더욱 효과적인 노이즈 분석

노이즈로 부터 유용한 정보 수집하기

측정 시 기계나 시스템 요소의 노이즈 발생 원인을 이해하는 것이 개발, 실험, 생산, 샘플링, 서비스 및 유지관리에 있어서 점점 더 중요해지고 있습니다. 사실 '여분의' 노이즈는 전체 제품 수명 주기에서 안락함과 산업안전보건 그리고 브랜드 이미지에 있어 결정적인 중요성을 가질때가 많습니다. 과거의 엔지니어들은 노이즈를 측정할 때 추가적인 툴들을 사용해야 했으므로 서로 다른 장치, 사용자 인터페이스, 사용 철학 및 데이터 포맷과 씨름하지 않으면 안 되었습니다. 그러나 오늘날 HBM의 QuantumX 데이터 수집장치와 catman® AP 소프트웨어는 기계적, 열적, 전기적 신호와 CAN 같은 digital bus 신호 분석 기능을 제공합니다. 게다가 GPS 및 비디오 신호를 수집 및 세부적 노이즈 계측 분석 기능또한 가능합니다. 특히 노이즈 계측에 있어서 엔지니어들은 2차원 스펙트로그램에서의 소리 강도 및 주파수 분석에 따른 청감 평가와 함께 dB(A) 단위의 음량 레벨 분석과 같은 기능을 이용할 수 있습니다. 이러한 multipurpose 측정 모듈을 이용하여 엔지니어들은 단지 몇 번의 클릭 만으로 신속하고도 손쉽게 수집 및 분석 작업을 완료하고 모든 데이터를 하나의 파일에 저장할 수 있습니다. 이러한 접근 방법을 통해 발생하는 이벤트를 보다 효과적으로 계측할 수 있을 뿐만 아니라 트렌드 분석 연구에 있어 이전 계측 결과들과의 비교 작업을 간소화하고 속도를 높일 수 있습니다. 무엇보다도 중요한 사실은 이 모듈들은 서비스와 유지관리 작업에 있어서 콤팩트한 크기 그리고 휴대성이 뛰어난 계측 솔루션

소음 공학 (Noise engineering)

자동차 시장에서 소음 (Noise, Vibration, Harshness; NVH)이라는 용어는 보통 차량이나 기계의 가청 소음이나 인지 가능한 진동을 나타내는 데 사용됩니다. 거친 소음(Harshness)은 20Hz~100Hz 사이에서 들리고 감지되는 주관적인 전이 영역입니다. 진동(Vibration)은 저절로 발생하는 스틱슬립(stick-slip) 효과와 같이 진동원에 의해 진동 전달 구조물로 들어오는 힘으로 인해 발생합니다. NVH의 전형적인 예로서 스틱슬립 현상을 보이는 자동차 앞유리의 와이퍼, 트랜스미션 시의 윙 소리, 고정 클러치 또는 소음이 심한 에어컨 시스템을 들 수 있습니다. NVH는 정상적인 마찰의 부작용이나 고체들 사이의 불필요한 마찰로 인해 발생합니다. 이는 구조소음(structure-borne noise)과 궁극적으로는 공기소음(air-borne noise)을 발생시키게 됩니다. 모든 면이 자유로운 고체에서는 두 가지 다른 종류의 고체 전파음이 전파되는데, 하나는 이른바 종파이고 다른 하나는 횡파입니다. 이 파형들은 서로 독립적으로 전파됩니다. 두 경우 모두 음속은 공기소음의 경우와 마찬가지로 주파수에 영향을 받지 않습니다. 음속은 밀도와 전단 탄성계수(횡파) 및 탄성계수(종파)의 영향을 받습니다. 구조소음의 기록 및 분석은 엔지니어링에서 중요한 역할을 합니다. 기계 시스템 개발에 있어 소음 분석은 시스템의 전반적인 기능, 가속, 성능, 내구성은 물론 수명 테스트까지도 영향을 미칠 수 있습니다. 생산에 있어 소음 분석은 부품들을 자동차 내부, 스티어링 어셈블리 등에 통합시킬 때 음향 제약사항들을 충족시킴으로써 품질검사 과정을 강화할 수 있습니다. 제품 수명주기 전반에 걸쳐 소음 계측은 장기적인 구조 건전성의 지속적인 분석에 필요한 중요한 정보와 일상적인 검사, 결함 검사, 문제해결 그리고 calibration 시의 진단 데이터를 제공합니다. 엔지니어들은 시스템의 소음 특성이나 기계의 기술적 상태를 분석하여 베어링의 마모와 같은 문제들을 알아내거나 균열 및 소재 파손의 진행과 관련된 데이터를 기록할 수 있습니다.

소음의 성질

NVH의 경우, 안락함을 저하시킬 수 있는 진동을 어떻게 피하느냐가 관건입니다. 음향 과학에서 음향적 불편함이라는 성질은 음압 레벨을 포함하여 음원의 다양한 특성들과 관련이 있습니다. 예를 들어, 동작 중인 제트 엔진이나 대형 트럭의 소리는 단지 음량이 크다는 이유만으로 불쾌할 수 있습니다.

그러나 음량이 큰 음원 외에도 소음원의 특성과 소음 인식 간의 관계는 복잡할 수 있습니다. 인간의 청각은 다양한 주파수의 음향을 정도의 차이는 있지만 큰 소리로 인식합니다. 음압 레벨이나 소음 레벨은 음향심리학적인 양입니다. 계측 시에 소음 신호는약 2kHz~4kHz의 최고 민감도 범위로부터 감소되는 사람의 청각 특성을 모방하도록 필터링 됩니다. 이러한 필터들의 가중치 곡선들은 표준화됩니다. 저희는 이른바 A 가중치의 음압 레벨을 줄여서 dB(A)라고 합니다. 0 dB(A)는 가청 임계값(청각역)에 해당합니다. A 가중치의 필터 곡선은 20Hz~20kHz로 정의됩니다. 이는 40dB 크기의 저주파 "등청감곡선"을 대략적으로 모방하기 위한 것입니다. 소음으로 인해 괴로움을 느끼게 되는 임계값은 130db(A) 정도입니다. 음압은 첨단 음향계측 기기의 "연산 채널"을 이용하여 매우 쉽게 음압 레벨(SPL)로 변환할 수 있습니다.

노이즈 측정

일반적인 음향 계측은 보통 고품질의 마이크를 사용해 시작합니다. Microtech Gefell 계측 마이크인 M370을 예로 들자면, 이 컨버터 내장형 마이크는 원형 특성을 갖는 일렉트릿 압력 수신기를 포함하고 있습니다. QuantumX MX410B 앰프 에서 오는 정전류가 마이크에 입력되며, 계측된 음압은 전압 신호(IEPE)로 변조됩니다. 계측 가능한 주파수 범위는 20~20,000Hz(class 1, open-air use)이며, 최대 음압 레벨은 130dB(A)입니다.

MICROTECH GEFELL calibration certificate

실제적인 신호 수집 및 처리를 위해 HBM의 QuantumX 및 catman® AP 소프트웨어와 같은 툴들은 완전한 음향신호 처리 플랫폼을 제공합니다. QuantumX는 모듈식의 데이터 수집 솔루션으로써, 힘, 스트레인, 토크, 압력, 온도, 변위, 속도, 위치, 가속, 흐름, 전압, 전류, 소음 및 그 밖의 많은 특성들을 계측하는 다수의 센서와 변환기(transducer)들로부터 동시에 0.1~100kS/sec의 속도로 데이터를 수집할 수 있습니다. catman® AP는 데이터 수집 기능과 함께 온라인 및 포스트프로세싱 계산을 위한 통합형 수학 라이브러리를 제공합니다. 수학 기능들은 단순한 대수 연산, 필터, 통계 그리고 rain flow이나 레벨에 대한 시간(time-at-level)과 같은 분류로부터 스펙트럼 분석, 전력 계산 그리고 단순한 파라미터화를 통한 효율성까지 확장합니다.

Noise 분석 요건

소음의 근본적인 원인을 알아내기 위해 엔지니어들은 소음을 비롯하여 검사 대상 시스템에 대한 분명한 그림을 보여줄 수 있는 여러 가지 필수적인 분석 기능들을 이용합니다. 이러한 기능들 중에 가장 일반적인 것 몇 가지는 다음과 같습니다.

 

  • 시간 경과에 따른 표시, 주파수, 각도 또는 변위나 회전 속도와 같은 수량들
  • 컬러 스펙트로그램에서의 파워 스펙트럼 밀도(PSD) 표시
  • 전반적인 sound-level 특성 (단위 : dB(A)
  • Band-limited level 특성 (단위 : dB(A)

주파수 영역의 신호 분석으로는 신호의 주파수 성분이 시간 경과에 따라 어떻게 변화하는 지 알 수 없습니다. 이러한 작업을 위해서는 catman®의 스펙트로그램과 같은 기능들이 필요한 결과를 제공합니다. 스펙트로그램은 신호 내에 포함되어 있는 주파수들을 시간 경과에 따른 관련 컬러코딩 진폭과 함께 연산함으로써 JTFA(Joint-Time-Frequency-Analysis)를 직접 보여줍니다. catman® 소프트웨어는 이른바 STFT(Short Time Fourier Transform)를 이용하여 JTFA를 계산하며, 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT)을 반복적으로 적용하여 시간 경과에 따른 신호 세그먼트들을 단축시킵니다. 본질적으로, 스펙트로그램의 JTFA는 표준적인 FFT보다 많은 세부사항들을 보여줍니다. 시간 경과(x축)에 따른 주파수 성분(y축)이 그것으로서, 이것은 진폭이나 에너지가 컬러 코드에 매핑된 이른바 2D 1/2 시각화로 표시됩니다.

 

JTFA는 스펙트럼 계산에 사용되는 계측값의 수와 같은 파라미터들에 의존합니다. 이러한 계측에 대한 경험 법칙(rule of thumb)은 FFT에 더 많은 계측값을 포함시킬수록 주파수 범위의 해상도는 보다 정확해진다는 것입니다. 또 다른 파라미터는 윈도우 기능으로서, 이것은 세그먼트(윈도우) 내의 신호를 샘플링하여 도출된 샘플링 값들이 계산에 사용될 경우, 여기에 적용될 가중치를 결정합니다. 다수의 채널이 그래프에 할당될 경우에는 채널들의 스펙트럼을 벡터 합으로 표시할 수도 있습니다.

엔지니어들은 QuantumX / catman® AP 계측 및 분석 툴셋을 이용하여 엔지니어링이나 테스트를 위한 것이든 혹은 생산이나 유지보수를 위한 것이든 검사 대상 시스템이나 제품들의 모든 물리량(음향을 포함한)을 분석할 수 있습니다.

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