은 유동장의 난류 유동을 모사하기 위한 과도해석을 ANSYS Fluent CFD solver를 이용하여 수행했다. 차량이 80 mph로 주행할 때 발생하는 와류를 예측하기 위해, 엔지니어들은 난류 모델로 DES(Detached Eddy Simulation) 모델을 선택했다.



DES 모델은 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 모델과 LES(Large Eddy Simulation) 모델이 벽변으로부터의 거리와 메시 분해능을 기준으로 선택되는 하이브리드 모델이다. LES는 많은 해석 자원이 필요한 모델이므로, 차량으로부터 멀리 떨어져 있는 성긴 요소망(Coarser domain)에서 사용되며, RANS 모델은 벽변(Wall boundaries) 근처의 조밀한 영역에서 사용됐다.



연구진은 0.5초의 실제 난류 유동을 해석하기 위해 10,000번의 타임 스텝으로 DES 모델 해석을 수행했다. 이러한 짧은 타임 스텝은 유동소음에서 최대 5 kHz까지의 넓은 주파수 대역을 포함하여 결과를 도출하는 것이 필요하기 때문에 적용됐다. 코닝은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 이용해서 과도해석 데이터를 시간 도메인에서 주파수 도메인으로 변환했다. 그래서 그들은 유리의 음압 레벨(Sound Pressure Levels, SPL)을 더 일반적으로 이해하기 쉬운 dB 단위로 평가할 수 있다. 이러한 대형 해석 모델은 코닝의 고성능 클러스터에서 ANSYS HPC를 사용해야 했다.



초기 CFD 해석에서 앞 유리의 아래 모서리 부분과 옆 유리의 앞부분에서 다른 부분에 비해 더 높은 외부 음압 레벨이 나타나는 것으로 분석됐다. 일반적인 앞 유리 디자인에서, 유리표면과 A-필러 사이에서 유리의 끝단이 필러 아래로 연장되는 부분에 보통 작은 단차가 존재한다. 연구진의 기본 차량 모델에는 5 mm의 층이 고려되었으며, 비교를 위해 앞 유리와 A-필러 사이에 단차가 없는 수정된 모델이 준비됐다. 수정된 모델에서는 옆 유리 앞단에서 최대 5 dB의 외부 소음 감소 효과가 있었다. 수정된 모델에서 연구진은 공기 유속을 60 mph, 30 mph 조건에서 두 번의 해석을 추가 수행했다. 예상한 대로, 차량 속도가 감소함에 따라서 공력 소음은 감소했다.



소음 전달과 전파


외부 음압 레벨(SPL) 예측치가 준비되었을 때, 코닝 연구진은 ANSYS Mechanical의 진동소음 해석의 입력 조건으로 해당 예측치를 이용했다. 엔지니어들은 외부 가진으로 작용하도록 차체의 표면에 외부 압력 데이터를 매핑했다. 연구진은 차량 내부 탑승 공간의 경계와 내부에 대한 분리된 메시를 생성했으며, 유리 표면은 외부와 내부 형상들에 의해 공유되었다. 또한 내부 형상은 보다 정확하게 음파의 흡수와 반사를 나타낼 수 있도록 의자, 대시보드, 기어박스, 핸들 등의 구조들을 포함하고 있다.



초기에 연구진은 앞 유리와 옆 유리 앞쪽 창은 폴리비닐부티랄 레진으로 접합된 두 층의 소다석회유리(Soda Lime Glass, SLG)로 적용했고, 이외 다른 유리창들은 모두 한 층의 소다석회유리로 적용했다. 일반적인 관심 주파수 대역(1 kHz)에서 하모닉 응답 해석(Harmonic Response Simulation)은 대부분의 소음이 나오는 앞 유리와 옆 유리의 앞측 영역 등 차량의 앞부분에서 더 높은 음압 레벨이 나타날 것으로 예상했다. ANSYS Mechanical을 이용한 총 해석 시간은 21개의 샘플링 주파수 범위에 대해 300 CPU 시간이 소요됐다.

그들의 결과를 검증하기 위해, 연구진은 운전자의 귀 위치에 마이크를 설치한 시험용 차량을 이용하여 풍동 시험을 수행했고, 음압 레벨 측정결과를 수집했다. 그러나 풍동 시험의 측정결과는 내부 음압 레벨 전체에 대한 것이었고, 연구진은 유리로 전달되는 소음뿐만 아니라 우회 전달 소음에 대한 정보도 필요했다. 시험 차량이 정지해 있고 작동하고 있지 않았기 때문에 연구진은 바퀴 및 기계장치의 음압 레벨에 대한 기여도를 무시할 수 있었다.



우회 전달 소음에 대해 고려하기 위해, 연구진은 모든 유리 표면이 보호된 또 다른 풍동 시험을 수행했고, 전체 내부 음압 레벨을 도출했다. 전반적으로 해석 결과와 시험 결과에서 음압 레벨은 경향뿐만 아니라 절댓값에 대해서도 높은 일치도를 보여주었다.

추가적인 시험으로, 코닝의 연구진은 앞 유리와 옆 유리의 앞측 창의 유리가 더 가벼운 복합유리로 대체된 경우에 대해 어떠한 효과가 있을지 분석했다. 복합유리는 안쪽 소다석회유리가 더 얇은 Gorilla® glass로 대체된 재료이다. 시뮬레이션이 유리로 전달되는 소음에 대해 음향적으로 감소하는 결과를 보여줬음에도 불구하고, 고속에서는 우회 전달 소음이 지배적이기 때문에 전체적인 영향은 미미할 것으로 판단했다.

소다석회유리-소다석회유리 및 소다라임유리-Gorilla® glass 접합유리 두 가지 모델 모두에서 일반적인 모델(앞 유리와 A-필러 사이의 단차가 있는 모델)에 비하여 단차가 없는 모델의 저주파(500 Hz 미만) 영역에서의 외부 소음에 의한 차량 내부 탑승 공간의 음압 레벨이 감소했다.

연구의 마지막으로, 코닝의 연구진은 전체 차량의 소음 발생, 전달, 전파를 조사하기 위한 강력한 분석을 제공하는 모델을 개발했다. 이러한 초기 결과와 함께, 연구진은 설계 및 평가 과정에 대해 30~50%의 효율 증가 및 그에 따른 비슷한 수준의 비용절감이 가능할 것으로 예상했다. 비록 다른 종류의 차량 디자인이 소음 전달 경로에서 서로 다른 수준의 중요성을 나타낸다 하더라도, 이러한 일반적인 DAVA 평가 접근방식은 설계자가 가장 중요한 소음에 집중하고, 설계 최적화를 수행할 수 있게 도움을 줄 것이다.<끝>
[참고문헌]
[1] J.D. Power. jdpower.com/cars/articles/jd-power-studies/vehicle-dependability-study-top-10-problems-3-year-old-vehicles (01/11/2018)
[2] Yu, C., Automotive Wind Noise Prediction using Deterministic Aero-Vibro-Acoustics Method, 23rd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA AVIATION Forum, (AIAA 2017-3206).

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