몰입감 높은 실내경험 제공하는 현대의 소음저감기술

20년 넘게, 오디오 회사로부터 성공적인 RANC 개발 및 구현 소식이 보고됐지만 양산된 적은 없었다. 현대와 ADI는 어떻게 확장 가능한 생산으로 시장에 출시할 수 있는 솔루션을 개발할 수 있었을까? 이 프로그램이 성공하게 된 핵심 동인은 현대자동차와 ADI가 RANC 기술을 개발한 속도와 긴급성에 있다. 양사는 긴밀한 협력을 통해 자동차 레이아웃, 조립, 생산 및 A/S를 포괄한 시너지를 만들어 낼 수 있었다.

글 | 아나로그디바이스(Analog Devices)





차를 운전할 때 라디오를 끄고 귀를 기울여 보라. 일반적인 모델에 타고 있다면 실내로 들어오는 소음을 들을 수 있을 것이다. 엔진이나 타이어에서 나는 소리든 바람 소리든 불편하게 만드는 이런 소음은 장거리 운행 중인 운전자에게 피로감을 주고 안전에 영향을 미칠 수도 있다.

과거에 대부분의 자동차 제조사들은 소음을 줄이기 위해 수동형 흡차음재(acoustic dampening material)를 사용했다. 그러나 그로 인해 차량 무게가 늘어나 연료 소비도 덩달아 증가했다. 이제는 고급형 오디오 노이즈 캔슬링 헤드폰에 사용되는 능동 소음 제거 기술이 수백만 대의 차량에 적용되고 있다. ANC(Active Noise Cancellation) 기술은 자동차의 협대역 엔진 소음을 제거하는 데는 효과적이지만, 타이어에서 발생하는 광대역 소음(노면 소음)을 억제하는 데는 그리 효과적이지 않다.

아나로그디바이스(ADI)와 현대자동차(HKMC)는 공동 기술 워크숍에서 노면 소음 제거에 관한 논의를 진행했다. 현대자동차는 브랜드를 차별화하고 차량의 소음을 획기적으로 감소시키는 기술을 개발하기를 원했다. 양사 연구팀은 업계 최초의 완전 디지털 방식의 노면 소음 저감 능동형 소음 제어(road noise active noise control, RANC) 시스템을 차량에 적용하기 위해 협력했다. 목표는 RANC를 실용적이고 쉽게 제조할 수 있는 방식으로 구현하는 것이었다. 그 결과, 2020년 초에 획기적인 RANC 시스템이 양산 단계에 들어가 현대차의 플래그십 모델 GV80에 탑재됐다.






이것은 단지 시작일 뿐이다. 현대자동차는 소음 제거 기술을 넘어서, 현대 전 차종을 통해 운전자와 탑승객 모두가 고품질 음향 경험을 실감나게 즐길 수 있게 한다는 미래 비전을 갖고 있다.



소음 제거 

과거에는 자동차 제조사들이 실내 소음을 줄이고 차량에 더 고급스러운 느낌을 주기 위해 차체 바닥과 카울(cowl) 등 가능한 모든 곳에 방음재를 덧붙였다. 경량 소재가 개발되긴 했지만, 부착되는 소음 저감재의 양이 너무 많아지면서 추가된 중량이 연비에 영향을 미치게 됐다. 이에 따라 자동차 회사들은 단순한 아날로그 기술인 능동 소음 제거 기술(ANC)로 눈을 돌렸다. ANC는 1950년대 헬리콥터와 비행기 조종석에서 들리던 엄청난 엔진 소리를 줄이기 위해 처음 사용되었고, 이후에 헤드폰 업계가 적용해 인기를 끌었던 기술이다. ANC는 단순히 소음을 차단하는 것이 아니라 협대역 소음을 제거하는 단순하면서도 우아한 솔루션이다. 마치 마루와 골이 결합하는 호수의 잔물결처럼, ANC는 음파를 평탄하게 하거나 제거하는 역할을 한다. 노면 소음 제거는 단지 정숙성을 제공하는 데 그치는 것이 아니라, 소음으로 인해 운전자와 탑승객이 겪는 피로감도 없애 준다.



능동 소음 제거(ANC) 작동 원리 

ANC 기술은 노이즈 캔슬링 헤드폰과 동일한 원리로 작동하며, 소프트웨어와 DSP 및 마이크로폰과 같은 구성요소를 사용해 잡음을 측정하고 감소시킨다. 차량 실내에 설치된 마이크가 엔진 소음을 포착하여 디지털 신호 프로세서(DSP)로 중계하면, ANC 알고리즘이 이를 처리하여 반대되는 오디오 신호를 스피커를 통해 다시 보낸다. 그러면 ‘상쇄 간섭’이라고 알려진 음향이 생성되는데, 이 소리는 운전자와 탑승객은 알아챌 수 없지만 엔진 소음을 제거하기에는 충분하다.        





ANC 애플리케이션은 (A) 원치 않는 외부 엔진 소음을 ‘들은’ 다음, (B) 위상이 180도 다른 소리를 재생해 (C) 소음이 ‘제거된 상태’로 탑승객의 귀에 도달한다. 이런 작업을 수행하려면 디지털 처리가 매우 빨라야 한다.  



ANC의 한계      

ANC 기술은 엔진의 협대역 럼블음(rumble)과 같이 소음이 일정하고 예측 가능하며 저주파인 경우에만 효과적이다. * 노면 요철 등 충격으로 인해 발생한 불규칙한 광대역 소음은 ANC의 신호 및 계산 속도가 반대파를 생성할 정도로 빠르게 반응하지 못하기 때문에 실내로 들어온다. ANC의 소프트웨어와 하드웨어는 노면 소음이 탑승객의 귀에 도달하는 데 걸리는 0.004초(4 ms) 내에 소음 제거를 처리해야 하는데 이는 결코 쉽지 않다. 현대자동차는 차량에 적용하기 위한 더 나은 솔루션을 찾기를 원했다.

(* 때로는 이러한 단점이 장점으로 작용할 수 있다. 운전 중에 자동차 경적이나 소방차 또는 앰뷸런스의 사이렌 소리 같은 중요한 소리를 듣는 것은 필수적이다. ANC는 낮고 연속적인 소리만 상쇄하므로 이러한 중요한 고음의 불규칙한 가청 신호는 크고 선명하게 통과시킨다.)




현대자동차 기술팀이 RANC 테스트를 수행하는 장면



협력 

현대자동차와 아나로그디바이스(ADI)는 10년 이상 오랫동안 협력 관계를 유지해 왔다. 2012년부터 ADI는 현대자동차의 프리미엄 오디오 증폭기를 위한 디지털 신호 프로세싱(DSP) 기술을 제공했다. 이어 수년 동안 현대차의 RANC에 초점을 맞춰 협력을 더욱 강화하면서 양사의 관계가 더욱 빠르게 발전했다.

RANC의 신호 지연과 처리는 단순히 빠른 것이 아니라 소음이 도로에서 실내로 이동하는 속도보다 4배 이상 빠르다. RANC는 노면 소음을 분석해 차량의 스테레오 스피커를 통해 반대되는 음파를 보내 실내의 탑승자가 듣기 전에 소음을 상쇄하는 작업을 단 0.002초(2 ms)만에 해낸다. 테스트에서 RANC는 실내 소음을 절반 또는 3 dB로 줄였다.  




 

0.002초:  RANC가 음파를 분석해 반대파를 만드는 시간

현대자동차가 제안한 RANC 시스템은 ▶가속도계 ▶프로세서 ▶마이크로폰 ▶스피커 등 4가지 주요 요소로 구성된다.

가속도계는 모든 타이어 가까이에 위치해 타이어와 서스펜션의 진동을 포착한다. 적응형 컨트롤러(DSP)의 독자적인 알고리즘이 동일한 크기의 위상이 반대되는 음파를 스피커를 통해 전달하여 밀리초 이내에 진동 소음을 상쇄한다. 동시에 마이크로폰이 실내 소리를 측정하여 정확한 소음 저감 신호가 생성되도록 보장한다. 실내에 설치된 스피커는 신호 루프를 닫고 불쾌하게 만드는 음파를 감쇠한다. 그 결과 각 탑승객 주위의 실내 공간이 정숙해지고 보다 조용하고 안락한 주행 경험으로 이어진다.






2015년 초 현대자동차 NVH 리서치랩의 이강덕 연구위원이 이끄는 연구팀은 RANC 애플리케이션을 위한 알고리즘에 대한 R&D를 수행하고 있었다. ADI는 이 연구팀에 참여해 RANC 알고리즘을 구현하는 새로운 그리핀(Griffin) DSP 제품군을 소개했다. RANC 아키텍처에 대해 논의하던 중 ADI는 기존 아날로그 커넥티비티에 기반한 현대자동차의 솔루션이 너무 고가여서 실제로 배치하기에는 한계가 있다는 것을 알게 됐다. 업계 전반에 자동차 노면 소음 제거 시스템을 배치하고자 했던 시도가 필요한 입력 센서를 DSP에 효율적으로 연결하는 비용 효율적인 저지연 네트워킹 기술의 이용 가능성 때문에 제한을 받게 된 것이다.



A²B 솔루션  

비용이 많이 들고 무게가 많이 나가는 점대점 동축 케이블을 대체하기 위해, ADI의 A2B가 저지연의 비용 효율적인 비차폐 트위스트 페어(UTP) 연결 솔루션으로 제시됐다. A2B는 동일한 케이블을 통해 최대 32채널 오디오, 제어 및 팬텀 파워를 제공할 뿐 아니라, 데이지 체인 네트워크 토폴로지를 최적화하여 배선 하네스 무게와 복잡성을 더욱 줄인다.

아나로그디바이스의 오토모티브 캐빈 커넥티비티를 총괄하는 블래드 불라브스키(Vlad Bulavsky) 제너럴 매니저는 “처음 현대자동차 연구팀에 참여했을 때, 우리는 ADI DSP 및 A2B 기술과 로드맵을 제시했다. 현대차의 과제는 RANC 시스템을 실용적으로 구현하는 것이었다. 여러 번에 걸친 브레인스토밍 회의 결과, 현대자동차의 차세대 자동차를 위한 경쟁사 프로세서를 대체하기 위해, ADI A2B, 가속도계 및 그리핀 DSP를 사용하는 실용적이고 배치 가능한 RANC 솔루션을 제시할 수 있었다”고 말했다.

현대차와 ADI는 2015년부터 2016년까지 지속적으로 만나면서 이 솔루션에 대해 협력했다. 그 결과, 양사 연구팀은 2020년 초 현대 GV80에 업계 최초로 완전 디지털 방식의 노면 소음 제거 기술을 적용하는 데 성공했다.



현대 GV80



A2B 장점: 친환경 자동차, 뛰어난 기능, 우수한 설계        

A2B는 다양한 애플리케이션을 위한 여러 원격 센서를 데이지 체인 시퀀스로 연결해 중복 케이블 연결을 크게 줄여준다. 그 결과 케이블 하네스 무게와 케이블 수가 극적으로 줄어 전체 설계 비용과 복잡성(디자인, 설치, 유지보수)이 감소한다.

ADI의 차량 실내 경험 부문을 총괄하는 앤디 맥클린(Andy McLean) 부사장은 “우리는 현대차와 긴밀한 협력을 통해 A2B 기술을 활용하여 장치 비용과 무게, 설계 복잡성을 줄인 결과, 연비를 향상시키고 RANC 시스템의 여러 문제를 해결하면서 완전 디지털로 구현하는 RANC 시스템을 설계했다. ADI와 현대자동차의 협력은 A2B의 높은 실행 가능성을 보여줄 뿐 아니라, 오늘날 시장에서 현대자동차를 더욱 차별화한다”고 말했다.






블래드 불라브스키 제너럴 매니저는 “RANC는 효율적인 시스템 솔루션을 구성하기 위해 다양한 기술이 필요한 애플리케이션의 좋은 사례다. ADI의 DSP, A2B 커넥티비티, 가속도계 및 소프트웨어 IP가 모두 매끄럽게 결합함으로써 매우 까다로운 음향 문제에 고성능, 비용 효율적인 솔루션을 제공한다”고 말했다.

전기차에 적용되는 RANC 및 ADI DSP, A2B, 가속도계 기술의 미래는 무궁무진한 가능성을 보여준다. 전기 추진 시스템에는 엔진 소음이 없기 때문에 노면 소음이 더 크게 들린다. 견고한 소음 제거 기술이 정숙한 실내와 안락함을 보장하기 위해 전기차에 더욱 필수적인 이유가 여기에 있다.


미래를 향한 비전  
한 차원 높은 사운드 시스템 

이제 자동차는 단순히 A 지점에서 B 지점으로 이동하는 수단을 넘어 개인의 취향을 반영한다. 사람들은 다른 어느 곳보다 많은 시간을 차 안에서 음악을 들으며 보낸다. 현대자동차는 새로운 정숙한 실내 공간의 이점을 확대해 Quantum Logic® 서라운드를 탑재한 Lexicon® 프리미엄 오디오 시스템을 사용하여 도로에 맞게 전문적으로 튜닝된 스테이지 품질의 사운드를 개발했다. GV80은 1050 W의 증폭된 출력과 실내 공간 17개 위치에 전략적으로 배치된 21개의 스피커와 서브 우퍼를 결합해 모든 탑승객에게 완벽하게 튜닝된 몰입감 높은 청취 경험을 선사한다. 미래의 출근길도 여전히 긴 시간을 보내야 되겠지만, ADI와 현대자동차의 협업 덕분에 운전자와 탑승객은 더 안전하고 조용하며 보다 안락하고 개인화된 공간에서 휴식을 취할 수 있다. 







RANC와 양산 출시    

20년 넘게, 오디오 제조회사들로부터 성공적인 RANC 개발 및 구현에 대한 소식이 보고됐지만 양산된 적은 없었다. 현대자동차와 ADI는 어떻게 확장 가능한 생산으로 시장에 출시할 수 있는 솔루션을 개발할 수 있었을까? 이 프로그램이 성공하게 된 핵심 동인은 현대자동차와 ADI가 RANC 기술을 개발한 속도와 긴급성에 있다. 양사는 긴밀한 협력을 통해 자동차 레이아웃, 조립, 생산 및 A/S를 포괄한 시너지를 만들어 낼 수 있었다.

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