소음분석 기반의 품질평가

2015년 09월호 지면기사 / 글│한일프로텍

※ ‘소음 분석방법과 분석장비’는 2013년 9/10월호 102페이지에 게재됐습니다.

제품품질, 특히 감성품질을 저하시키는 요인으로 소음이 가장 높은 비중을 차지하는 것으로 알려져 있다. 따라서 소음을 유발시키는 요소인 모터, 샤프트, 기어, 베어링 등에서 발생하는 소음을 분석해 그 원인을 제거 또는 최소화해 감성품질 및 수명주기(Life Cycle)를 향상시키려는 노력이 꾸준히 이뤄지고 있다. 2013년 9/10월호에 게재된 ’소음 분석방법과 분석장비’에 이어 이번에는 장비를 활용한 분석 절차를 소개하고자 한다.

소음(진동)과 주파수 특성

소음(진동)의 주파수 특성을 분석하기 위해서 필요한 정보 즉 소음(진동)을 센서를 통해 수집해 해당 부품의 감성품질 및 수명주기를 저하시키는 주파수 대역을 추출한다.

1) 소음(진동) 센서
소음(진동)을 감지하는데 사용되는 센서에는 2가지 종류를 꼽을수 있다. 현재 보편적으로 사용되고 있는 센서는 마이크(Microphone)와 가속도(Accelerometer) 센서다. 마이크로폰은 소음의 크기(Level)를 평가하는데 효과적으로 사용되는 반면 무음설비를 구축해야 하는 단점이 있다. 이에 반해 가속도 센서는 별도의 설비 없이 진동 주파수 특성을 나타내는 스펙트럼 분석이 용이하기 때문에 해당 제품의 객관적인 품질판정은 물론 구체적인 원인을 규명하는데 유용하게 사용된다.

2) 소음의 주파수 특성
가속도 센서에서 수집된 데이터(Raw Data)는 그림 2와 같이 가속도(진동) 레벨 정보를 제공한다.

그림 3은 혼재돼 있는 주파수 성분을 STFT(Short-Time Fourier Transform)로 계산한 스펙트럼 그래프이다. 하얗게 보이는 부분이 소음 레벨(Z축)이 높은 주파수 대역(Y축)을 나타낸다. X축은 시간을 표시한다.

데이터 분석절차

다음은 진동센서를 통해 수집한 Raw Data 분석하는 절차와 사례를 보여준다.

1) Raw Data 수집
그림 4의 가속도 센서에 의해 취득된 Raw Data(*.wav)는 음향시스템으로 재생이 가능하다.

2) 불량 발생 주파수 대역의 색출
Raw Data는 기본주파수와 기본주파수의 여러 배수의 합성으로 해석될 수 있다. 따라서 단순한 정현파의 신호들이 무한대로 합성된 결과로 해석할 수 있다.

SoundFilter를 이용해 그림 4의 Raw Data(*.wav)를 상세 주파수 대역으로 분해해 주파수 별 데시벨(dB)를 분석한 결과 200, 500, 900, 1,200 Hz 그리고 3,500 Hz 대역에서 비교적 높은 데시벨 성분이 발생하는 것을 스펙트럼 그래프를 통해 확인할 수 있다(그림 5).

500 Hz 대역의 진동 성분은 전 구간에 걸쳐 발생하는 반면 900 Hz 대역에서는 전반부 그리고 1,200 Hz 대역은 중간부에서 발생하는 것을 볼 수 있다. 관능 평가를 통해 전반부에서 고장으로 판정되는 소음을 감지했다면, 해당 부위에서 발생한 900 Hz 대역의 진동 성분에 주목한다.

3) 주파수 대역별 분석 방법
스펙트럼 그래프에서 불량 원인이 되는 주파수 대역이 검색되면 다양한 필터링 기법을 동원해 상세 분석에 들어간다. 그림 5를 근거로 다음과 같은 특성(Feature)이 선택됐다.

- Sound : 전체 주파수 스펙트럼의 데시벨 레벨
- Crest : 파고율(Crest Factor)은 최대 진폭(Peak)을 RMS로 나눈 값이며, 값이 커질수록 뾰족한 모양의 파형이 발생한다.
- Modulation : 저주파 진동을 검출하는데 사용
- Buzz Hz : 50-60 Hz 대역에서 발생하는 진동
- 200 Hz~3.5k Hz : 스펙트럼 그래프(그림 5)에서 불량 발생이 의심되는 주파수 대역

평가기준 설정

데이터 분석을 통해 얻은 결과는 해당 제품의 품질을 평가하는 기준이 되며, dB 스케일의 기준치를 품질규격에 맞게 설정해 해당 범위를 초과 했을 때 불량으로 판정하게 한다.
그림 6에서 보듯이 사람이 감지하는 소리(청각범위)는 주파수 영역에 따라 감도가 다르다.

같은 소음 레벨이라 할지라도 사람마다 반응하는 주파수에 따라 느끼는 감도가 달라질 수 있기 때문에 청각에 의존한 소음측정 결함분석은 다소 주관적일 수밖에 없다. 따라서 가속도 센서를 통해 부품의 결함 여부를 평가하는 기술은 많은 산업분야에서 유용하게 활용되고 있다.