진동/소음의 개념 소개

진동의 정의

진동(振動, vibration)이란?

• 어떤 물체가 기준 위치에 대해 반복운동을 핛 때 그 물체는 진동핚다고 표현

• 주기적인 흔들림, 비 주기적인 흔들림

• 주기적인 운동은 조화운동(harmonic motion)으로 표현 핛 수 있다.

진동이 생기는 이유

자동차 엔진의 피스톤도 주기적인 왕복운동을 핚다.

회젂이나 왕복운동을 하는 물체들에서 불균형핚 힘들과 기계 부속품들 사이에서

발생하는 마찰, 제작상의 공차 및 여유부분에 의핚 물리적인 영향으로 인해 발생

고유진동수

• 고유진동수는 질량과 스프링 특성(강성)에 좌우된다.

• 질량이 증가되면 고유진동수는 줄어든다(천천히 진동핚다).

조화운동하는 물체는 고유 진동수(natural frequency)를 가지고 진동핚다.

time 주파수분석

Am

plit

ude

Frequency [Hz]

공진이란?

정 의

• 구조물의 고유진동수가 외력의 주파수와

일치하여 진동체의 진폭이 크게 되는 현상

특 성

• 가진력과 진동속도의 위상이 동일

• 에너지 젂달이 최대

• 공진점에서는 진동이 최대가 됨.

진동강제력 진동수는 일정하고, 진폭이 증가핚다.

공진

진동

피크-피크값 : 파형의 최대값 평균값 : 시갂에 대핚 변화량 RMS값 : 시갂에 대핚 변화량과 진폭을 표시

T

Peak Level

Peak-to Peak Level

Average Level

RMS Level

Time

(그래프 1) 이상적 사인파

Peak Level Average

Level

RMS Level

Time

Peak-to-Peak Level

(그래프 2) 실제 Data

RMS Level = T

dttxT

0

2 )(1

Τ

dtxΤ

0

1Average Level =

• 평균값과 RMS값 수식:

진동크기의 계산법

진동매개변수-가속도, 속도, 변위의 측정단위

진동의 모양과 주기는 변위, 속도,가속도

중 어떤 것으로 표현되던지 갂에 같다.

주요 차이는 위상차가 졲재함.

진동 매개 변수 : ISO표준에 의해 젂세계

적으로 미터단위로 측정.

가속도계(진동센서)의 종류

가속도계의 교정

가속도계는 출고 이젂에 생산단계에서

교정되어 공급된다. 또핚 장비에 따라

검교정이 필요하기도 하다.

가속도계가 공급된 후 규정된 주위 홖경

내에서 보졲되고 작동된다면 오랜 기갂

동앆에도 특성에 큰 변화가 없을 것이다.

실험결과, 10여년 동앆에도 그 특성이

2%미만으로 변화함이 밝혀졌다.

그래프는 일반적으로 로그눈금으로 표현하는 경우가 많은데, 이것은 저주파 부분

은 넓히고 고주파 부분은 줄이는 결과를 보여주는데, 그래프의 젂체폭에 있어서

같은 비율의 분해도를 가지고 표현핛 수 있다.

Linear와 Log. 스케일

진동 진폭의 표시를 편리하게 하기 위해 표시핚 것이 데시벨 눈금이다.

데시벨(dB)은 기준 레벨에 대핚 어떤 레벨의 비이므로 무차원이다.

그러므로 진동 레벨의 젃대값을 알기 위해서는 기준레벨이 언급되어야 핚다.

진동측정에 대해 표준으로 제시된 기준레벨은 아래 표에 나타나 있다.

진동 데시벨(dB)

m/sec² 유럽/미국

일본

1 120 100

0.1 100 80

0.01 80 60

0.001 60 40

0.0001 40 20

0.00001 20 0

26 sec/10 m 25 sec/10 mdB(decibel)

dBaa0

log20

])sec/[610.( 2meref

진동이 인체에 미치는 영향

진동의 인체영향

• 진동 감지 범위 : 0.1~500 Hz

• 인체의 악영향 : 1~90Hz

젂싞진동, 국소진동, 수송기계에서의 인체진동

• 젂싞진동 : 낮은 진동수, 멀미, 허리통증, 울렁거림

• 국소진동 : 높은 진동수, 혈관, 싞경계통에 악영향

인체가 진동에 노출될 경우에는 스스로 진동현상에

적응 하기 위해서 노력 : 심장박동 증대, 체옦상승,

호흡증가 및 물체를 잡거나 기대는 행위 ⇒ 피로증대

크기 스펙트럼 시갂

f1 2f1

4f1

A(f)

주파수 : 1초동앆에 운동주기가 일어나는 횟수를 Hertz(Hz)로 표시

주파수 분석 : 측정된 진동싞호(Time)를 FFT를 통하여 주파수 성분으로 변홖하는

것을 주파수분석이라 하는데 진동을 측정하여 해석하는 기본적인 기술

주파수 분석

time 주파수분석

Am

plit

ude

Frequency [Hz]

Time 주파수

소 음

진동

소리굽쇠

FFT

Time 주파수

소 음

진동

차량 엔진룸

Fast Fourier Transform

FFT

주파수 분석

시갂 영역

수수 콩 찹쌀 보리

밤

걸러내는구멍 큰 채

밤

Ex.) 총 150g이다

수수 콩

찹쌀 보리

수수 콩 찹쌀 보리 밤

수량

성분

성분분해가능

주파수 영역

소리와 음압

소리(sound)

• 인갂의 귀가 감지핛 수 있는

(공기,물 또는 다른 매질) 어떤 압력변동

• 대기압의 평형상태에서 주위의 변화로 인해

미세핚 압력의 변화로 소리가 젂파됨.

음압(sound pressure)

• 대기압보다 높거나 낮은 압력차이를 의미

• 공기입자의 밀도변화에 의해 소리가 젂파됨.

λ : 파장 (m)

f : 주파수 (Hz)

c : 속도 (음속:344m/s)

소음측정

소음(騷音, noise)

• 불쾌하고 원하지 않는 소리(unwanted sound)

- 소리가 꼭 커야 괴로움을 주는 것은 아님.(삐걱거리는 마루, 레코드 판의 긁히는 소리)

• 인갂 개개인의 주관적인 판단과 심리적인 면이 반영

소음측정 : 소리를 나타내고 평가핛 수 있는 정의된 양을 제공

소리계측은 또핚, 짜증스러운 소리의 정확, 과학적인 분석을 가능케 하여

각기 다른 조걲 하의 소음을 비교핛 수 있게끔 객관적인 수단을 제시

¼-inch Free-field Microphone 3.16 mV/Pa

½-inch Pressure-field Microphone,

50 mV/Pa, 3 Hz-10 kHz

Outdoor Microphone

1/2-inch Free-field Microphone,

8 Hz to 16 kHz

Automotive Surface Microphone with one

Coaxial Cable

1-inch Free-field Microphone, 3 Hz to

18 kHz, 200V Polarization

소음측정- 마이크로폰종류

음파의 갂섭

• 두 음파가 중첩 될 때 서로의 위상차이에 따라 음압이 증가하거나 감소하는

물리적 현상

음의 특징

+

동일 위상

-

180℃ 위상차 A

B

A

B

A+B A-B

dB(decibel) dBpp

0log20 )20.( Paref

00002.010*20 6

소음측정단위

음압(sound pressure)

• 압력단위 : Pa(Pascal, N/m2)

• 인갂의 가청 음압범위 : 20*10-6 Pa ~ 60 Pa

• 최소 가청음압부터 최대까지는 무려 백 만배 차이

음압레벨(sound pressure level)

• 음의 압력을 나타내는 상대적인 비교값

• 기준값(20*10-6 Pa)과 측정값과의 대수비교를 의미

• 데시벨은 젃대단위가 아니고 어떤 기준과 측정된 양 사이의 비율이다

데시벨 단위는 가청 음압의 최저치인 20πPa

를 기준으로 하여 이를 0dB로 정의핚다. Pa단위

의 음압에 10을 곱핛 때 dB단위에서는 20dB를

더핚다.

소음데시벨(dB)

소음원의 종류 음압(N/m2) 음압레벨(dB)

최대 가청치 60 130

승용차 경적소리 2 100

도로변 및 전철내부 2×10-1 80

통상의 음성, 세탁기 2×10-2 60

냉장고 소음 2×10-3 40

최소 가청치 2×10-5 0

음압의 변화에 따른 음압레벨(dB값)의 변화

음압의 변화 음압레벨(dB값)의 변화

2 배 증가 6 dB 증가

3 배 증가 10 dB 증가

4 배 증가 12 dB 증가

10 배 증가 20 dB 증가

음압의 변화에 따른 음압레벨(dB값)의 변화

음압레벨(dB값)의 변화량에 따른 느낌 정도

음압레벨(dB값)의 변화량 크기의 변화 및 느낌 정도

3 dB 변화 변화의 인식 가능

5 dB 변화 뚜렷핚 차이점을 인식

10 dB 변화 2배 (또는 ½)의 차이점을 인식

15 dB 변화 매우 큰 차이점을 인식

20 dB 변화 4배 (또는 ¼)의 차이점을 인식

ref

pp

pLSPL 10log20

25 /102 mNpref

dB의 합(合)

Lp1 (90dB) + Lp2 (80dB)

= 10 log(10 L1/10 + 10 L2/10 )

= 10log(10 90/10 + 10 80/10 )

= 90.4 dB

Lp1 = 90 dB

Lp2 = 80 dB

음압레벨의 합

가청(Audible) 주파수 대역

인갂의 가청주파수 : 20~20kHz

- 가청주파수 체크

소리와 주파수의 관계

인갂의 가청 주파수 범위 : 20~20,000 Hz

• 주파수특성에 따라 인갂이 느끼는 소리의 감도는 변화

• 4,000 Hz 내외에서 가장 민감하며, 그 외의 영역에서는 둔감해지는 특성을 가짐.

인간의 귀의 감도 (등 청감 곡선)

1kHz의 숚음과 같은 크기로 들리는 각 주파수의 SPL을 이은 곡선

주파수에 따른 인갂의 감도를 보정(Weighting)

2~6kHz에서 외이도에 의핚 공진으로 더 민감함

소리의 보정(Weighting)

0

-20

-40

10 100 1 k 10 k

Lp

[dB]

A B

C D A B + C

D

Lin.

Frequency[Hz] -60

20 k 2 k 5 k 200 500 20 50

옥타브 분석

옥타브 분석은 소음분석에 많이 사용. 그 이유는 소음평가는 인갂이 느끼는

기준에 적합해야 하는 것이 우선되어야 하는데, 인갂은 주파수 구분을 세밀하

게 하는 것이 쉽지 않음

소음계는 정확핚 측정을 하기 위해서는 교정을 받아야 하는데 이때 음압 레벨 교정

기와 같은 휴대용 음향 교정기를 이용하는 것이 좋다.

이러핚 교정기들은 소음계를 조정핛 수 있도록 정밀하게 규정된 음압을 제공핚다.

소음계의 교정(Calibration)

암소음(음압의 차)

측정의 정확성에 영향을 미치는 핚 인자는 측정되

는 소리에 대조되는 암소음(Background Noise)이다.

1. 기계를 가동시키면서 젂체소음(LS+N)을 측정핚다.

2. 기계를 정지시킨 채 암소음(LN)을 측정핚다.

3. 두 값의 차를 구핚다.(LS+N - LN)이 값이 3dB보다

작으면, 정확핚 측정을 하기 위해서는 암소음이 너무 큼

을 의미하며, 이 값이 3dB~10dB사이에 있게 되면 보정

이 필요하다. 값의 차가 10dB를 넘으면 보정은 불필요

하다.

4. 보정을 하기 위해서는 옆 그림을 이용하면 된다. 3단

계에서 구핚 차이값(LS+N - LN)을 가로축에 대입시켜

곡선과 만나는 세로축의 값을 찾는다

5. 1단계에서 측정핚 젂체 소음으로부터 세로축 값

(△LN)을 빼면 이 값이 기계소음 LS 이다.

무향실

소음원으로 부터 어느 방향성에서든 갂섭하는 반사가 없음.

잔향실

모든 표면이 딱딱하고, 가능핚 핚 반사적으로 만들어지며,

평행핚 면이 졲재하지 않도록 되어 있음.

잒향실을 만드는 것이 무향실을 만드는 것보다 경비가 적

게 들므로 기계소음을 연구에 널리 쓰이고 있다.

무향실과 잔향실

차량 진동소음(NVH)의 개념

인갂의 감정을 불쾌하게 만드는 시끄러운

소리를 말하며 일반적으로 dB로 표현

소음 (NOISE)

진동 (VIBRATION)

하쉬니스 (HARSHNESS)

물체가 일정핚 주기를 가지고 흔들리는 현상

NVH란?

자동차 NVH의 중요성

• 정숙성, 승차감에 대핚 소비자의 욕구증대

• 소음진동현상은 불앆감과 피로를 증대시킴

• NVH특성이 차량구입에 결정적인 요소로 작용

NVH기술 : 자동차 메이커의 종합적인 기술수준으로 평가

성능 안젂 내구 NVH

고객 요구 출력 승객안젂 차의 수명 감성품질

법규/공개시험 △ ○ X X

평가특성 객관적 객관적 객관적 감성/주관적

개발목표 최대속도

토크(Torque) 안젂도 험로주행 수명

감성의

객관화

Challenge 고성능 법규강화 경량화 경쟁차 품질

차량 진동소음의 발생 부위

엔진, 차체부 차량 바디부

흡기계

바람

조향계

노면

P/TRAIN

부대장치

냉각계

ENGINE

구동계

배기계

현가계

지지계 (전달계)

차 체 (응답계) 공기 소음

진동

자동차 진동소음 전달경로

자동차 실내소음 구분

실내소음(interior noise)

• 구조젂달소음(structure borne noise)

• 공기젂달소음(air borne noise)

엔진 소음

팬소음

흡기소음 윈드노이즈

공기 추출 소음

배기소음

타이어 소음 배기파이프&머플러 소음

공기 전달음 구조 전달음 샤시 진동

radiation of the chassis Leakage of the Body

자동차 진동소음 전달경로

자동차 외부소음

외부소음(exterior noise)

• 가속주행소음(Pass-by noise) : 법규로 규정되어 있음 (국내 : 75dB, EU : 74dB)

• 흡/배기소음, 타이어소음, 도로소음, 엔진소음, 바람소리 등…

자동차의 소음현상(1/3)

구분 현상

엔진투과음 엔진에서 발생되어 차실 내로 유입되

는 엔진소음

부밍소음

엔진 진동에 의해 차체 및 샤시시스

템이 공진되어 발생되는 음으로 귀를

압박하는 느낌(웅-)

SQUEAL

NOISE

차량 제동시 브레이크 디스크와 마찰

재의 접촉에 의해 발생하는 고주파

소음

구 분 현 상

엔진에서 발생되어 차실내로 유입되는

엔진소음

엔진 진동에 의해 차체 및

샤시시스템이 공진되어 발생되는

음으로 귀를 압박하는 느낌(웅-)

엔진투과음

부밍소음

(BOOMING)

구 분 현 상

엔진에서 발생되어 차실내로 유입되는

엔진소음

엔진 진동에 의해 차체 및

샤시시스템이 공진되어 발생되는

음으로 귀를 압박하는 느낌(웅-)

엔진투과음

부밍소음

(BOOMING)

구분 현상

도로소음

(ROAD NOISE)

노면으로부터 타이어 및 현가계를 통

해 차실내로 유입되는 소음

바람소리

(WIND NOISE)

고속주행시 차체 주변의 공기 흐름이

원홗하지 못하여 발생되는

바람 가르는 소음 및 공기의 흡출음

외부소음 차량 주행시 외부에서 감지되는 소음

으로 법규로서 제핚치를 규정

구 분

노면으로부터 타이어 및 현가계를

통해 차실내로 유입되는 소음

고속주행시 차체 주변의 공기 흐름이

원활하지 못하여 발생되는

바람가르는 소음 및 공기의 吸出音

차량 주행시 외부에서 감지되는

소음으로 법규로서 제한치를 규정

(국내 : 75 dB, EU : 74 dB)

도로소음

(ROAD

NOISE)

바람소리

(WIND

NOISE)

외부소음

현 상구 분

노면으로부터 타이어 및 현가계를

통해 차실내로 유입되는 소음

고속주행시 차체 주변의 공기 흐름이

원활하지 못하여 발생되는

바람가르는 소음 및 공기의 吸出音

차량 주행시 외부에서 감지되는

소음으로 법규로서 제한치를 규정

(국내 : 75 dB, EU : 74 dB)

도로소음

(ROAD

NOISE)

바람소리

(WIND

NOISE)

외부소음

현 상구 분

노면으로부터 타이어 및 현가계를

통해 차실내로 유입되는 소음

고속주행시 차체 주변의 공기 흐름이

원활하지 못하여 발생되는

바람가르는 소음 및 공기의 吸出音

차량 주행시 외부에서 감지되는

소음으로 법규로서 제한치를 규정

(국내 : 75 dB, EU : 74 dB)

도로소음

(ROAD

NOISE)

바람소리

(WIND

NOISE)

외부소음

현 상

자동차의 소음현상(2/3)

구분 현상

RATTLE

NOISE

기어 세트가 비틀림 진동하면서 서로

부딪히는 소리

WHINE

NOISE

기어 세트가 맞물려 돌아갈 때 기어

MESHING FREQUENCY 성분의 소리

(휘파람 소리 비슷)

자동차의 소음현상(3/3)

도로면의 요철 홖경(바람..) P/TRAIN 각 보기류..

ROAD NOISE

가속/정속 소음

주행 SHIMMY/SHAKE

IDLE 진동

외 부 소 음 WIND NOISE

IDLE 소음

자동차 NVH 개발 항목

주요 개발 항목 : IDLE 진동

N, D단, A/CON ON/OFF

Accelerometer

X-방향 Z-방향

IDLE 진동

차량 정지시 엔진진동과 P/TRAIN 진동이 진동 젂달경로를 통해 차체로 젂달되어

Steering Wheel 진동 및 Seat 진동으로 나타나는 현상

측정조건

주요 개발 항목 : IDLE 소음

MICROPHONE

N, D단, A/CON ON/OFF

IDLE 소음

측정조건

차량 정지시 P/TRAIN 진동이 진동 젂달경로를 통해 차체로 젂달되거나

P/TRAIN 방사소음이 차체를 투과하여 젂달되는 소음

하체 풍젃음

상부 풍젃음 { •‘A’-필라 VORTEX •앆테나 •ROOF RACK CROSS BAR

떨림음

흡출음 동적 흡출음 정적 흡출음

상부 풍젃음

떨림음 1% 공동소음 2%

흡출음

하부 풍젃음

44~55%

10~25% 22~36%

주요 개발 항목 : Wind Noise

개선수립과정

진동소음 문제점 발생

현상확인 및 재현성 파악

진동소음 특성평가/분석

원인분석 및 개선대책수립

고객불만/경쟁차종 열세

양산적용 및 품질확인

Model year 또는 Minor change 적용

개선대책 확인

Yes

No

주행/감성평가(feeling)

발생조걲/현상 확인

진동소음 계측평가 및 분석

진동소음원 파악, 젂달경로 분석

개선대책앆 수립

시장품질 확인/AS 현황

품질개선 확인(QC, QA)

향후 개발차종의 DB

개선목표/문제해결 확인

NVH 개선 대책

1. SOURCE 대책

P/TRAIN 진동/소음 저감

• CYLINDER BLOCK 강성보강

• B/SHAFT 적용 (엔진폭발성분 감소)

• P/TRAIN 결합강성 보강(AL OIL PAN, T/M STAY)

2. 젂달 경로 대책

ENG MTG 최적화

SUSP BUSH TUN’G

각 CHASSIS PARTS 젃연(배기계 HANGER, 보기류 젃연)

보기류 BRKT 강성

3. 응답계 대책

차체 PNL 보강(제진재)

흡차음 대책

진동과 공진의 저감

진동수 (Hz)

저속부밍음

중속부밍음

고속부밍음

최대 가청치

엔진 투과음

윈드 노이즈

패턴 노이즈

디퍼렌셜 기어음 브레이크 울림

로드 노이즈

최소 가청치

음 압

(dB)

자동차 소음의 종류별/주파수별 음압특성

Caused from intake / exhaust system

Caused by vibration of the drive shaft

Caused by non-uniformity of tires

Caused by vibration of the drive line

Low speed booming

High speed booming

Booming noise

• P/T NVH 최적화

– 실내소음에 대핚 P/T 평가 개발

– P/T수정에 의핚 실내소음 예측

• 차량 NVH 최적화

– Transfer Path Analysis

– 문제가 되는 가진 위치 규명

– 최적 개선(가진/젂달경로)결정

Engine Noise 측정

Vibration Excitation 측정

실내 소음 합성 과정 ( 실험 결과 DATA의 컴퓨터 활용 시뮬레이션)

결과 활용 ( 실내음질 개선)

NVH기술 (음질합성법)

Cyber 공갂내의 가상의 주행로에서 Real Time으로 차량의 진동,소음을 분석하는

해석 기술

NVH기술 (VPG해석)

■ NVH 개발 방향

▷ 외부소음 규제 만족 ▷ 실내소음 음압레벨 저감위주의 개발 ▷ 10년젂 대비 5~10dB 저감달성

음압레벨 저감

NVH 최적화

▷ 중량/원가 젃감 ▷ 연비(CO2 규제 만족) 대응 ▷ 저밀도 흡/차음재 개발

▷ 인갂공학 측면에서의 NVH 개발 ▷ Psyco-acoustic의 도입 ▷ 음색/Temporal Signal 특성 개발

SOUND QUALITY 개발

▷ Noise → Sound (차량운행 상태에 대핚 Message) ▷ 차량 수준에 맞는 소음특성 개발

BRAND SOUND 개발

향후 NVH개발 방향