1. 개요 ​

​많은 산업에서 더 조용한 디자인에 대한 요구는 그 어느 때보다 중요합니다. 이러한 요구는 우리 사회의 청각적 편안함에 대한 기대치가 높아지고 시끄러운 환경(건설, 공공사업, 광업, 공항 등)에 노출된 근로자, 운전자 및 주변 지역의 안전과 건강을 보장해야 할 필요성에 의해 요구됩니다. 이 두 가지 추세는 엄격한 소음 규제의 증가뿐만 아니라 소비자 기대치를 충족시켜야 하는 제조업체에 추가적인 제약을 가하게 됩니다.

​제품 개발 중에 공력 음향(또는 공력 소음)은 해결해야 할 주요 문제 중 하나입니다.

​● 자동차 산업의 경우 고객의 의견에 의해 수집된 소음의 가장 큰 두 가지 원인은 windnoise 및 HVAC 소음이며 그다음으로 타이어 소음, 엔진 소음 및 기타 항공기 소음원이 그 뒤를 잇습니다.

● 오프 하이웨이 장비의 경우, 냉각 팬 소음은 가장 중요한 작동 조건에서 기내 및 주변의 전체 소음 수준을 좌우합니다.

● 열차가 고속으로 움직일 때, 생활 환경 소음은 팬터그래프와 대차(bogie)의 기여에 의해 좌우됩니다.

● 비행기가 착륙할 때, 소음 수준은 기체 착륙, 특히 착륙 장치에 의해 유발됩니다.

​최종 제품의 소음 수준을 최소화하거나 사전 정의된 목표 또는 소음 규제 측정 기준을 충족 시키려면 제품 엔지니어는 다음을 수행해야 합니다.

​● 제품 개발의 모든 단계에서 음향 작업을 평가해야 합니다.

● 문제가 생기는 부분에 대한 정확한 위치와 중요성을 파악해야 합니다.

● 소음 문제를 담당하는 설계 특징을 확인해야 합니다.

● 제품을 출시할 때까지 소음 대상을 충족시킬 수 있도록 설계를 반복해야 합니다.

​2. 유동 기인 소음원 가시화(Flow-Induced Noise Sources and Detection)

​많은 응용 분야에서 주요 소음원은 유동과 관련되어 있으며 HVAC 시스템 내부나 제품 내부의 공기 이동 또는 순환과 관련됩니다(예 : 자동차 바람 소리 또는 기차 팬터그래프). 이러한 앞선 예제들에서의 경우 유동 구조(eddy 혹은 vortex)는 유동에서 나타나며 동적 특성을 통해 소음을 생성합니다. 소용돌이 역학(Vortex dynamics)에는 소용돌이 운동(Vortex motion) 뿐만 아니라 흐름이나 표면과의 상호작용에 의해 변형이 발생합니다.

​PowerFLOW 공력 시뮬레이션에 의해 생성된 transient 데이터의 일반적인 후 처리(유동 애니메이션, Pressure dBmap, 표면 또는 볼륨 필터링 된 압력 애니메이션, Acoustic dBmap 등으로 구성)를 사용하여 소용돌이 역학(Vortex dynamics)에 의해 생성된 소음은 분석하기가 쉽지 않으며 특정 수준의 전문 지식이 필요합니다. 또한 이러한 일반적인 후 처리는 다양한 소음원의 위치와 강도에 대한 정보를 제공하지 않습니다. 이러한 문제로 인해 엔지니어가 소음원의 정확한 위치를 파악하는 것이 어렵고 오류 처리를 복잡한 프로세스로 만듭니다.

​PowerACOUSTICS의 Flow-Induced Noise Sources and Detection(FIND) 모듈을 이용하면 음향 엔지니어는 소용돌이 역학(Vortex dynamics)과 관련 있는 소음원의 3D맵을 생성할 수 있습니다. 이 3D맵은 PowerVIZ에서 직관적으로 시각화하고 분석할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 1은 차량 주변의 그린 하우스 및 언더바디 윈드노이즈 소음원을 보여줍니다. 빨간색 영역은 노이즈 소스가 가장 강한 영역에 해당합니다. 이러한 정보는 설계 품질을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.

​PowerVIZ는 유체 클러스터를 자동으로 생성하여 차량이나 시스템 주변의 다양한 소음 지역의 위치와 강도를 명확하게 파악할 수 있습니다. 이 기능은 자동으로 각 주요 소음원에 해당하는 개별 영역으로 공간을 분할합니다.

​유동 기인 소음원 가시화(Flow-Induced Noise Sources and Detection) 정보를 활용하는 일반적인 워크플로는 다음과 같습니다.

HVAC 애플리케이션에서는 4단계와 5단계 사이를 추가하여 승객의 귀에서 감지된 소음원을 추측할 수 있습니다. PowerFLOW로 해석된 소음 시뮬레이션에는 모든 소음원이 포함되지만, 승객은 HVAC 시스템에서 어느 부분이 전체 소음 수준에 대부분 기여하고 있는지 판단하기는 어렵습니다. 따라서 개선되는 쪽으로 디자인을 결정하기는 어렵습니다. 하지만 FIND(Flow Induced Noise sources and Detection)는 소음원의 위치에 관한 중요한 정보를 제공합니다. 그러나 실제 덕트 시스템을 통한 소음 전파는 승객이 느끼는 실제 소음이 다른 소음에 비해 작게 느껴질 수 있습니다. 이러한 전파 효과를 추정하려면 순수 음향 PowerFLOW 시뮬레이션을 수행하여 각 소음원과 각 수신기 사이의 ATF (Acoustic Transfer Functions)를 계산하여 승객의 귀 위치에서 각 소음원에 대한 수준을 추정해야 합니다.

​1.3 대상 애플리케이션

​모든 공기 음향 응용 분야에는 흐름으로 인한 소음 문제가 있습니다. FIND 모듈이 제공하는 노이즈 소스의 감지 및 분석의 이점이 있는 일부 응용 프로그램은 다음과 같습니다.

​● HVAC and blower noise

● Greenhouse wind noise

● Underbody wind noise

● Air frame community noise (landing gear, high-lift, and so on)

● Train community noise (pantograph and bogie)

● Exhaust system noise (broadband buffeting and cooling fan noise)

● Seal noise

● Jet noise

​1.3.1 HVAC 소음 예제

이 예제에서는 블로어, 증발기, 혼합 장치, 중앙 및 측면 덕트, 통풍구를 포함하여 자동차 HVAC 시스템에서 수행되는 일반적인 HVAC 소음 분석을 단계별로 설명합니다. 분석에 필요한 다른 설명(예 : Acoustic Power)들은 간단히 설명되어 있습니다.

Step 1: HVAC Noise Simulation Using PowerFLOW

​유동과 소음은 PowerFLOW를 단일 시뮬레이션으로 사용하여 결과를 볼 수 있습니다. PowerFLOW에서 흐름 구조의 정확한 예측은 시스템에서 발생하는 공기 음향(aeroacoustics) 메커니즘을 확실하게 확인할 수 있습니다. 이러한 메커니즘은 운전자와 승객이 인지하는 소음 수준을 담당합니다.

​유동 구조는 vorticity magnitude 색이 입혀진 Lambda2의 isosurface와 volume visulaization을 사용하여 시각화됩니다. PowerFLOW에 의해 해석된 음장은 압력의 time derivative나 acoustic wave-filter 애니메이션을 사용하여 쉽게 표현됩니다. 일반적으로 운전자와 탑승자의 소음 수준은 귀 위치에서 데시벨 (dB 또는 dBA)로 측정된 음압 수준 (SPL)으로 추측합니다. 또한 덕트 표면에서 dB 맵을 사용하여 높은 난류 강도 영역을 표시할 수 있으며 공기 역학 설계를 안내하는 데 사용할 수 있습니다 (예 : 공기 흐름 성능 개선).

​다음 그림에서 왼쪽은 운전자의 귀에서 느끼는 SPL을 보여주고 있습니다(PowerFLOW 해석에 의한 그래프). 오른쪽 그림은 HVAC 기본형상에 대한 vorticity magnitur의 색으로 입혀진 Lambda2 isosurface와 압력의 time derivative를 보여주고 있습니다.

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Step 2: Identify and Quantify the Noise Sources

​다음 단계는 FIND로 감지된 시스템의 소스를 시각화하고 운전자의 귀에서 감지되는 소음 수준을 담당하는 디자인 기능을 식별하는 것입니다. 그림 3과 같이 이러한 디자인 기능은 다음과 같습니다.

1. Blower outlet steps and sharp edges

2. Central ducts (left and right)

3. Lateral ducts (left and right)

소음원은 주어진 주파수 범위에 대해 음향 파워의 isosurface 생성을 통해 나타납니다.

​이 단계에서는 서로 다른 소음원의 순위가 매겨지지 않으며, 어떤 소음원이 운전자의 귀에서 인지되는 소음에 가장 많이 기여하는지 알 수 없습니다.

​Step 3: Identify the Regions with the Highest Density of Noise Sources

​PowerVIZ fluid cluster의 특징은 동일한 음원 영역에 포함된 고강도 소음원을 그룹화합니다. 이 기능은 시스템을 제한된 수의 “소음” 영역으로 자동 분할하는 기능을 제공합니다. 식별된 각 영역은 다른 색으로 표시됩니다(수동으로 경계 상자를 생성해야 함). 각 영역에서 생성된 총 음향 파워를 알 수 있으며, 해당 영역의 예비 순위를 파악할 수 있습니다. 이 정보를 사용하여 소음을 줄이기 위해 수정해야 하는 설계 형상의 순위를 매길 수 있습니다.

​그림 4는 소음 영역 또는 시스템의 소음 발생원 군집의 시각화를 보여주고 있습니다.

Step 4: Estimate the Contributions of Each Source Region at the Passenger’s Ears Using ATF

​승객의 귀에서 각 소음원의 기여도를 추정하기 위해, Acoustic Transfer Function(ATF)를 기반으로 한 방법론을 사용하여 지정된 위치에 대한 기여도에 따라 식별된 소음원 부위의 순위를 지정할 수 있습니다. 이것은 각 소음원 영역에서 각 수신기 위치까지 ATF를 계산하여 달성됩니다. 각 영역에 대한 역전달 기능을 적용하여 실제 기여도를 계산하여 소음 감소 프로세스의 순위를 개선할 수 있습니다.

​다음 그림은 기본 형상에 대한 각 통합 소음원에서 운전자의 귀로 전달 기능을 보여줍니다.

​Step 5: Modify the Geometry and Validate the Noise Reduction

​그림 8은 음향 파워 순위에 따라 정렬된 기본 디지털 HVAC 형상(왼쪽)과 매끈한 덕트 현상(오른쪽) 사이의 설계 비교를 보여주고 있습니다. 상단 두 이미지는 중앙 덕트의 평탄화를, 중간 이미지는 수정된 블로워 출구 영역을, 하단 이미지는 측면 덕트의 평탄화를 보여주고 있습니다.

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그림에서 볼 수 있듯이, 설계를 변경했을 때 소음 수준을 상당히 감소시킵니다. (4dB).

​다음 그림은 SPL(PowerFLOW에 의해 계산된 10Hz 주파수 대역)과 운전자 귀에서 Over all SPL을 보여주고 있습니다.

맺음말

​제품의 발전과 사용자의 환경이 발전함에 따라 소음은 하나의 중요한 요인으로 꼽을 수 있습니다. SIMULIA Brand의 유동해석 솔루션인 PowerFLOW를 사용한 해석으로 FIND(Flow-Induced Noise Sources and Detection)모듈을 사용하여 분석한다면 제품의 소음 개선을 할 수 있는 디자인에 활용될 수 있습니다.