I. 서 론
II. 본 론
2.1 실차 로드노이즈 고주파 소음
2.2 PBNR 평가 구성
2.3 차음 윈도우 평가법
2.4 후석인자의 차음 윈도우 평가
2.5 차페성능 개선 방안
III. 결 론
I. 서 론
차량의 차폐감은 실내정숙성을 의미하는 감성 지표로서 차음/흡음/실링 성능에 의해서 결정된다. 고속도로와 같은 일반노면을 정속주행 시 타이어-노면간 상호작용에 의해 발생하는 로드노이즈는 오랜시간 탑승자에게 노출되는 소음 환경으로 고객이 차량의 정숙함을 판단하는 주요 지표로 알려져 있다. 공력 소음이 주로 느껴지는 고속 조건에서와 달리 100 km/h 이하 조건(특히 80 km/h)에서는 타이어와 지면의 마찰에 의한 고주파성 로드노이즈가 지배적인 소음 인자이며, 실제 유럽 미디어 평가결과를 살펴보면, 80 km/h ~ 100 km/h사이에서 인지되는 타이어의 구름소음에 대한 문제 지적이 다수 발생중이다.
이를 저감하기 위해서는 차량의 강건한 실링 시스템과 충분한 흡음/차음 성능이 요구되지만 준중형 이하 세그먼트 차량에서는 원가의 중요성으로 인하여 충분한 흡차음사양 적용에 제한을 받고 있다. 또한 경쟁력 있는 연비성능 확보를 위해 경량화까지 요구되는 개발환경에서 보다 효율적인 흡차음 사양의 적용이 요구되고 있는 실정이다.
Fig. 1을 통해 준중형 세그먼트에서 세단과 해치백의 후방 차체구조 차이를 확인할 수 있다. 일반적으로 차체판넬에 의한 막힌 구조를 갖는 세단 타입에 비해 해치백 타입의 구조는 트렁크룸과 실내공간의 구분이 명확하지 않으며, 후방 테일게이트 적용에 따른 실링구조 확보에 어려움이 있기 때문에 후석에서 느껴지는 차폐성능이 열세한 것으로 알려져 있다.[1,2]
로드노이즈 고주파소음 개선방법은 실링을 보완하거나 실내 트림류 배면부에 흡음재를 적용하는 방법이 일반적이다. 하지만 타이어 소음의 전달경로와 흡차음 열세부위의 파악이 어렵기 때문에 개선 이력과 개발자의 경험에 의존하여 개발되고 있는 상황이다. 따라서 정량적인 평가법을 활용하여 소음의 전달경로와 흡차음 열세부위에 대한 분석이 필요하며, 이를 통해 흡차음재 적용에 있어 최적화된 사양 구성이 가능할 것이다.
II. 본 론
2.1 실차 로드노이즈 고주파 소음
로드노이즈 고주파소음이란 타이어-노면 간 발생한 진동/소음이 공기전달에 기인하여 실내로 전달되는 소음을 의미하며, 일반적으로 0.5 kHz ~ 4 kHz 주파수 대역의 소음을 의미한다.
Fig. 2는 일반노면을 80 km/h로 정속주행 시 실차에 대한 후석실내음의 측정결과다. 세단에 비해 해치백의 고주파소음이 다소 높은것이 확인된다(전 주파수 대역에서 열세하며 O/A level 약 1.0 dB 열세). 이는 뒤쪽 트렁크 공간에서 넘어오는 산만한 고주파성 소음성분으로 탑승자는 감성적으로 차량의 차폐감이 좋지않다고 느끼게 된다.
2.2 PBNR 평가 구성
실도로 주행평가는 실제 고객이 느끼는 환경을 반영하지만 다양한 외란(noise)의 영향으로 정량적인 평가에 어려움이 있다는 단점이 존재한다. 따라서 차량이 갖는 차폐성능을 정량적으로 측정하기 위해 파워기반 소음감소(Power Based Noise Reduction, PBNR)기법을 흔히 활용하고 있으며, 이는 다음 Eq. (1)으로 정의된다.[3]
(1)
여기서 ref는 Πref / p2ref = 1/ρc이며 Π는 점음원의 음향파워를 의미한다.
(2)
Qa는 음원의 볼륨가속도를 의미하며 최종적으로 PBNR은 다음과 같이 정리된다.
(3)
이때 |p/Qa|는 측정된 ATF(Acoustic Trans Function)의 크기이다[Eqs. (1) ~ (3)에서 윗첨자 *는 공액복소수를 의미함].
PBNR 평가 시 일반적인 소음원의 가진 위치는 실내이며, 측정위치는 타이어 주변부로 위치하여 평가한다. 이는 소음원 위치에 따른 결과의 상반성(reciprocity)이 확보되기 때문으로, 시험의 편의성을 고려하여 실내 가진 조건으로 진행하였다.
볼륨 소음원(Q-Source)은 후석 중앙 머리위치에 배치하였고, 마이크로폰은 노면-타이어의 접점 위치를 기준으로 전방과 후방으로 배치하여 총 8개의 마이크로폰으로 ATF를 측정하였다(Fig. 3).
Fig. 4는 세단과 해치백에서 측정된 PBNR 비교결과로 일부 주파수 대역에서 해치백 차량의 차폐성능이 다소 열세한 것을 확인할 수 있다(0.5 kHz ~ 4 kHz 대부분 주파수 대역에서 열세하며 특히 2.5 kHz 대역 3.8 dB 열세).
2.3 차음 윈도우 평가법
소음의 전달경로를 추정하기 위하여 소음원의 실외유입(input)과 실내유입(output)을 제어하였을 때 PBNR 기여도를 분석하고자 하였다. 이를 위한 평가방법으로 차량 전체를 차음재로 차폐시킨 뒤, 관심시스템(윈도우)의 PBNR 기여도를 측정하는 방법으로 차음 윈도우 평가법(window method)을 활용하였다(Fig. 5). 기여도는 전체차음 상태와 관심시스템을 열었을 때의 PBNR dB차이를 주파수 대역별로 계산한 후 퍼센티지화(%)하여 계산하였다.
당사 준중형 세그먼트 해치백 차량을 대상으로 하여, 우선 전체 차량 관점에서 외장/내장 주요부위를 대상으로 평가를 수행하였다.
2.3.1 외부 시스템 차음 윈도우 평가
외부 시스템에 대한 차음 기여도를 분석하기 위해서 Fig. 6과 같이 시스템을 구분하여 평가하였다(전/후도어파팅갭, 전석도어, 후석도어, 루프, 윈드실드글래스, 테일게이트파팅갭, 테일게이트).
Fig. 7과 같이 기여도 우선순위는 도어파팅갭 > 테일게이트 > 후석도어 > 전석도어 순서이다. 외부시스템의 차음성능은 무빙계 실링을 담당하는 도어파팅갭의 영향을 크게 받으며, 글래스 두께가 취약한 후석도어나 테일게이트의 기여도가 크게 나타나, 후석 인자에 대한 영향을 크게 받는다고 볼 수 있다.
2.3.2 내부 시스템 차음 윈도우 평가
내부 시스템에 대한 차음 기여도를 분석하기 위해서 Fig. 8과 같이 구분하여 평가를 수행하였다. 후석 트림류에 대해서는 별도의 상세평가를 실시하였고, 센터플로어 및 필라트림의 기여도를 확인하였다(A/B필라, 센터콘솔, 전방/중단/후방/힐킥 센터플로어, 시트하단/트렁크부 리어플로어).
Fig. 9와 같이 기여도 우선순위는 리어플로어(트렁크부) > 센터콘솔트림 > 센터플로어(중단부) > B필라트림 순서이다. 리어플로어와 센터콘솔의 기여도는 판넬의 투과 및 실링의 영향으로 추정되며, 센터플로어 중단부는 공조 덕트를 위한 카펫의 절개부의 영향을 받는 것으로 판단된다. 내부 시스템의 결과에서도 후석인자의 영향을 크게 받는 결과를 통해 해치백 차량의 차폐성능에서 후석 인자에 대한 상세 기여도 평가의 필요성을 확인할 수 있었다.
2.4 후석인자의 차음 윈도우 평가
해치백 차량의 차폐성능 취약부인 후석 소음의 전달경로를 추정하고자, 후석부에 대한 SISO (Single Input Single Output)평가를 수행하였다.
소음원은 후륜 타이어로 한정하여, 소음이 유입되는 외부 시스템은 Fig. 10의 왼쪽과 같이 5가지 입력부로 구성하였다(D필라상단판넬, D필라하단판넬, 후방범퍼하단부, 후륜휠하우징부, 후방환기그릴).
외부 시스템을 통과한 소음이 실내공간으로 유입되는 내부 시스템은 전달경로를 유추할 수 있는 최소 트림인 Fig. 10의 오른쪽과 같이 구성하였다(C필라상단트림, C필라중단트림, 러기지사이드트림, 트랜스버스트림).
2.4.1 후석인자의 외부 시스템 윈도우 평가
우선 후석에 대한 상세 차음 윈도우 평가에 앞서 외부 시스템에 대한 차음 기여도를 확인하였다. 이 때 내부 시스템은 최대 차음 조건이다.
Fig. 11의 결과를 통해 후륜휠하우징, 후방범퍼하단부에서 다른 부위보다 상대적으로 많은 에너지의 소음이 전 주파수에 걸쳐 유입되는 것을 확인할 수 있다. 위의 결과로 볼 때 휠하우징부/후방범퍼하단부 판넬의 전달경로 상(예: 내부 휠하우징 판넬)에 실링 취약부가 존재할 가능성이 크다. 따라서 두 주요 소음유입부의 전달경로에 대한 대책이 필요함을 알 수 있다. 그 밖에 후방환기그릴의 기여도가 적게 나타나는 점은 범퍼하단부와 휠하우징부 차음조건으로 인해 유입 소음의 경로가 차단된 영향으로 판단되는데 그럼에도 불구하고 1.5 kHz ~ 3 kHz 성분의 기여도를 확인할 수 있었다.
2.4.2 후석인자의 내부 시스템 윈도우 평가
외부 시스템 중 단일 유입(single input)조건 시 각각에 대한 내부 유입(single output)의 윈도우 평가를 실시하고 그 결과의 의미를 고찰해 보았다.
(1) D필라상단판넬 유입조건
유입된 소음은 주로 C필라상단트림 경로를 통과해 실내로 유입된다. 이 때 D필라 고정글래스를 통한 투과성분의 영향이 크다고 판단된다. 일부는 하단부로 이동하여 러기지사이드트림을 지나 트렁크공간을 거쳐 실내로 유입되는데 1.5 kHz 이하 성분이 주를 이룬다(Fig. 12).
(2) D필라하단판넬 유입조건
유입된 소음은 주로 러기지사이드트림을 통과하는 경로를 갖는다. 동시에 상당량의 소음은 러기지사이드트림을 지나 더욱 상단으로 이동하여 C필라상단트림을 통과하여 실내로 유입된다. D필라하단판넬은 주로 투과성분의 영향으로 추정된다(Fig. 13).
(3) 후방범퍼하단부 유입조건
유입된 소음의 트랜스버스트림 기여도가 낮은 것으로 볼 때, 후방범퍼 사이드부를 통한 유입경로가 존재한다고 판단된다. 이 경로를 지난 소음은 D필라 하단부로 유입되어 러기지사이드트림과 C필라상단트림을 통해 실내로 유입된다. 동시에 C필라중단트림에 존재하는 시트벨트 홀을 통해 1.5 kHz이상 주파수 성분의 소음 기여가 확인된다(Fig. 14).
(4) 후륜휠하우징부 유입조건
가장 많은 소음이 유입되는 조건에서 전달경로는 대부분 C필라상단트림으로 확인된다. 러기지사이드트림이나 트랜스버스트림의 기여도가 적다는 점에서 휠하우징의 전방부 판넬로 직접 투과되어 실내로 유입되는 성분이 매우 크다고 유추할 수 있다. 따라서 휠가드와 휠하우징 판넬의 차음 성능 보강이 필요하다고 판단된다(Fig. 15).
(5) 후방환기그릴 유입조건
후방환기그릴을 통한 소음은 주로 러기지사이드트림과 트랜스버스트림을 통한 유입경로가 유의미하게 나타난다. 1 kHz ~ 2.5 kHz 성분의 주파수 대역이 환기그릴을 통해 유입되는 주요 소음이다(Fig. 16).
이와 같은 상세 분석을 통해 후석 차폐성능에 기여하는 전달경로를 추정할 수 있었으며, 효율적인 개선대책 수립이 가능할 것이다.
2.5 차페성능 개선 방안
차량의 개발과정에서 차폐성능을 확보하기 위한 방안으로 내장 트림류의 실링개선과 흡음재를 적용하는 방법을 주로 사용한다. 따라서 개발과정에서 개선방안으로 고려되는 후석 주요트림과 몇가지 부위에 대한 흡음재 적용에 따른 PBNR 개선량을 측정하여 기여도를 분석하여 보았다.
2.5.1 후석 주요트림의 흡음재 기여도 평가
다음 Fig. 17과 같이 후석 내장부품을 구성하는 트림류에 대해 기여도를 확인하였다(C필라 상단/중단/하단트림, 테일게이트 상단/사이드/하단트림, 러기지사이드트림, 트랜스버스트림).
Fig. 18과 같이 기여도 우선순위는 러기지사이드트림 > C필라하단트림 > 테일게이트사이드트림 > 테일게이트하단트림 으로 확인된다. C필라상단트림의 경우 전달경로 분석 시 큰 기여도를 나타낸 반면, 흡음재 적용 시 개선량이 크지 않았다. 이를 통해 흡음재 보다는 실링/차음 관점에서의 개선방안을 검토할 필요가 있다고 판단된다.
2.5.2 후석 주요 틈새/배면부 흡음재 기여도 평가
다음은 Fig. 19와 같이 차량 개발과정에서 흡음재 적용이 검토되는 후석부위 틈새, 배면부에 대한 기여도를 확인하였다(헤드라이닝 후방부, 트렁크매트 배면부, 커버링쉘프 배면부/틈새, 리어시트하단 틈새, 휠가드 배면부, 후방범퍼사이드 배면부/사이드하단커버 배면부).
Fig. 20과 같이 기여도 우선순위는 커버링쉘프틈새 > 휠가드배면부 > 후방범퍼사이드배면부 > 후방범퍼사이드하단커버 로 확인된다. 후방범퍼사이드배면부와 후방범퍼사이드하단커버의 경우에 적용면적이 매우 작다는 점을 고려할 때 의미있는 개선량으로 보인다. 커버링쉘프의 틈새는 트렁크 공간 소음의 주된 실내유입 경로로 판단할 수 있으며, 휠가드의 흡차음 성능 보강이 큰 기여를 나타내는 것을 확인하였다.
III. 결 론
세단 타입에 비해 해치백 타입의 차량이 실도로 주행 및 PBNR 측정 시 차폐성능이 열세함을 확인하였다. 정량적인 비교가 가능한 PBNR 기반의 차음 윈도우 평가를 통해 후석 소음원의 전달경로를 분석하고 고찰하였다.
준중형 해치백 차량의 후석 차폐성능 확보를 위해 다음과 같은 흡차음 대안을 제시할 수 있다.
1) 차량 무빙계의 파팅갭 기여도가 중요하며 차량의 실링갭이나 웨더스트립의 품질관리가 중요하다. 또한 도어와 테일게이트의 글래스 두께도 일정수준 이상 확보되어야 한다.
2) 후방범퍼하단부를 통한 소음유입의 대책으로 범퍼사이드 배면부 흡음재, 범퍼사이드 하단커버 흡음재 사양을 검토해 볼 필요가 있다. 또한 후륜휠하우징부를 통한 소음유입 대책으로 휠가드의 차음 및 실링 성능을 확보해야 하며, 휠하우징 전방부의 투과성능을 확보하거나 C필라하단트림의 흡음재 사양을 보강해야 한다.
3) D필라상단판넬에 위치하는 리어픽스드글래스의 두께 및 실링을 보강해야하며, 동시에 C필라상단트림의 실링 및 차음 성능을 확보해야한다.
4) 다양한 경로를 통해 트렁크 공간으로 유입되는 소음은 커버링쉘프 틈새를 통해 실내공간으로 전달된다. 따라서 커버링쉘프의 실링구조 확보가 필요하다.
5) 테일게이트 사이드트림에 대한 흡음재 적용 기여도에 주목할 필요가 있다. 특히 테일게이트 사이드트림의 경우 적은 면적임을 고려할 때 의미있는 개선효과를 발생시킨다고 판단된다.
외부환경 변화에 민감한 실도로 주행평가를 통해 차폐성능 개선안을 검토한다는 것은 차량소음 개발자라면 어려움을 많이 느껴왔을 것이다. 정량적인 평가를 통한 해치백 차량에서 후석 소음의 전달경로에 대한 기여 주파수 대역과 기여도를 분석하였고 고주파소음의 개선 방향성을 제시하였다.
향후 이 연구를 통해 얻어진 주파수별 기여도, 기여도 우선순위, 전달경로 분석을 통해 보다 효율적인 차량개발이 이루어질 수 있을 것이라 기대한다.
