자동차 소음에 대한 고찰

By Chao Yu, Senior Project Engineer, Advanced Machine Systems, Corning Incorporated, Corning, USA

자동차 내부는 고속 주행 시 발생하는 난류 유동에의해 매우 시끄러울 수 있습니다. 코닝(Corning)의 엔지니어들은 자동차 내부 소음을 제어하기 위해 ANSYS Workbench의 공력해석과 진동소음 해석을 조합하였습니다.

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A Window into Automotive Noise

대부분의 운전자들은 고속도로에서 자신이 좋아하는 라디오 채널을 듣기 위해서는 음량을 높여야 하고, 동승자와 대화를 하기 위해서 더 크게 얘기해야 한다는 것을 알고 있습니다. 이것은 차량이 고속으로 주행할 때 주변에 발생하는 난류의 직접적인 결과입니다. 최근 U.S. vehicle dependability의 J.D. Power의 연구에 의하면 과도한 풍절음은 자동차 소유자들이 가장 많이 경험한 중요한 문제들 중 하나였습니다. 외부 소음이 어느 주파수 대역에 위치하는지에 따라 차량 탑승자들은 소음을 조용한 대화(40~50데시벨,dB)와 번잡한 도시의 도로(70~80 dB) 수준으로 받아들일 수 있습니다.

이런 문제를 해결하기 위하여 코닝의 엔지니어들은 차량 외부의 풍절음이 내부 소음으로 유입되는 물리적 메커니즘에 대하여 연구하고 있습니다. 고속에서 차량을 둘러싼 공기는 차량의 프론트 엔드, A-필라, 사이드 미러들에 의하여 분리됩니다. 이러한 현상에 의하여 차량 외부 표면에 압력장의 섭동을 야기하는 난류가 발생합니다. 이러한 압력 변화는 유리판(앞 유리 및 다른 창 유리들)의 진동을 야기하고, 이 진동은 차량 내부의 공기를 가진하여 내부소음 중 일부를 생성합니다. 내부 소음의 또 다른 주요 원인은 유리창 외의 다른 표면에서의 유동소음이 차체의 다른 부품들을 통하여 전달되는 우회 전달 소음(Flanking Noise) 입니다. 또한, 지면과 접촉하는 타이어와 차량의 기계적 장치에서 발생하는 소리가 차량 내부 소음에 기여합니다.

코닝의 엔지니어들은 어떠한 유리 표면이 유리를 통한 소음 전달에 가장 중요한 경로가 되는 지와 경량 유리 재료가 소음에 어떠한 영향이 끼치는지 알고 싶었습니다. 그들은 ANSYS Workbench의 유동해석과 구조해석 툴을 이용하여 결정론적인 공력/진동 음향 해석(Deterministic Aero-VibroAcoustics, DAVA) 방법을 구축하였습니다. DAVA프로세스는 메시 생성과 해석에 소요되는 비용의 절감을 위하여 미국의 일반적인 SUV 차량의 단순화된 형상을 이용하여 시작되었습니다. 연구는 유리를 통하여 전달되는 소리에 집중하였기 때문에 사이드 미러와 A-필러와 같은 유리창 주변의 복잡한 형상은 유지하고, 범퍼와 타이어 등 다른 부분은 대략적으로 모델링 되었습니다. 대칭조건의 장점을 이용하여, 엔지니어들은 ANSYS CFD meshing 를 이용하여 차량의 절반에 해당되는 유동장을 5,500만개의 육면체 요소로 구성된 전산유동해석(CFD, Computational fluid dynamics)용 메시를 생성하였습니다. 계산 영역의 크기는 와흘림, 유동 박리 및 재 부착 현상이 관찰될 수 있도록 선정되었습니다.

wind noise model

전체 차량의 풍절음 모델은 DAVA 방법에서 사용된 진동소음 모델링과 공력 모델링의 조합으로 표현됩니다.

"시험에서의 음압 레벨과 시뮬레이션 결과는 서로 잘 일치합니다."

소음 발생

메시가 완성된 후 코닝의 연구팀은 유동장의 난류 유동을 모사하기 위한 과도 해석을 ANSYS Fluent CFD solver를 이용하여 수행하였습니다. 차량이 80 mph로 달릴 때 발생하는 와류들을 예측하기 위하여 엔지니어들은 난류모델로 DES(Detached Eddy Simulation) 모델을 선택하였습니다. DES 모델은 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 모델과 LES(Large Eddy Simulation)모델이 벽변으로부터의 거리와 메시 분해능을 기준으로 선택되는 하이브리드 모델입니다. LES는 많은 해석 자원이 필요한 모델이므로, 차량으로부터 떨어져 있는 성긴 요소망에서 사용되며, RANS 모델은 벽변 근처의 조밀한 영역에서 사용되었습니다. 연구진은 0.5초의 실제 난류 유동을 해석하기 위하여 10,000번의 타임 스텝으로 DES 모델 해석을 수행하였습니다. 이러한 짧은 타임 스텝은 유동소음에서 최대 5 kHz까지의 넓은 주파수 대역을 포함하여 결과를 도출하는 것이 필요하기 때문에 적용되었습니다. 코닝은 Fast Fourier Transform(FFT)를 이용하여 과도 해석 데이터를 시간 도메인에서 주파수 도메인으로 변환하였다. 그래서 그들은 유리의 음압 레벨을 더 일반적으로 이해하기 쉬운 dB 단위로 평가할 수 있습니다. 이러한 대형 해석모델은 코닝의 고성능 클러스터의 ANSYS HPC의 사용이 필수적입니다.

ortex shedding regions

Main vortex shedding regions from the turbulent flow field using the Q-criterion, colored by velocity magnitude

sound pressure levels

Standard transition

sound pressure levels

Smooth transition
125Hz에서 유리 끝단과 A-필러 사이에 단차가 있는 모델(위)과 없는 모델 (아래)에 대한 앞 유리(좌), 측면 유리(우)에서의 외부 음압 분포. 단차가 있는 모델은 앞 유리의 옆부분과 옆 유리의 앞 부분에서 국부적으로 더 높은 음압 레벨을 나타냅니다.

초기 CFD 해석에서 앞 유리의 아래 모서리 부분과 옆 유리의 앞부분에서 다른 부분과 비교하여 더 높은 외부음압 레벨이 나타나는 것으로 분석되었습니다. 일반적인 앞 유리 디자인에서, 유리표면과 A-필라 사이에서 유리의 끝단이 필라 아래로 연장되는 부분에 보통 작은 단차가 존재합니다. 연구진의 기본 차량 모델에는 5 mm의 층이 고려되었으며, 비교를 위해 앞 유리와 A-필라 사이에 단차가 없는 수정된 모델이 준비되었습니다. 수정된 모델에서는 옆유리 앞단에서 최대 5dB의 외부 소음 감소 효과가 나타났습니다. 수정된 모델에서 연구진은 공기 유속을 60 mph, 30 mph 조건에서 두 번의 해석을 추가 수행하였습니다. 예상된 대로, 차량 속도가 감소함에 따라 공력 소음은 감소하였습니다.

"코닝의 엔지니어들은 어떠한 유리 표면이 유리를 통한 소음 전달에 가장 중요한 경로가 되는지, 그리고 경량 유리 재료가 소음에 어떠한 영향을 끼치는지 알고 싶었습니다."

소음 전달과 전파

외부 음압 레벨 예측치가 준비되었을 때, 코닝의 연구진은 ANSYS Mechanical의 진동소음 해석의 입력조건으로 해당 예측치를 이용하였습니다. 엔지니어들은 외부 가진으로 작용하도록 차체의 표면에 외부 압력 Data를 매핑하였습니다. 연구진은 차량 내부 탑승공간의 경계와 내부에 대한 분리된 메시를 생성하였으며, 유리의 표면은 외부와 내부 형상들에 의하여 공유되었습니다. 또한, 내부 형상은 보다 정확하게 음파의 흡수와 반사를 나타낼 수 있도록 의자, 대쉬보드, 기어박스, 핸들 등의 구조들을 포함하고 있습니다. 초기에, 연구진은 앞유리와 옆 유리 앞쪽 창은 폴리비닐 부티랄 레진으로 접합된 두 층의 소다석회 유리(Soda Lime Glass, SLG)로 적용하였고, 이외 다른 유리창들은 모두 한 층의 소다석회유리로 적용하였습니다. 일반적인 관심 주파수대역(1kHz)에서 하모닉 응답 해석(Harmonic Response Simulation)은 대부분의 소음이 나오는 앞 유리와 옆 유리의 앞측 영역 등 차량의 앞 부분에서 더 높은 음압 레벨이 나타날것으로 예상하였습니다. ANSYS Mechanical을 이용한 총 해석 시간은 21개의 샘플링 주파수 범위에 대하여 300 CPU 시간이 소요되었습니다.

Interior cabin geometry
내부 탑승공간의 형상
auto cabin structures
내부 탑승공간의 구조

그들의 결과를 검증하기 위하여, 연구진은 운전자의 귀 위치에 마이크를 설치한 시험용 차량을 이용하여 풍동 시험을 수행하였고, 읍압 레벨 측정결과를 수집하였습니다. 그러나, 풍동 시험의 측정결과는 내부 음압 레벨 전체에 대한 것이었고 연구진은 유리로 전달되는 소음 뿐만 아니라 우회전달소음에 대한 정보도 필요했습니다. 시험 차량이 정지해 있고 작동하고 있지않았기 때문에 연구진은 바퀴 및 기계 장치의 읍압 레벨에 대한 기여도를 무시할 수 있었습니다. 우회 전달 소음에 대해 고려하기 위하여, 연구진은 모든 유리 표면이 보호된 또 다른 풍동 시험을 수행하였고, 전체 내부 읍압 레벨을 도출하였습니다. 전반적으로 해석 결과와 시험 결과에서 음압 레벨은 경향 뿐만 아니라 절대값에 대해서도 높은 일치도를 보여주었습니다.

추가적인 시험으로, 코닝의 연구진은 앞 유리와 옆 유리의 앞측 창의 유리가 더 가벼운 복합유리로 대체된 경우에 대해 어떠한 효과가 있을지 분석하였습니다. 복합유리는 안쪽 소다석회유리가 더 얇은 Gorilla® glass로 대체된 재료입니다. 시뮬레이션이 유리로 전달되는 소음에 대하여 음향적으로 감소하는 결과를 보여줬음에도 불구하고, 고속에서는 우회전달소음이 지배적이기 때문에 전체적인 영향은 미미할 것으로 판단하였습니다. 소다석회유리-소다석회유리 및 소다라임유리- Gorilla® glass 접합유리 두 가지 모델 모두에서 일반적인 모델(앞 유리와 A-필라 사이의 단차가 있는 모델)에 비하여 단차가 없는 모델의 저주파(500Hz 미만) 영역에서의 외부소음에 의한 차량 내부 탑승공간의 음압 레벨이 감소하였습니다.

auto sound pressure levels
3D
auto sound pressure levels
Cross section
1kHz 의 주파수에서 차량 내부 탑승영역의 3차원(위) 및 단면(아래)의 음압 레벨 분포도. 붉은색과 주황색은 가장 높은 값들을 나타냅니다.
no flanking noise
No flanking noise
flanking noise
With flanking noise
Predicted cabin SPL over a range of frequencies comparing SLG-SLG to SLG-Gorilla glass laminate material. Because flanking noise dominates at high vehicle speeds, the difference is minimal.

 

wind tunnel comparison

서로 다른 주파수 대역에서 DAVA 방법의 예측치와 풍동 시험 결과 비교. 차량 내부 탑승영역의 음압 레벨에 대하여 경향과 절대값, 모두 높은 일치도를 보여줍니다.

"연구진은 설계 및 평가 과정에 대하여 30~50%의 효율 증가가 가능하고, 그에 따라 비슷한 수준의 비용 절감이 가능할 것으로 예상하였습니다."

References:

[1] J.D. Power. jdpower.com/cars/articles/jd-powerstudies/ vehicle-dependability-study-top-10-problems-3-year-oldvehicles (01/11/2018)

[2] Yu, C., Automotive Wind Noise Prediction using Deterministic Aero-Vibro-Acoustics Method, 23rd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA AVIATION Forum, (AIAA 2017-3206).

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