대형 상용차용 내연기관에서 방출되는 소음의 음압 레벨은 경우에 따라 140dBA 이상으로 환경소음 배출규제에 부합되는 배출 소음을 위하여는 소음기의 적절한 설계가 필요하다 하겠다. 소음기는 방출 소음을 저감시키는 기본적인 작용 이외에 엔진의 효율을 저하시키는 배압(back-pressure) 상승의 효과를 동반할 뿐만 아니라 차체에의 장착을 위하여 크기와 무게의 제약을 받는다. 따라서 소음기는 설계자의 경험과 과거에 사용되어 온 소음기에 대한 이해, 소음기를 구성하는 단위 요소에 대한 음향학적 해석이론, 제작 과정에서의 경험과 튜닝 등에 바탕을 두고 설계되어져 왔다. 본 연구에서는 대형 상용차에 장착되는 기존 소음기 구성요소의 투과 손실(Transmission Loss: TL)을 전달 행렬법으로 해석하여 음향학적 특성을 규명하고 개별 소음기 요소에 대한 기존의 연구 결과를 바탕으로 공명기와 다공 요소를 이용하여 기존 소음기를 재설계함으로써 배출 소음의 저감을 이루어 나간 과정을 소개하고 이를 적용 사례를 중심으로 살펴보고 있다. 소음기의 설계를 위하여 고려할 수 있는 음향학적 요소는 그 기능과 형태면에서 다양하나 본 연구에서는 대형 상용차용 소음기에 주로 사용 가능한 공명기와 다공관을 주된 설계요소로 생각하였다. 공명기는 공명 주파수 대역의 소음을 저감하는 역할을 하므로 일정한 엔진 회전수 하에서 엔진의 방출 소음중 폭발 성분에 의한 소음을 줄이는데 효과적으로 사용될 수 있지만 가속 주행시에는 회전수(rpm)의 변화에 따라 폭발 주기가 변화하게 되므로 공명기의 설계에 주의를 기울여야 한다. 내연 기관용 소음기에 빈번하게 쓰이는 다공 요소의 해석 방법으로는 Sullivan[1], Kim and Yoon[2] 등의 분할 접근 방법(Segmentation approach)과 Jayaraman and Yam[3], Munjal[4], Peat[5] 등의 연성 제거 방법(Decoupling Approach)등이 제시되었고 평면파 영역에 한하여 해서되어져 왔다. 본 논문에서는 분할 접근 방법(Segmentation Approach)을 이용하여 다공 요소로 이루어진 소음기를 해석하는데 적용하였다.
본 논문에서는, 특히 고효율에 따른 소음 증가문제를 해결하기 위해 실험계획법을 이용한 머플러를 설계하였고, 설계단계에서부터 시뮬레이션 검증을 통해 효율을 고려한 저소음 머플러 설계가 가능하도록 머플러의 형상을 유한요소법에 의해 모델링한 후에, 소음해석 PACKAGE인 SYSNOISE를 이용하여 전달손실(TRANSMISSON LOSS) 해석을 해석하였고, 유동해석 PACKAGE인 PHONEMICS를 이용하여 압력손실을 최소화함으로써, 효율 및 소음측면에서 기존머플러보다도 더 우수한 머플러를 설계할 수 있는 PROCEDURE를 개발하였다. 이에 따라 차후 머플러내의 냉매유동특성과 소음특성을 동시에 고려한 머플러가 설계가능하리라 생각한다.
저소음 팬의 설계는 팬 성능의 저감 없이 이루어져야 한다. 마라서 저소음 팬 설계는 기본적으로 다분야간 설계 최적화 또는 다목적 설계 최적화의 문제이다. 본 연구에서는 이러한 요구를 수행하기 위해 반응면 기법을 저소음 축류 팬 설계에 적용하여 보았다. 또한 이러한 설계 단계에서 필요한 수백가지 시험 결과를 효과적으로 구하기 위해 효율적인 유동 해석 툴과 소음 해석 툴을 개발하여 적용시켰다. (중략)
송풍기 기술은 크게 설계기술과 생산(제조)기술로 나눌 수 있으며, 설계기술 은 유체역학적 설계, 저소음설계, 베어링 등 로터부 저진동설계 등 여러 종류의 핵심 기술로 이루어진다. 송풍기를 제작, 판매하는 중소업체 뿐만 아니라 여러 종류의 소형홴을 사용하는 대기업 중심의 가전업체에서도 제품을 설계하는 과정에서 외국과의 기술제휴로 그 설계 데이터를 들여오거나, 타 회사의 자료를 입수하여 유체기계의 기본이론을 바탕으로 이를 응용, 생산을 해 오고 있다. 그러나 송풍기의 용도가 다양해지고 개방된 시장내에서 그 기술경쟁 또한 치열해짐에 따라 생산기술에 의한 가결 경쟁력 이외에 성능, 소음이나 품질차별화를 더불어 요구하고 있다. 최근 들어 대기업에서는 가전제품에 여러 종류의 홴이 사용되고, 이들은 가전제품에서 중요한 기능을 수행하고 있을 뿐만 아니라 주요한 소음원이라는 관점에서 저소음화에 대한 많은 연구가 수행되고 있다 따라서 주로 풍량이 100m$^{3}$/min 미만의 홴소음에 대한 현재의 연구동향을 분석하고, 송풍기 관련 산업체 및 가전업계의 최근 국내외 시장경쟁력 향상의 필수불가결 조건인 홴소음 저감에 대한 최근 연구동향을 간략하게 살펴보았다. 이러한 소음저감을 위한 체계적인 연구에 대한 집중적 투자와 아울러 현실적 여건을 고려한 홴소음 평가 및 규격의 표준화 작업이 절실하다 하겠다.
한국소음진동공학회 1997년도 춘계학술대회논문집; 경주코오롱호텔; 22-23 May 1997
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pp.488-492
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1997
원자력 발전소의 공조 시스템에 설치되는 덕트형 소음기를 설계.제작하여 감음성능 시험, 내진해석, 내진시험, 난연시험 및 기밀시험 등을 수행하여 각각의 요구조건에 적합한 소음기를 설계.제작한 결과 원자력 발전소에 기 설치된 소음기와 동등한 성능을 갖는 것으로 나타났다. 소음기를 설계, 제작, 시험하는 과정에서의 노-하우를 바탕으로 어떠한 요구조건에도 만족하는 제품을 국내에서 설계.생산할 수 있는 기술 확보에 있다.
헤어드라이기, 자동차용 진공청소기, 면도기, 쥬서/믹서기등과 같은 소형 가 전제품은 사용시, 제품과 소비자사이의 거리가 짧아 진동/소음에 관한 인식이 대형 가전제품에 비해 크다. 과거에는 가전제품의 경우, 기본성능 및 각 회사만이 갖고 있는 독자적인 성능과 디자인을 최우선적으로 고려하여 설계하였다. 소음/진동에 관한 문제는 제품이 제작된 후에 필요에 따라 고려되었기 때문에 주어진 조건하에서 저진동/저소음을 위한 대책에는 한계가 있었다. 근래에는 진동/소음에 대한 관심이 증가하면서 제품의 설계단계부터 저진동/저소음 제품을 설계하기 위한 노력이 점차로 증가하고 있다. 본 연구는 이러한 추세의 한 예로서 헤어드라이기에 대해 결정된 디자인 및 성능이 크게 변경되지 않는 범위내에서 진동/소음이 적은 구조를 설계하는데 목적이 있다. 먼저, 헤어드라이기의 소음원 및 특성을 간단히 규명한 뒤, 벨마우스(bellmouth) 이용등과 같이 일반적으로 잘 알려진 소음저감법을 소음원에 대해 적용하였다. 헤어드라이기의 경우 소음원이 몸체에 삽입되는 순간 특정 주파수대역에서 소음이 증가하는 현상이 발생하는데, 헤어드라이기의 몸체에 대한 음향학적 특성을 수치해석 및 실험을 통해 파악함으로써 이에 대한 원인을 규명하였다. 이를 바탕으로 몇가지의 변경된 구조에 대해 소음에 관련된 현상을 고찰해 봄으로써 저소음을 위한 헤어드라이기의 설계방법을 제안하였다.
저소음 팬의 설계는 팬 성능의 저감 없이 이루어져야 한다. 따라서 저소음 팬 설계는 기본적으로 다분야간 설계 최적화 또는 다목적 설계 최적화의 문제이다. 본 연구에서는 이러한 요구를 수행하기 위해 반응면 기법을 저소음 축류 팬 설계에 적용하여 보았다. 또한 이러한 설계 단계에서 필요한 수백가지 시험 결과를 효과적으로 구하기 위해 효율적인 유동 해석 툴과 소음 해석 툴을 개발하여 적용시켰다. 마지막으로 이렇게 설계된 팬을 실제 크기로 제작 측정 비교 분석하여 적용된 기법을 검증하며 문제점에 대해 고찰해 보았다.
유동이 있는 경우 발생하는 소음에 대한 실험적 연구는 풍동과 무향실이 결합된 음향풍동에서 수행될 수 있다. 이러한 음향풍동은 팬, 수축부, 수집부, 확산부 그리고 무향실에 주의해서 설계되어야 하고 특히 각 부분에서 발생할 수 있는 이차소음을 최소화하도록 설계되어야 한다. 최종적으로 소음기와 흡음재를 이용해서 팬소음과 이차소음의 전파를 줄인다. 본 음향풍동은 개방형 흡입식(open suction type)으로 시험부에서 유속 62.8m/s, 난류강도 0.1%이하, 배경소음 50-55dB 이하로 설계되었다. 이러한 조건을 만족시키기 위하여 하니콤과 6장의 스크린이 있는 정체실과, 21:1의 수축비를 갖는 수축부를 이용하여 난류강도를 낮추고, 흡음재와 90도 각도의 모서리 그리고 공명형과 소산형 소음기로 소음의 전파를 줄였다.
최근 선진 자동차 회사에서는 변속기 개발 단계에서 기어 소음 문제를 해결하고 차량의 소음 품질을 향상시키기 위하여 많은 연구가 수행되고 있다. 그러나, 설계 단계에서 기어 소음을 고려한 기어 제원 결정이 불가능하여, 설계 완료 후 개발 단계에서 기어 소음 문제를 해결하는 것이 매우 어려운 일이었고, 설사 가능하여도 시간적, 성능적인 한계가 있었다. 기어 소음은 크게 Source 와 전달경로의 문제로 나누어지고, 본 연구는 주로 전자에 중점을 둘 것이며, 기어 화인 소음의 주 요인으로 알려져 있는 기어의 전달 오차를 최소화하는 것이다. 그 방법으로 기어 설계의 선진 핵심 기술인 기어 해석을 통한 기어 화인 소음을 최소화하는 최적 기어 설계 제원 결정이다.
본 연구에서는 고무 재료의 설계 인자 중 어떤 것이 소음에 주된 영향을 주는지 검토하였고, 저소음 타이어 개발을 위한 고무 재료의 설계 방향을 제시하였다. 소음은 무향실 타이에 소음과 고무 시편의 충격 소음을 측정하였고, 고무 시편의 물성은 경도, 인장 물성 및 동적 점탄성을 측정하였다. 타이어 소음에 영향을 주는 고무 재료의 주된 설계 인자는 경도 또는 300% 모듈러스이고 양자간에는 정의 상관관계가 있다. 따라서 고무 재료의 경도 또는 300% 모듈러스를 낮게 설계하면 소음을 저감시킬 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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