에스엠인스트루먼트 - 고속열차(KTX) 및 자기부상열차 소음 스캐너

Author(s):
김영기 대표이사 - 에스엠인스트루먼트

Industry:
Transportation

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

The Challenge:
고속 운행(300km/h)로 생활의 혁명을 가져온 고속열차 (KTX)의 경우 차실 내 소음이 이슈화 되어 왔다. 이러한 소음은 차량의 외부에서 발생되는 유체 유동 소음에 의해 기인된다고 추정되어 왔으나, 이를 뒷받침하는 개관적인 측정자료나 연구결과가 미비하였다.

The Solution:
본 어플리케이션은 48개의 마이크로폰과 데이터 취득 장비로 구성되어 소음 정보를 측정하고 가시화 한다.

요약
운행중인 고속열차 (KTX) 및 자기부상열차의 소음을 측정하여 동영상으로 가시화하는 음향카메라를 제작 공급하였다. 본 어플리케이션은 48개의 마이크로폰과 데이터 취득 장비로 구성되어 소음 정보를 측정하고 가시화 한다. 음향카메라는 300km/h로 고속 진행중인 KTX 및 고유의 시험선로에서 운행중인 자기부상열차에 근접하여 설치되어 소음원 영상을 취득한다. 실제 열차가 운행 중일 때 발생되는 열차 전체의 소음을 단시간 내에 측정할 수 있는 유일한 방법으로 알려져 있으며, 강력한 강점을 갖는 어플리케이션이다.

개발 배경
고속 운행(300km/h)로 생활의 혁명을 가져온 고속열차 (KTX)의 경우 차실 내 소음이 이슈화 되어 왔다. 이러한 소음은 차량의 외부에서 발생되는 유체 유동 소음에 의해 기인된다고 추정되어 왔으나, 이를 뒷받침하는 개관적인 측정자료나 연구결과가 미비하였다. 따라서, 음향카메라를 이용해 차량의 외부 소음을 촬영함으로써 고속 열차 (KTX)의 소음 문제 해결에 획기적인 전기 마련이 필요하였다.
자기부상열차는 저소음 열차로 알려져 있어 비교적 소음문제가 적으나, 외부에서 특유의 전기적 소음이 발생하여 이를 해결하는 것이 개발 과제 중의 하나이다. 전기적 소음은 자기부상열차 하부의 모터에서 주로 발생되는 것으로 알려져 있으나, 소음원의 방사 특성이나, 각 모터의 상대 비교 등을 위한 측정방법이 존재하지 않았다. 따라서, 음향카메라를 이용한 외부 소음 촬영이 필요하였다.
음향카메라는 다수의 마이크로폰의 신호 컨디셔닝 및 동시 샘플이 필요하다. NI PXI 시스템 및 DSA 보드는 이러한 문제점에 대한 솔루션을 제공했다. 특히 NI-4472보드는 마이크로폰 사용을 위한 IEPE 신호 컨디셔닝을 제공하고, 24비트의 고해상도, 동시 샘플 등 소음 진동 측정에 완벽한 솔루션을 제공한다. 또한 48개 채널을 단일 섀시에 장착할 수 있어 이동도 편리하며, 가격적으로 좋은 강점을 갖는다.

본론
하드웨어
고속 열차의 경우, 그림 1과 같이 방사형 마이크로폰 어레이를 선로에 근접시켜 설치하고, 열차가 진행하는 약 4.5초간 소음을 스캔 하였다. 총 48개의 마이크로폰을 사용하였으며, NI PXI-4472를 이용하여 동시 샘플 하였다.

그림 1. 방사형(Spiral) 마이크로폰 어레이를 이용한 음향 스캐너 구성
(고속열차 속도: 297km/h, 측정구간: 오송,
마이크로폰 수: 48, 측정 장비: NI PXI-4472)

자기 부상열차의 경우, 공간적인 분해능의 향상을 위해 X-Shape 마이크로폰 어레이를 사용하여 측정하였다. 그림 2와 같이 장비를 설치하고 측정하였다.

그림 2. 자기부상열차 하단부 음향 스캐너
(어레이 형태: X-Shaped, 마이크로폰 수: 48,
측정 장비: NI PXI-4472, 측정 구간: 한국기계연구원 시험 선로)

소프트웨어
고속 열차의 소음 촬영결과 열차의 소음 발생 주요부를 시각적으로 확인할 수 있다. 그림 3은 전제 주파수에 대한 주요 소음 발생부위를 도시하고 있다. 팬토그라프 및 열차의 전두부에서 강한 소음이 발생하고 있음을 알 수 있다. 그림 4는 이슈가 되고 있는 저파수 소음이며, 객차와 객차 사이에서 발생함을 알 수 있다. 또한 특정열차 및 객차에서 강하게 발생하는 경우도 있음을 확인할 수 있다.

그림 3. 고속열차의 소음 스캔 사진

그림3은 진행 방향의 선두부, 바퀴, 펜토크라프 부분에서 소음이 발생하고 있음을 보여준다

그림 4. 고속열차 저주파 소음 스캔 사진

20량의 열차 전체에 대한 소음 사진을 보여준다. 객차와 객차 사이에서 소음이 발생하며, 객차별로 소음 분포가 틀린 것을 확인할 수 있다.

자기 부상열차의 주요 소음원은 객차 아랫부분에 장착된 선형 모터(Linear Motor)임을 그림 5의 소음 스캔 사진에서 확인할 수 있다. 또한 총 6개의 선형 모터의 소음 발생 크기를 상대적으로 비교하여 볼 수 있다.

그림 5. 자기 부상 열차의 소음 스캔 사진

위 그림은 객차 하부의 선형 모터에서 소음이 발생하고 있음을 보여 준다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
본 솔루션 개발로 고속열차 및 자기부상열차의 소음원 확인이 가능해졌다. 특히 고속열차의 경우 저주파수에서 “붕붕”거리는 고속열차 특유의 소음이 객차와 객차 사이의 연결부 및 바퀴에서 주로 발생됨을 명확히 확인할 수 있었다. 또한, 이동하는 물체에 대한 음향카메라를 상용화 개발함으로써, 앞으로 자기부상열차의 개발과정에서 사용되어 세계적인 수준의 자기부상열차 개발이 가능하게 되었다.
음향카메라를 이용한 고속열차 및 자기 부상열차의 측정은 외국의 연구기관에서 일부 시도된 바 있으나, GUI등을 갖춘 상용제품은 출시된 바 없다. NI의 LabVIEW는 단 기간 내에 신규 소프트웨어를 완벽하게 구성할 수 있게 해주었다. 또한, 편리한 GUI를 통한 상용화로 곧바로 연결시켜 개발된 소프트웨어를 사업 목적에 상시 사용할 수 있게 되었다.

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

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김영기 대표이사
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