자동차에서 발생되는 소음은 운전자 및 탑승자가 직접 차량 내부에서 듣게 되는 실내소음(interior noise)과법규항목으로규정받는 외부 소음(exterior noise, pass by noise)으로 크게 구분할 수 있다.
실내소음
• 전달 경로에 따라 구조 전달 소음(structure borne noise)과 공기전달 소음(air borne noise)으로 구분
• 구조 전달 소음
-. 고체 전달소음 또는 구조기인 소음으로 불린다.
-. 차량을 구성하고 있는 부품이나 구조물을 통해서 전달된 진동현상으로 인하여 차량내부에서 소음이 발생되는현상이다.
-. 공기전달소음에 비해서 전달되는 에너지가 크며, 기존 차량에 있어서 차체의 설계변경 및 개선시킬 수 있는 여지가 매우 적은 특성을 갖는다.
예) 소음원: 엔진
엔진연소과정에서 발생된 진동에너지→ 동력전달계, 현가계 등과 차체 구조를 통해서 실내 내부 공간으로 전달→ 패널들의 진동 및 음향 방사특성에 따라서 소음으로 전달
구조 전달 소음
-. 종류: 배기계, 구동계, 차체 등의 부밍 소음(booming noise), 도로소음(road noise), 하시니스(harshness)
-. 불쾌감을 주는 낮은 주파수의 소음 중에서 80% 이상이 구조 전달 소음
• 공기전달 소음(air borne noise)
-. 공기기 인소음으로도 불린다.
-. 엔진이나 타이어에서 발생된 소음이 공기를 매개체로 하여 운전자 및 탑승자의 귀에 감지되는 소음을 뜻
한다. 예) 엔진의 실린더 블록, 오일팬, 배기 파이프 등의 표면에서 방사된 소음
-. 타이어와 노면과의 접촉에서 발생된 소음이 차체 바닥면이나 대시패널의 틈새 등을 통해서 차량 실내로 유입되어 소음을 유발하는 현상
-. 구조 전달 소음에 비해서 전달되는 에너지가 비교적 적은 편이며, 기존 차량에 있어서도 설계변경 및 개선시킬 수 있는 소지가 많은 특성을 갖는다.
-. 종류
엔진 투과음, 흡기음 및 배기음에 의한 부밍 소음, 바람소리, 타이어 및 브레이크 소음(squeal noise)
외부소음은 차량이 주행중에 외부로 방사되는 소음을 말하며 대표적으로 가속주행소음이 있으며 차량이 도로를 주행할때 변속하여 가속 시 차량 외부로 방사되는 소음입니다. 이러한 방사되는 소음은 ISO규격에 따라 측정방법이 있으며, 차종에 따라 정해진 속도로 진입하여 탈출지점까지 급가속 (wide open throttle)하여 주행하는 동안에 발생되는 최대 소음치를 측정하게 됩니다.
차량 외부로 방사되는 소음
•가속주행소음(pass-by noise)
-. 자동차가 도로를 주행할 때 주로 사용되는 변속기의 기어 단수에서 속도를 증가시킬 때 차량 외부로 방사되는 소음
소음측정방법(ISO 362)
-. 차종에 따라 규정된 속도로 진입하여 탈출지점까지 급가속 (wide open throttle)하여 주행하는 동안에 발생되는 최대 소음치를 측정한다.
-. 차종 및 기어방식에 따라 해당 기어 사용
진입속도는 지정된 변속기어에서 엔진의 최대 회전수에 해당되는 이론속도의 ¾에 해당되는 속도 또는 시속 50km 중에서 낮은 속도로 결정된다.
-. 측정횟수 : 좌우측 각 4회(국내2회)
가속 주행 소음의 개선대책
1) 엔진 소음대책 :
a) 엔진 자체의 재설계 : 압축비 감소, 연소실 형상 개선, swirl 개선, 점화시기 조정 등으로 엔진 연소를 제어하고 최대
출력에 대한 엔진 회전수를 낮추는 방법
b) 커버에 의한 차폐
2) 배기소음 대책 : 엔진 소음 다음으로 가속 주행 소음에 크게 기여하는 소음원 소음기 개선
(용량 증대, 구조 변경 및 보조 소음기의 추가 등) 엔진 출력에 민감한 영향을 줄 수 있기 때문에 조심스럽게 접근해야 함.
플렉시블 파이프나 벨로즈 등의 채택 : 진동저감으로 방사소음 감소
3)흡기소음 대책 : 시험방법이 급가속인 관계로 매우 크게 발생 재설계(덕트의 길이 개선, 흡입구의 직경 변경 등) 및 공명기 채택
4)냉각계 소음 대책 : 팬의 형상개선,유체 커플링 팬의 적용
5)구동계 소음 대책 : 주로 기어 맞물림에 의한 소음이 지배적 흡음재를 고려한 커버류 등을 적용, 불평형 질량의 조정(balancing)
6)그외 언더 커버 등에 의한 차폐 및 저소음 타이어 등의 대책을 강구 할 수 있다.
•배기 소음
-. 차량을 정차시킨 후 변속기 중립상태에서 엔진 최대 회전수의 ¾에 해당하는 회전수로 10초 이상 공회전 운전할 때 배기구에서 발생되는 소음
•경적 소음
-. 엔진을 정지한 상태에서 자동차의 경음기를 5초 동안 작동시켜서 측정된 최대 소음
-. dB(C)의 소음 레벨을 사용한다.
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차종 |
가속주행 소음[dB(A)] |
배기소음 [dB(A)] |
경적소음 [dB(C)] |
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직접분사 디젤 외 |
직접분사 디젤 |
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경자동차 |
사람 운송 전용 |
74 |
75 |
100 |
110 |
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상기 목적 외 |
76 |
77 |
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승용자동차 |
일반 승용자동차 |
74 |
75 |
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9인승 자동차 |
76 |
77 |
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화물자동차 |
소형 화물자동차 |
76 |
77 |
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출력 97.5마력 이하 |
77 |
77 |
103 |
112 |
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출력 97.5~195마력 |
78 |
78 |
103 |
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|
출력 195마력 이상 |
80 |
80 |
105 |
||
-. 외부소음의 전체적인 소음레벨에는 큰 차이가 없음을 알 수 있는데, 이는 차량의 외부 소음은 전반적으로 엔진에 의해서 지배적인 영향을 받는다는 것을 시사한다.
엔진 투과음
차음 : 소음이 유입되는 경로를 차단시키기 위해서 heavy layer 등의 차음 부품과 구 멍을 막기 위한 grommet 등이 사용된다.
흡음 : 차량 실내로 유입된 소음을 흡수하기 위하여 카페트, 폴리우레탄 및 펠트(felt) 등이 사용된다.
grommet
자동차의 ENGINE ROOM · 실내 등의 배선이 내부 및 외부 로 통과시 관통부의 배선이 손상하지 않도록 보호하여 주는 역할과 방음·방수 기능도 겸하고 있음
비트음 (beat noise)
► 정의
-. 각각의 주파수가 비슷한 2개의 음이 있을 때, 소리의 크기가 주기적으로 바꾸어 들리는 것을 비트음(beat noise) 또는 울림(맥놀이) 현상이라고 한다.
-. 울림 현상이 발생할 때의 주파수를 비트 주파수 라고 하며, 두 음 사이의 주파수
차이로 결정된다.
-. 엔진을 특정한 회전수로 회전시켰을 때 주파수가 비슷한 2개의 음이 발생될 경우, 두 개의 주파수 위상이 일치하였을 때는 음이 커지고, 위상이 불일치하였을 때
는 음이 적어지는 현상을 반복
-. 토크 컨버터의 미끄러짐이 생겼을 때와 드라이브 샤프트의 차동기어의 진동수가 엔진의 진동수와 비슷해질 때 발생하게 된다.
► 현상
-. 음의 크기가 변화되는 ‘웅~웅~’ 소리 (‘웅~ ‘주기 : 2~6회/1초)
※ 진동의 경우도 비트 현상을 일으킬 수 있다. (진동의 2~6회/1초 간헐적 발생)
▶ 발생원인
•엔진과 다른 진동과의 합성에 의한 비트소음(Compressor, Pump, Alternator등)
a)에어컨 컴프레서, 동력조향펌프 등의 보기류에서 발생하는 진동은 진폭이 상당 히 큰 편에 속하고 풀리비가 정수에 가깝기 때문에 엔진의 진동수와 차이가 크지 않을 경우에는 심각한 비트음을 유발 시킬 수 있다.
b)타이어의 균질성 : 타이어의 균질성(uniformity)이 불량할 경우와 타이어에 의한
진동과 엔진의 진동수가 서로 근접할 경우에도 비트음이 발생할 수 있다.
•Torque Converter Slip에 의한 회전수 차
(Pump Impeller & Turbine Runner)
pump impeller쪽과 자동 변속기에 연결된 turbine runner 사이의 토크 전달과정에서 미끄러짐(converter slip)이 발생하면 회전수의 차이가 유발된다. 이러한 회전수 차이에 의해 서 비트음이 발생할 수 있다.
•구동축의 회전 6차 진동
구동축의 조인트에 있는 DOJ(double offset joint) 는 볼이 6개 내장되어 있어서 구동축이 1회전 당 6번의 진동이 발생하게 된다. 이러한 성분 이 엔진의 진동 성분과 근접할 경우에도 비트 음이 발생한다.
더블 오프셋 조인트의 구조
하시니스(Harshness)
► 정의
-. 자동차가 도로의 연결부위나 단차 등의 비교적 큰 요철이 있는 부분을 통과할 경우에 발생되는 짧은 시간의 충격음과 진동현상
-. 차량속도가 50km/h의 저속에서는 낮은 쇼크음과 동시에 30~60Hz영역의 스티어링 휠, 시트 및 차체 바닥에서 강한 충격을 느끼지만, 고속 주행할 경우 에는 200Hz 의 비교적 높은 주파수의 충격음이 발생 된다.
-. 바이어스 타이어가 주류일 때에는 문제가 되지 않 았지만, 접촉면이 평행한 레이디얼 타이어가 보급 되면서 문제되기 시작 → 타이어의 envelope 특 성이 바이어스 타이어가 좋기 때문
▶ 발생원인
•Suspension 사양에 따라 음/진동 변화
-. 타이어에 가해진 충격력 → Suspension →차체 →
충격음 & 진동으로 나타나기 때문
•타이어의 탄성진동
-. 타이어에 가해진 충격력 → 타이어 자체의충격 에너 지 흡수(타이어 형식, 공기압에 따라 다름)
-. 일반적으로 스프링 상수가 적고, 부드러운 타이어나
envelope 특성이 우수한 타이어가 하시니스 저감에 유리하다.
-. 편평 타이어는 강성이 강하기 때문에 하시니스가 발
생하기 쉽다.
•차체의 탄성 공진
Road Noise
► 정의
-. 차량이 거친 노면을 주행할 때 노면의 가진에 의한 진동현상이 타이어와 현가장치
를 통하여 차량의 실내로 전달된 소음
-. 저주파 성분 : 타이어나 현가장치의 공진에 의해 발생되는 저속 부밍
고주파 성분 : 타이어 패턴에 의한 500Hz이상의 고주파 성분
-. 타이어의 진동특성에 큰 영향을 받는다. 바이어스 타이어가 레이디얼 타이어 비해서 불리하다.
► 도로소음의 특성
-. Road booming, road rumble, body rumble 또는 road roar 등으로 불리며, 50~60km/h에서 문제가 된다.
-. 차량속도 증가하면 소음의 피크값은 증가하나 주파수 특성은 차량 속도에 거의 무관하다.
-. 도로소음의 저감은 실내소음 저감에 비해서 2배 이상으로
(1dB 저감시키는데) 힘들다.
-. 구조전달소음(500Hz이하)이 지배적이며,
500Hz이상은 공기전달음이며, 주로 타이어 방사음이다.
타이어의 종류
바이어스 타이어(bias tire) :
-. 타이어 코드들이 진행방향에 비스듬하게 배치
-. 방향 전환시에 반응이 늦고, 오랜 시간 주차했을 경우 타이어에 변형이 생겼으며,
-. 노면 저항이 커서 마모가 쉽게 되어 타이어의 수명이 짧아지는 등 많은 단점이 있었다.
레이디얼 타이어
-. 타이어코드가 바퀴 진행방향에 수직으로 배열되어 있는 타이어
-. 낮은 기술 수준 때문에 제작이 어려워서 발명된 후 한참 동안 빛을 보지 못하다가 1950년대 에 이르러서 프랑스의 미슐랭(Michelin)사에 의해서 생산되기에 이르렀다.
-. 노면과의 저항이 적어져 연료를 절약할 수 있는 동시에 타이어의 수명도 늘어날 수 있었다.
-. 또한 도로와의 흡착성이 우수하여 고속 주행시 좋고 조종의 안정성이나 코너링 능력·제동 능력·승차감 등도 향상되었다.
-. 레이디얼 타이어는 나쁜 상태의 노면에 취약한 단점이 있어서,
비포장 도로를 많이 달리는 차량 등에는 잘 쓰이지 않는다.
타이어 소음(pattern noise)
► 정의
-. 타이어와 도로면의 접촉부위에서 발생된 소음 타이어의 구조적인 진동에 의해서 방사된 소음
-. 도로면의 상태에 따라서 발생되는 소음레벨이 달라지게 된다.
-. 70km/h 이상의 고속주행에서 심하게 발생
-. 차량의 주행 속도가 가장 큰 영향을 준다.
예) 30km/h에서 100km/h로 증가하면 약 20~30 dB(A)의 소음증가를 유발
빗물인 경우 약 10dB(A)의 소음증가
-. 빗길 주행시 발생하는 소음 : water splash noise라고 표현
► 현상(300~1000Hz)
-. 비교적 고주파수 음으로 차속을 높이면 점점 음이 높아진다.
※ 차속을 높이면 고주파음으로 바뀌는 것이 Road Noise와 틀린 점이다.
► 발생조건
-. 스노우 타이어, Lug 타이어 장착시
※ 거친 노면에선 Road Noise가 더 커 Pattern Noise를 들을 수 없다.
► 발생원인
•타이어의 탄성 진동음
- . 타이어 트레드에서 발생하는 진동은 반경 방향과 접선방향의 진동으로 구분 접선방향의 진동 : 트레드가 노면으로부터 이탈되는 순간에 접선방향으로 늘어나
는 현상(1000Hz 이상의 소음)
반경방향의 진동 : 노면의 불규칙한 특성으로 인하여 트레드에 충격이 가해져서
발생(1000Hz 이하의 소음)
-. 타이어의 고유진동수에 의한 공기 가진음
•Air Pumping음
. 타이어가 접지면에서 큰 변형을 받아 Tread Pattern구의
공간 용적 변형에 의해 공기가 진동하는 음
. groove와 groove 사이의 공기체적이 급격히 압축되었
다가 외부로 방출되면서 발생하는 압축 팽창음(800~2500Hz)
바이어스 타이어(bias tire) :
-. 타이어 코드들이 진행방향에 비스듬하게 배치
-. 방향 전환시에 반응이 늦고, 오랜 시간 주차했을 경우 타이어에 변형이 생겼으며,
-. 노면 저항이 커서 마모가 쉽게 되어 타이어의 수명이 짧아지는 등 많은 단점이 있었다.
레이디얼 타이어
-. 타이어코드가 바퀴 진행방향에 수직으로 배열되어 있는 타이어
-. 낮은 기술 수준 때문에 제작이 어려워서 발명된 후 한참 동안 빛을 보지 못하다가 1950년대 에 이르러서 프랑스의 미슐랭(Michelin)사에 의해서 생산되기에 이르렀다.
-. 노면과의 저항이 적어져 연료를 절약할 수 있는 동시에 타이어의 수명도 늘어날 수 있었다.
-. 또한 도로와의 흡착성이 우수하여 고속 주행시 좋고 조종의 안정성이나 코너링 능력·제동 능력·승차감 등도 향상되었다.
-. 레이디얼 타이어는 나쁜 상태의 노면에 취약한 단점이 있어서,
비포장 도로를 많이 달리는 차량 등에는 잘 쓰이지 않는다.
타이어 Pattern
•리브형(rib type) : 트럭, 버스 및 승용차용 타이어의 기본 형태
앞뒤방향 및 측면 방향에 대한 미끄럼 방지 효과
•랙(rack type) : 트럭 및 버스용 타이어
강한 견인력을 발휘하는 특성이 있으나 소음이 큰 단점 리브-랙(rib-rack) 방식의 혼합형
•블록형(block type) : 눈이나 진흙길 등과 같은 미끄러운 도로조건에서 차량 이동에 요구되는 견인력을 얻기 위한 표면형상
소음이 크고 마모도 심한 특성
우수한 배수성능과 우천 주행성능의 향상목적으로 4계절용 타이어 로 많이 채택
브레이크 소음(Brake squeal Nois3e장)자동차 진동소음
► 정의
-. 브레이크 라이닝과 패드의 접촉과정에서 소음이 발생
-. 브레이크 소음은 브레이크 울림이라고도 한다.
-. 고온, 고압하에서 발생하는 비선형 진동현상임.
-. 브레이크 소음의 피크 진동수는 450~500Hz 로 주파수 범위도 50Hz에 해당하는 넓은 대역에 분포
► 발생조건
-. 타이어가 Rock 되지 않을 정도의 Brake를 작동하였을 때 발생하며, 제동력, 패드의 재질과 표면 온도 등에 의해 발생 여부가 결정된다.
※ 디스크 브레이크의 경우 가볍게 작동하여도 발생하는 경우가 있다.
※ 소리는 브레이크 사양에 의해 결정되고, 차체의 형태와 거의 상관없이 발생하며
3~ 4 kHz가 가장 잘 들린다.
► 발생원인
-. 패드와 디스크 마찰에 의한 (축방향) 진동 발생 → 디스크와의 공진 → 음 발생
-. 드럼의 공진, Dust cover의 공진
► Groan noise
-. 브레이크 시스템의 가진에 의해 발생되는 고주파 소음
-.차량 정지 직전이나 자동 변속기 차량에서 브레이크 해체로 인한 발진시 주로 발생
-. 대형차의 드럼 브레이크에서도 자주 발생
-. 진동원 : 패드와 디스크의 고착-미끄럼(stick-slip) 현상으로 발생한다.
바람소리
► 정의
•자동차 외관에 따른 공기의 외부유동에 의해 발생되는 바람 소리
► 소음 발생과정
•풍절음
-. 풍절음이란 차량이 100km/h 이상의 고속으로 주행할 때 차량 주변의 기류가 자동차 외관
표면의 단차, 돌기 등에 의해 산란되면서
발생한 소음 기류
-. 기류 소음이 도어의 웨더 스트립, 차체의 패널 및 유리창 등을 투과하여 탑승자의 귀에 도달
-. 풍절음은 대부분 웨더 스트립을 투과한 소음이 지배적
-. 1kHz 이상의 고주파에 해당하는 소음
-. 웨더 스트립의 차음 성능 향상 만으로도 50%이상의 개선 효과를 볼 수 있다.
•흡출음(aspiration noise)
-. 차량의 실•내외를 구분하는 틈 사이로 공기가 누설될 때 발생하는 소음
-. 차량의 고속 주행시에는 차량 내부와 외부의 압력 차이에 때문에 도어가 바깥쪽 으로 벌어지는 현상이 발생하며, 이때 도어의 웨더 스트립에 변형이 생겨서 차량 내외로 공기의 유동이 발생할 수 있게 되어서 소음이 전달
-. 흡출음의 소음 특성은 풍절음보다는 약간 높고 넓은 주파수 범위를 가진다.
-. 개선대책
도어의 강성보강, weather strip의 개선, 도어 경첩(door latch)의 조정 등
-. 정적 흡출음
정적 틈새(glass run, joint 부위의 불량, 조기변형, 내마노성 저하)에 의한 흡출음
-. 동적 흡출음
. 차량속도의 4제곱에 비례해서 차량속도가 증가할수 록 도어를 밀어내는 힘이 발생하여 도어와 차체 사이 의 틈새로 외부소음이 발생하는 현상
. 도어 프레임의 변위 및 웨더 스트립의 반발력이 소음 발생의 중요 변수
Wind noise
•공동소음(cavity noise)
-. 선루프 및 도어와 차체 패널 사이의 틈새에서 주로 발생
-. 창의 일부를 열고 고속 주행 할 경우, 특정 차속에서 외부 바람에 의해 차실내 압력 변동이 일어나 귀를 압박하는 음이 발생하는 현상
-. 15~20Hz에 해당하는 낮은 주파수의 공기진동현상
-. Wind throbs라고도 한다.
-. 소음이라기 보다는 귀를 압박하는 느낌(100dB(A) 이상의 음압)
•떨림음
-. 유체의 유동에 의한 진동(flow induced vibration)에 의해 발생하는 소음
-. 차체에 부착된 몰딩들의 떨림소리가 지배적이다.
•바람소리 성분의 실내 소음 기여도
-. 흡출음, 공동소음, 떨림음 : 실내소음의 12~27%
-. 상부풍절음 : 실내소음의 22~36%
차량의 스타일링에 의존하며 주요 개선항목임
-. 하부풍절음 : 실내소음의 44~55%
하부 구조의 형태
럼블 소음(Rumble Noise)
정의
-. 엔진이 구동할 때 발생하는 크랭크 샤프트의 진동현상은 차량의 실내소음과 진동
뿐만 아니라 차량 실내의 음질에도 악영향을 미친다.
-. 크랭크 샤프트의 공진영역(200Hz~500Hz)에서 크랭크 샤프트의 굽힘진동, 비트림 진동현상이 실린더 블록에 영향을 미쳐서 발생하는 소음
-. 낮은 회전수에서는 강체 운동
연소 폭발에 의한 것으로 각종 풀리 벨트의 장력변화 및 연소 압력의 크기에 영향 을 받는다.
이러한 현상은 크랭크 샤프트 앞부분에 토션 댐퍼(tensional damper)를 달아서 진동현상을 저감
-. 높은 회전수에서는 크랭크 샤프트의 비틀림 진동, 풀리부의 선단부 굽힘 진동, 플라이 휠 후단부의 굽힘 진동 등이 발생
기어 소음
► 정의
-. 변속기에서 발생
-. 기어의 맞물림이나 헐거워진 접합부분에서의 타격에 의해서 발생
► 현상(400~1500Hz)
-. Transmission 기어 치합에 의한 Gear whine noise ‘앵~, 휭~’
► 발생조건
-. 특정 단의 일정 속도 및 가감속시
► 발생원인
-. 기어 자체 불량(Backlash 과다 등)
-. 공진
▷ T/M case 탄성공진
▷ Rear support member 탄성공진
▷ Propeller shaft의 탄성공진
▷ T/M mounting bracket의 탄성공진
치합음(whine noise)
-. 기어의 회전과정에서 회전 각속도의 변화가 발생하여 치합(meshing) 강제력이
발생
-. 주로 고속의 특정 고속 구간에서 발생
-. 휘파람 소리와 비슷한 높은 주파수의 소음을 유발
치타음(rattle noise)
-. 구동축에서 발생하는 비틀림 진동현상으로 인하여 서로 물려 있는 기어쌍 사이 의 반복적인 충돌에 의해서 소음이 발생
-. 이때 기어의 백래시가 규정값 이하이면 공회전 기어 쌍에서 발생하는 경우가 더 많다.
-. 기어의 중립상태나 저단 구동시 발생하며, 변속기를 투과하여 실내외로 전달된다.
출처 : Park,WooCheul, Dept. of Vehicle Engineering, Kangwon National University, wchpark@kangwon.ac.kr