부밍소음 평가지수와 음질 평가지수를 이용한 차량 흡기시스템의 최적설계 연구
Study on the Optimal Design of a Vehicle Intake System using the Booming Noise and the Sound Quality Evaluation Index
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 박영원, 채장범
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 시스템공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 연구에서는 우선 성공적인 흡기시스템을 위해 품질기능전개, 잠재적 고장형태 및 영향분석, 특성요인도 기법들을 이용하여 흡기시스템에 대한 초기설계와 시스템적 분석을 수행하였다. 이어서 흡기시스템의 성능향상과 강건설계를 위해 두개의 음향 탐촉자법과 다구찌방법을 사용하여 흡기시스템에 대한 실험계획을 수행하였다. 흡기시스템의 전달손실을 위해 사용된 두개의 음향 탐촉자법은 음파 분리이론에 따라 구할 수 있다. 흡기시스템의 소음 저감 성능을 나타내는 전달손실은 입력단과 출력단의 두 개의 마이크로폰에 대한 상대적인 음향파워를 측정함으로써 구하였다. 그리고 흡기시스템의 강건설계 파라미터들은 설계과정을 통해 최적화된 다구찌방법의 손실함수를 적용함으로써 구하였다. 추가적으로 단품상태에서 제안된 강건설계 파라미터들의 전달손실과 실차상태에서의 흡기 오리피스소음에 대한 비교작업이 수행되었으며, 이들간의 상관방정식이 도출되었다. 제안된 방법의 효과성을 검증하기 위해서 모평균값에 대한 점추정치를 사용하였다. 또한 본 논문에서는 객관측정 데이터들과 주관평가치들의 상관분석과 다중 회귀분석을 통하여 흡기부밍소음을 평가하기 위한 평가지수를 개발하였다. 이를 위해 먼저, 급가속 시험조건에서의 흡기 오리피소소음을 측정하였다. 그런 다음, 정차상태에서의 흡기 오리피스소음과 실내소음과의 음향전달함수를 측정하였다. 동시에 8명의 전문 엔지니어들에 의해 10-scale 방식으로 주관평가를 실시하였다. 이어서 측정된 데이터들로부터 유도된 청감음향 파라미터들과 주관평가사이의 상관분석을 수행하여 중요지수를 우선 찾고, 이들 지수를 가지고 다중 회귀분석을 통해 흡기부밍소음에 대한 주관평가와 일치하는 지수들을 얻을 수 있었다. 그리고 전체적인 차량소음원의 음질에 대한 선형회귀모델을 확립하기 위하여 실차 가속 주행조건에서의 객관측정 데이터를 얻고, 이를 토대로 주요한 청감음향인자들을 추출한 후 다수의 소음진동 엔지니어에 의해 주관평가를 실시하였다. 주관평가는 차량의 소음을 두 가지씩 한 쌍으로 조합을 만들어 평가하는 쌍대비교법을 사용함으로써 음질에 대한 차량의 선호도를 추정하였고, 의미분별척도법과 요인분석 기법등을 이용하여 소음에 대한 평가자의 감성을 적절히 표현할 수 있는 형용사쌍의 평가어휘를 평가함으로써 차량의 음질 특성을 구분하였다. 이로부터 상관분석과 다중 회귀분석을 실시하여 인간의 청감을 잘 대변할 수 있는 청감모델을 도출한 후 이를 지수화하였다. 그런 다음, 주관적 평가치들의 객관화를 위해 각각의 소음에 대해 10-scale의 평가방법을 이용하여 평가하고 이를 객관적 데이터들과 비교함으로써 각각의 주행조건에서 대표적인 음질지수(GMDSI, GM-Daewoo sound quality index)를 개발하였다. 아울러 흡기소음에 대한 음질과 전체 차량소음에 대한 음질을 비교하여 검토함으로써 그 상관관계에 대하여 분석하였다. 최종적으로는 앞서 개발된 단품상태에서의 강건설계 기법과 실차상태에서의 흡기부밍소음 평가지수, 그리고 흡기음질 평가지수를 통하여 소음과 음질 측면에서 흡기시스템에 대한 최적화 작업을 수행함으로써, 시스템 엔지니어, 설계자, 시험자들로 하여금 흡기시스템을 개발시 흡기시스템 최적화 절차에 대한 하나의 지침을 제시하였다.
more초록/요약
In this paper, systems analysis approaches for a successful intake system design were proposed using a set of QFD(Quality Function Deployment), FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) and characteristic diagram methods. Additionally, the experimental design of an intake system was presented using the two microphones method along with the Taguchi method to improve the performance and robustness of the intake system design. Two microphones method chosen to achieve the transmission loss of intake system is based on the wave decomposition theory. The transmission loss was utilized to represent the performance of noise reduction for the intake system being estimated by measuring sound power at both inlet and outlet using two microphones, respectively. And, the robust design parameters of the intake system were extracted by adopting a cost function in the Taguchi method, which optimized the process. Additionally, a trade study between the transmission loss of the proposed robust design parameters at the component level condition and the intake orifice noise at the vehicle level condition was performed. Furthermore, a correlation equation incorporating both the transmission loss and the intake orifice noise was formulated. The effectiveness of the proposed methodology was validated using the point estimation of the population average. This paper also presents the development of an index for the evaluation of vehicle intake booming noise applying a correlation analysis and a multiple factor regression analysis of the objective measurement data as well as the subjective evaluation data. First, the intake orifice noise was measured under the wide-open throttle sweep condition. And then, the acoustic transfer function between the intake orifice noise and the interior noise under the steady state condition was estimated. Simultaneously, a subjective evaluation involving eight specialty engineers was carried out using a ten-scale score. Next, the correlation analysis between the psycho-acoustic parameters derived from the measured data and the subjective evaluation data was performed. The experiment determined the most critical factor and the corresponding index for intake booming noise using the multiple factor regression method. To develop a linear regression model for the sound quality index of the total interior noise, an objective measurement data of vehicles driven in acceleration was measured. From this analysis, a set of psycho-acoustic parameters were extracted and the subjective evaluation was performed by a group of noise and vibration experts. The subjective evaluation involved both paired comparisons and the semantic differential methods to evaluate the sound quality of vehicle interior noise. A paired comparison method which evaluates two pairs of vehicle interior noise gave the estimated preference of vehicle. The use of semantic differential and factor analysis method provided the evaluated words of two pairs of adjective which expresses the appropriate sense of evaluator about the noise source. Therefore, the sound quality characteristics of the vehicle under evaluation were differentiated. The results of both the correlation analysis and the multiple factor regression analysis provided the sound quality evaluation model for the sense of human hearing as well as the indexing method. And then, the subjective evaluation was carried out using the evaluation method of the ten-scale at each noise source for the objectification of the subjective evaluation. As a comparison, the subjective evaluation with the objective measurement, a representative sound quality(GMDSI, GM-Daewoo Sound Quality Index) at two specified driving conditions was developed. At the same time, the correlation relation between the sound quality of intake noise and the sound quality of the interior noise was obtained through the correlation analysis. Finally, the robust design method at the component level condition and the intake booming noise evaluation index along with the intake sound quality evaluation index at vehicle level condition were used to perform the optimal design of an intake system from both noise level and the sound quality point of view. The results of this work propose a set of design guidelines to system engineers, designers and test engineers on the design optimization procedure for system performance considering both noise level and the sound quality.
more목차
본문 차례 (List of Text)
그림 차례 = ⅵ
사진 차례 = ⅷ
표 차례 = ⅸ
사용기호 = xi
제 1 장 서론 = 1
제 1 절 개요 = 1
제 2 절 연구동기 및 목적 = 4
제 3 절 연구내용 및 논문의 구성 = 6
제 2 장 흡기시스템에 대한 시스템적 분석 = 10
제 1 절 개요 = 10
제 2 절 시스템적 접근을 통한 흡기시스템 개발 = 11
제 1 항 시스템적 접근의 필요성과 핵심요소 = 11
제 2 항 흡기시스템에 대한 시스템적 접근 = 20
제 3 항 흡기시스템에 대한 개념설계 = 28
제 4 항 흡기시스템에 대한 분석 및 모델구축 = 38
제 3 절 결과 및 고찰 = 51
제 3 장 흡기시스템의 강건설계 = 52
제 1 절 서언 = 52
제 2 절 다구찌 실험계획법의 이론적 고찰 = 53
제 1 항 실험계획법의 정의와 목적 = 53
제 2 항 실험계획법의 기본원리 =54
제 3 항 실험계획법의 분류 = 55
제 4 항 실험계획법에 의한 강건설계 = 56
제 3 절 흡기시스템의 강건설계 = 60
제 1 항 단품성능 평가에 대한 이론 = 60
제 2 항 스피커 가진에 의한 단품성능 평가장치 개발 = 64
제 3 항 단품성능 평가장치에 대한 신뢰성 검증 = 75
제 4 항 흡기시스템에 대한 강건설계 = 80
제 5 항 직교배열표를 이용한 민감도 해석 = 86
제 4 절 흡기시스템의 주파수 가중함수 도출 = 97
제 1 항 평가음원의 제작 = 97
제 2 항 흡기시스템에 대한 주관평가 분석 = 101
제 3 항 주관평가를 통한 주파수 가중함수의 도출 = 103
제 4 항 주파수 가중함수 적용에 따른 상대적 비교 = 105
제 5 절 결과 및 고찰 = 111
제 4 장 흡기시스템의 부밍소음 평가지수 개발 = 113
제 1 절 흡기시스템의 차량 실내소음에 대한 기여도 분석 = 114
제 1 항 차량 실내소음과 흡기소음에 대한 실차측정 = 114
제 2 항 흡기소음에 대한 기여도 분석 = 116
제 2 절 부밍소음에 대한 평가와 평가지수 개발 = 118
제 1 항 객관평가 파라미터에 대한 검토 = 118
제 2 항 흡기부밍소음에 대한 주관평가 = 120
제 3 항 데이터들에 대한 정규성 검토 = 122
제 4 항 상관분석과 회귀분석을 통한 흡기시스템의 평가지 수 도출 = 125
제 5 항 상관분석과 회귀분석에 대한 타당성 검증 = 129
제 6 항 평가지수의 타당성 검증 = 133
제 3 절 결과 및 고찰 = 134
제 5 장 차량 실내소음과 흡기소음의 음질 평가지수 개발 = 136
제 1 절 서언 = 136
제 2 절 소음에 대한 음질분석 방법 = 138
제 1 항 음질분석법 = 138
제 3 절 흡기소음의 음질지수 개발 = 154
제 1 항 흡기소음에 대한 객관측정 = 154
제 2 항 객관측정 파라미터에 대한 검토 = 156
제 3 항 흡기소음에 대한 주관평가 = 158
제 4 항 데이터들에 대한 정규성 검토 = 161
제 5 항 흡기소음에 대한 음질지수 도출 = 162
제 6 항 분석에 대한 타당성 검증 = 164
제 4 절 차량 실내소음의 음질평가 = 165
제 1 항 객관측정 및 주관평가 설문지 작성 = 165
제 2 항 쌍대비교법에 의한 선호도 평가 = 170
제 3 항 의미분별척도법에 의한 평가 = 179
제 4 항 음질에 대한 청감모델 및 평가지수 개발 = 193
제 5 절 차량 실내소음의 음질지수 개발 = 199
제 1 항 차량 실내소음의 객관적 데이터 결정 = 200
제 2 항 기존의 음질지수에 대한 검토 = 203
제 3 항 데이터들에 대한 정규성 검토 = 205
제 4 항 차량 실내소음의 주관평가 = 208
제 5 항 상관분석과 회귀분석을 통한 음질지수 도출 = 211
제 6 항 평가지수의 타당성 검증 = 215
제 7 항 흡기시스템의 음질과 차량 실내소음의 음질 비교 = 219
제 6 절 결과 및 고찰 = 221
제 6 장 흡기소음에 대한 최적설계 = 223
제 1 절 단품 전달손실과 실차 오리피스소음에 대한 상관분석 및 회귀분석 = 223
제 2 절 소음과 음질을 고려한 흡기시스템의 최적설계 = 226
제 7 장 결론 = 229
제 1 절 결론 = 229
제 2 절 향후 연구과제 = 231
참고문헌(Bibliography) = 232
부록 = 237
Abstract = 244
