에스엠인스트루먼트 - 실시간 음향 카메라 (SeeSV CAM)

Author(s):
김영기 대표이사 - ㈜에스엠인스트루먼트

Industry:
ATE/Instrumentation

Products:
Sound and Vibration Toolkit, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
기존에 초기 개발된 음향카메라 기술에 더하여 소음원 시각화 방법의 가장 최근 기술의 결집할 필요가 있었다.

The Solution:
금번 개발된 실시간 음향 카메라는 소음원을 주파수 특성 및 음질 특성에 따라 분리하여 구별 표시할 수 있는 기능을 가지고 있어, 소음 제어에 활용성이 매우 뛰어나다.

어플리케이션 요약
음향카메라는 자동차, 전자제품, 일반 기계 등에서 발생하는 소음을 실시간으로 보여주는 장비 이다. 현장에서 소음 문제 해결을 위해 소음원의 위치 및 전파 경로 등에 대한 측정 방법이 다양하게 요구된다. 실시간 음향 카메라는 마이크로폰 어레이 및 카메라 컨트롤러를 이용해 소음 발생을 실시간으로 모니터에 보여 줄 뿐만 아니라, 동영상의 녹화 및 스틸사진의 촬영이 가능한 장비이다. 특히 금번 개발된 실시간 음향 카메라는 소음원을 주파수 특성 및 음질 특성에 따라 분리하여 구별 표시할 수 있는 기능을 가지고 있어, 소음 제어에 활용성이 매우 뛰어나다.

개발 배경
소음원의 가시화는 소음 제어를 위한 매우 중요한 과제로 알려져 왔다. 소음의 특성상 소음원 파악을 주로 귀에 의존하게 되므로, 이를 시각적으로 가시화하면, 현장에서의 소음제어에 큰 변화를 가져올 수 있다. 따라서 기존에 초기 개발된 음향카메라 기술에 더하여 소음원 시각화 방법의 가장 최근 기술의 결집할 필요가 있었다. 그 동안 Off-Line형태로 시행되어 오던 소음원의 촬영을 실시간 온라인으로 할 필요가 있었다. 또한 신호 처리 기술을 이용하여, 소음을 주파수별 음질별로 구별하여 표시하는 기능을 추가하여 소음을 구별 표시할 필요가 있었다.
음향카메라는 다수의 마이크로폰의 신호 컨디셔닝 및 동시 샘플이 필요하다. NI사의 PXI 시스템 및 DSA 보드는 이러한 문제점에 대한 솔루션을 제공했다. 특히 NI-4472보드는 마이크로폰 사용을 위한 IEPE 신호 컨디셔닝을 제공하고, 24비트의 고해상도, 동시 샘플링 등 소음 진동 측정에 완벽한 솔루션을 제공한다. 또한 48개의 채널을 단일 섀시에 장착할 수 있어 이동도 편리하며, 가격적으로 강점을 갖는다.
소프트웨어 개발의 경우, LabVIEW를 이용하면 비전과 데이터 처리의 동시 접근이 가능하며, 데이터 속도 측면에서도 많은 향상을 가져올 수 있다.

본론
1. 측정 장비
측정 장비는 마이크로폰 어레이와 NI PXI로 구성된 데이터 측정장비와 컴퓨터로 구성된다. PXI 섀시에 Express Interface를 사용하여 노트북과 연결하였다. 이동성의 확보가 요구되므로 내구성이 좋은 PXI 장비와 노트북의 조합으로 견고한 장비의 구성이 가능하였다.

그림 1. 실시간 음향 카메라의 구성

2. 소프트웨어
NI LabVIEW를 이용해 개발된 음향카메라 소프트웨어는 비전과 데이터 처리를 실시간으로 구현하고 혼합하여 출력한다. LabVIEW의 IMAQ Module과 Sound and Vibration Module을 사용하여 처리 효율을 높임으로써 모든 처리 과정의 실시간화가 가능하였다.

그림 2. LabVIEW를 이용해 구성한 실시간 음향카메라 소프트웨어

3. 적용 사례
3.1 소음윈의 구별 측정
귀에 거슬리는 소음만 찾아 내기 위해 음질 구분 알고리즘을 추가 하고 이를 시험하였다. 그림 3은 깡통에서 발생하는 Transient 소음과, 스피커에서 발생하는 순음 성분을 구별한 예이다.

그림 3. 음향카메라를 이용해 Transient Noise와 Stationary 소음을 구별 표시한 예

3.2 프린터 소음의 측정
레이저 프린터에서 발생하는 소음을 촬영하였다. 작동 메커니즘에 따라 소음원이 이동하는 것을 실시간 확인할 수 있다.

 
그림 4. 프린터 소음원의 실시간 표시

3.3 자동차 도어 및 시트의 이상 소음
소음 구별 기능을 이용하여 이상 소음만을 구별하여 표시할 수 있다. 그림 5는 자동차 도어 및 시트에서 발생하는 이상 소음을 표시한 예이다.

그림 5. 자동차 도어 및 시트의 이상 소음 발생 위치 구별 표시

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
본 솔루션의 개발로 음향 카메라의 버전을 한 단계 상승할 수 있었다. 기존의 Off-Line 개념의 음향 카메라를 실시간 카메라로 인식할 수 있는 계기가 되었다. 또한 음질 구별 기능을 추가함으로써 음향카메라의 성능 및 활용도를 크게 향상할 수 있었다. 이러한 솔루션 개발은 NI의 IMAQ과 Sound and Vibration의 강력한 기능을 통해서 이루어 졌으며, 이러한 개발 편의성은 계속해서 음향카메라 기술의 발전을 이끌 것이다.

NI 솔루션이 채택된 이유
-. 유연한 구성으로 빠른 하드웨어 구성 및 소프트웨어 개발이 가능하다.
-. 이동성이 강하고, 야외시험에 따른 안정성이 확보된다.
-. 비전과 데이터 측정이 동시 가능하다.

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김영기 대표이사
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