한국항공우주연구원 - NI SC-2345를 이용한 차음 벽체 투과손실 측정 시스템 개발

Author(s):
김영기 선임연구원 - 한국항공우주연구원 다목적위성사업단 우주시험그룹

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
Data Acquisition, SC Series Devices, PXI/CompactPCI, Measurement Studio for Visual C++, SCC

The Challenge:
발사체의 개발과정에서 차음 판넬의 특성 측정 및 선정은 중요하고 반복되는 과정이다. 반복 측정에 따른 효율성 증가와 오차의 저감을 위해 측정과정의 단순화 및 정확도 향상이 요구되었다.

The Solution:
한국항공우주연구원에서 개발 중인 소형위성발사체(KSLV-I) 패널의 차음 특성 및 일반 차음 패널의 투과손실 측정과정을 NI SC-2345, PCI-4474, NI DAQCard-6036E 및 관련 제품을 이용해 성공리에 수행하였다.

요약 :

한국항공우주연구원에서 개발 중인 소형위성발사체(KSLV-I) 패널의 차음 특성 및 일반 차음 패널의 투과손실 측정과정을 NI SC-2345, PCI-4474, NI DAQCard-6036E 및 관련 제품을 이용해 성공리에 수행하였다. 차음 특성인 투과손실은 ISO에 규정한 두 개의 잔향실법(ISO 140/3)에 의해서 수행하며, 소음의 발생, 여러 지점에서의 잔향 시간 측정, 소음 측정, 마이크로폰 붐의 이송 등 여러 단계의 측정과정을 거친다. 이번 시스템 개발에서는 전 과정을 모두 자동화 하였으며, 이를 일반 차음 패널에 적용화 할 수 있도록 범용화 하여 개발하였다. 개발 과정에서 내쇼날인스트루먼트의 SC-2345, DAQCard-6036E, PCI-4474 및 Measurement Studio를 사용함으로써 단 기간 내에 정확도 및 신뢰성을 확보한 시스템을 개발할 수 있었다. 또한 한국기계연구원 음향그룹의 검증과 참여 중소기업(에스엠테크놀로지, 대표 이영미)의 적극적인 노력으로 개발된 제품이 시장에 출시될 예정이다.

개발 배경 :

우주발사체의 상부에 위치하여 위성을 운반하는 패어링은 위성을 보호하기 위하여 차음효과가 뛰어난 허니콤 판넬을 사용한다. 차음이 적절치 않은 경우, 위성이 약 150dB이상의 소음에 노출되어, 태양전지판 등의 부품이 손상될 수 있다. 따라서, 발사체의 개발과정에서 차음 판넬의 특성 측정 및 선정은 중요하고 반복되는 과정이다. 반복 측정에 따른 효율성 증가와 오차의 저감을 위해 측정과정의 단순화 및 정확도 향상이 요구되었다.

차음 특성 측정은 우주발사체 뿐만 아니라, 일반 벽체, 선실의 벽체, 청정패널 등 많은 응용 예를 가지고 있다. 실제로 한국기계연구원에서는 상업적인 측정 서비스를 제공하고 있으며, 측정 자동화를 필요로 하고 있었다. 반복되는 측정을 자동화하여 측정인원을 줄이고, 측정값의 반복성 및 정확도를 늘이고자 하는 노력이 있어왔다.

본론 :

개발된 판넬 혹은 벽체의 차음 특성은 ISO, KS 및 ASTM규격에 의한 투과손실측정을 통해 정확히 나타낼 수 있다. 건축 자재, 선박 선실자재, 청정자재, 공업용 재료 등 차음을 목적으로 생산되는 판넬 혹은 벽체는 투과손실을 측정함으로써, 전문 차음 재료로 탈바꿈 할 수 있다. 또한 우주발사체와 같이 차음 성능이 극도로 중요한 재료의 경우, 반복되는 시험과 정확한 결과가 요구된다. 따라서, 한국항공우주연구원에서는 한국기계연구원, 에스엠테크놀로지와 협력하여 자동 측정 시스템 STLMeasTM를 개발하였다.

STLMeasTM는 빠른 시간 내에 ISO, KS 및 ASTM규격에 따른 정확한 투과손실을 측정하여 패널의 개발에 따른 일정을 단축시킨다. 자동화된 측정과정을 통해 별도의 전문인력 없이도 운용할 수 있다. STLMeasTM는 여러 지점을 옮겨가며 잔향시간을 측정하고, 다시 투과손실을 측정하여 이를 후처리하는 일련의 과정을 완벽하게 자동화 한다. STLMeasTM은 기존의 방법에 비해 측정시간을 최대 1/10이상 단축시킬 수 있으며, 처리과정에 따른 오류를 최소화 한다.

STLMeasTM는 시스템의 내구성 향상을 위해 STLMeasTM은 산업현장에서 신뢰도를 검증받은 하드웨어를 선정하여 구성되었다. 내쇼날인스트루먼트의 음향/진동 데이터 취득장치(DAQCard-6036E 또는 PCI-4474 DSA)와 앰프모듈을 사용하여 보장된 내구성과 완벽한 유지보수 시스템을 갖추었다.

마이크로폰의 정확한 위치제어 및 저소음 실현을 위하여 모터에 베이링 구조 및 인클로져구조를 채택하였다. 마이크로 스텝드라이버를 이용하여 0.07도까지 정확한 제어가 가능하며, 자동 운전 모드 및 수동운전 모드가 모두 가능하다. 모터의 구동은 PCI-6036E의 Counter /Pulse기능을 이용하여 빠르고 정확하게 구현할 수 있었다.

측정이 끝난 즉시 성적서 발행이 가능하도록 성적서 발행기능을 갖추고 있다. 성적서는 마이크로소프트 엑셀을 프로그램이 자동으로 로드하여 작성하며, 사용자의 취양에 따라 폼을 편집할 수 있는 기능을 갖추고 있다. 시편에 대한 설명 및 측정조건 등 ISO, KS, ASTM에서 권고하는 보고서 양식으로 작성된다. 또한 프로젝트의 저장 및 불러오기 기능이 완벽히 지원되어 모든 측정결과의 저장이 가능하다. STLMeasTM은 내쇼날인스트루먼트의 Measurement Studio의 막강한 사용자 인터페이스 기능을 활용함으로써, 다양한 그래프의 출력 및 인쇄가 가능하다.

그림 1. 내쇼날인스트루먼트의 데이터 수집 보드를 내장한 차음 벽체 투과손실 측정 시스템, STLMeasTM

STLMeasTM의 측정 신뢰성은 공인기관에서 검증되었다. 한국기계연구원에서 실시한 시험 (Reproducibility 측정)에서 STLMeasTM은 전 주파수 영역에서 ±0.15dB이내의 정확도를 획득하였다. 이는 내쇼날인스트루먼트의 데이터 수집 솔루션을 기본으로 한 측정 시스템의 성능을 증명한다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :

NI SC-2345, NI 데이터 수집 솔루션을 이용함으로써, 기존의 번잡하고 사용이 어려운 고가의 장비들을 대신하여 통합된 단일 시스템을 개발할 수 있었다. 특히, 모든 측정과정을 사용자의 요구에 맞게 자동화 하여 기존 측정 시스템에 비해 측정시간을 1/10이하로 단축할 수 있었다. 또한 측정과정에서 발생할 수 있는

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김영기 선임연구원
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