< (왼쪽부터) 기계공학과 전원주 교수, 김지완 박사과정, 최은지 박사과정 >
우리 대학 기계공학과 전원주 교수 연구팀이 전기차의 저주파 대역 노면 소음과 고주파 대역 모터 소음을 동시에 차단할 수 있는 신개념 음향 메타물질 기반 초경량 차음 메타패널을 개발했다고 18일 밝혔다.
음향 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 음향학적 유효 물성(음의 질량, 음의 강성 등)을 갖도록 인공적으로 설계된 구조물로, 음향 은폐, 고투과-고집속, 완벽 차음/흡음 등 기존 재료로는 구현이 어려운 성능을 달성할 수 있는 특징이 있다.
내연기관을 대신해 전기모터를 동력원으로 사용하는 전기차는 기존의 내연기관 자동차에서 시끄럽다고 느끼던 엔진 소음이 더는 발생하지 않는다. 하지만, 엔진 소음에 의한 마스킹 효과가 사라지면서 오히려 저주파 대역의 노면 소음이 상대적으로 더 크게 들리거나 엔진을 대신하는 전기모터의 고주파 소음이 또렷하고 거슬리게 들리기도 한다.
미래 모빌리티의 한 축을 담당하고 있는 전기차가 단순히 하나의 운송 수단을 넘어 이동 중 휴식이나 레저 및 업무 활동 등 탑승자에게 필요한 맞춤형 서비스를 제공하는 개념으로 나아가고 있다는 점에서 전기차의 실내 정숙성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 특히, 전기차 노면 소음과 모터 소음은 각각 저주파와 고주파로 나뉜 서로 다른 주파수 대역에서 나타날 뿐만 아니라 각각의 대역도 광대역이기 때문에, 이와 같은 소음을 동시에 효과적으로 차단할 수 있는 기술의 개발과 적용이 필요한 시점이다.
현재 상용화된 전기차에서는 소음 차단을 위해 폴리에스터, 열가소성 고무, EVA(에틸렌초산비닐 공중합체) 시트, 금속판 등의 전통적인 흡·차음재가 사용되고 있다. 하지만, 전통적인 흡·차음재의 성능은 재료 자체의 열/점성 소산 특성이나 질량 법칙(투과 손실 6dB(데시벨) 증가를 위해 질량 밀도가 2배 높아져야 함)에 의존하기 때문에 높은 차음 성능을 위해서는 재료의 무게 증가가 불가피하며, 이는 곧 전기차 배터리의 에너지 효율을 감소시키는 원인이 되고 있다.
따라서, 우수한 차음 성능을 발휘하면서도 경량화를 동시에 달성하는 것이 전기차 적용 측면에서 매우 중요한데, 기존의 음향학적 재료나 법칙의 한계를 넘어서야 한다는 점에서 학문적으로도 도전적인 문제였다.
전원주 교수 연구팀은 기존 기술의 한계를 극복함으로써 높은 차음 성능으로 전기차 노면 소음과 모터 소음을 동시에 차단할 수 있는 초경량 차음 메타패널을 개발했다.
연구팀이 개발한 메타패널은 저주파 대역(노면 소음)에서는 음의 유효 질량을 가지면서 고주파 대역(모터 소음)에서는 음의 유효 강성을 갖도록 설계됐으며, 면적밀도 1.51kg/m2의 매우 가벼운 무게로 100~1,750Hz의 넓은 주파수 대역에서 투과 손실 16.7dB(에너지 기준 98%) 이상 차단할 수 있음을 이론적으로 예측했고 제작과 실험을 통해 그 성능을 검증하는 데 성공했다. 이는 동일 차음 성능을 갖는 기존 기술과 비교해 20배 이상 가벼운 무게의 초경량화를 달성했다고 볼 수 있다. (그림 1 참고)
< 그림 1. (a) 전기차 노면 소음과 모터 소음을 동시에 차단하는 초경량 메타패널, 메타패널의 (b) 주파수 의존적 유효 물성과 (c) 투과 손실 스펙트럼 >
다중 스케일 격자 구조와 멤브레인(얇은 막)으로 구성된 차음 메타패널은 분리된 두 광대역에서 높은 투과 손실을 동시에 구현할 수 있다는 음향학적 특징이 있어, 전기차에 적용될 때 저주파 노면 소음과 고주파 모터 소음을 효과적으로 차단해낼 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 메타패널의 기하학적 인자를 쉽게 조절함으로써 원하는 주파수 대역에서 높은 차음 성능을 달성할 수 있으므로, 전기차뿐 아니라 도심 항공 모빌리티(Urban Aerial Mobility, UAM) 등 다양한 미래 모빌리티에 적합하게 주파수 선택적 설계가 가능하다는 장점과 더불어 제작이 쉽다는 응용 측면의 장점도 갖고 있다.
우리 대학 기계공학과 김지완 박사과정(제1 저자), 최은지 박사과정(제2 저자)이 참여한 이번 연구 결과는 기계공학 분야 최상위권 국제 학술지인 `메카니컬 시스템 앤 시그널 프로세싱(Mechanical Systems and Signal Processing) (IF: 8.934, JCR 상위 4/137(2.55%)'에 지난 8월 30일 字 온라인 게재됐다. (논문명: Lightweight soundproofing meta-panel for separate wide frequency bands)
한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어사업-파동에너지극한제어연구단의 지원을 받아 수행됐다.
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연구 틈새로 빠져나가는 소음까지 잡는다
소리는 작은 구멍이나 틈새만으로도 잘 빠져나가는 특징이 있다. 이러한 틈새를 통해 빠져나오는 소리는 보다 넓은 공간까지 잘 전파되며, 틈새를 전혀 막지 않으면서 외부 소리가 안에서 들리지 않게 하거나 내부 소리가 바깥에서 들리지 않도록 하는 것은 음향학적으로도 매우 도전적인 문제다. 우리 연구진이 다양한 산업 현장의 소음 문제 해결에 새로운 솔루션이 될 뿐 아니라 최근 가속화되고 있는 미래 기술인 항공 택시, 드론과 같은 도심 항공 모빌리티 등에서 발생하는 소음을 효과적으로 저감할 수 있는 획기적 기술을 개발했다. 우리 대학 기계공학과 전원주 교수 연구팀이 구조물의 틈새나 개구부를 통한 열 교환과 공기의 흐름은 자유롭게 허용하면서도 소음은 효과적으로 차단하기 위해, 음향 임피던스를 원하는 복소수 값으로 조절할 수 있는 신개념 음향 메타물질인 ‘복소 임피던스 타일’을 개발했다고 6일 밝혔다. 음향 임피던스란 소리가 전파되는 매질(예: 공기, 물)이 가
2024-08-06 -
연구 박영진 교수, 현대자동차그룹과 함께 능동형 노면 소음 저감기술(RANC) 개발
〈 박영진 교수 〉 우리 대학 기계공학과 박영진 교수 연구실(시스템동역학 및 응용제어 연구실)과 현대자동차그룹이 협업해 개발한 ‘능동형 노면 소음 저감기술(이하 RANC)’이 상용화된다. 현대차그룹은 지난 11일 도로에서 발생해 실내로 유입되는 노면 소음을 크게 줄여주는 ‘RANC’를 개발했다고 밝혔다. RANC 핵심 요소기술인 센서 위치 및 신호 선정 방법에 대해 한국과 미국에 특허 출원을 완료했다. RANC는 주행 시 발생하는 노면 소음을 낮추는 기술이다. 시스템은 가속도 센서, DSP(Digital Signal Processor, 음향신호 분석을 위한 제어 컴퓨터), 마이크, 앰프, 오디오 등으로 구성된다. 시스템을 최대한 단순하게 하도록 오디오는 별도의 오디오 시스템이 아닌 차에 원래 내장된 오디오를 활용한다. 먼저 가속도 센서가 진동의 전달 경로에 위치해 노면 소음을 유발하는 진동을 취득한다. 여기서 진동 전달 경로
2019-12-02 -
인물 기계공학과 이정권 교수, 국제음향연합회(ICA) 부회장 재선
〈 이 정 권 교수 〉 우리 대학 기계공학과 이정권 교수가 국제음향연합회(International Commission for Acoustics) 부회장에 재선됐다. 이 교수는 지난 2015년 전임 부회장의 유고로 인해 한국인 최초로 부회장에 선출됐다. 이후 잔여 임기를 안정적으로 마치고 재선에 성공해 2019년까지 향후 3년 간 역할을 이어가게 됐다. 또한 이 교수는 3년에 한 번씩 개최되는 국제음향연합회 학술대회(ICA Congress)의 2022년 개최지를 경상북도 경주에 유치하는 데 성공했고, 이 학술대회의 회장으로 선출됐다. 음향분야 최대 규모의 국제 학술대회가 국내에서 개최됨으로써 정보화 사회에서 자동화, 기계학습, 가상현실화 등에 매우 중요한 요소인 음향에 대한 국내 연구진의 사기 진작 및 국제적 위상 향상에 기여할 것으로 기대된다. 1951년 설립된 국제음향연합회는 전 세계 모든 국가에 존재하는 음향학회의 연합회로 현재 46개 국가가 정회원, 4개국이 옵저버
2016-12-14 -
연구 휴대용 음향카메라 개발
- 세계 3대 디자인 공모전 ‘레드 닷 디자인 어워드’ 수상 - 우리 학교 산업디자인학과 배석형 교수가 ㈜에스엠인스트루먼트 및 ㈜현대자동차와 공동으로 개발한 세계 최초의 ‘휴대용 음향카메라’가 세계 3대 디자인 공모전 중 하나인 레드 닷 디자인 어워드(Red Dot Design Award)의 제품디자인 부문 수상작으로 선정됐다. 자동차 운전자라면 한번쯤 원인을 알 수 없는 소음 때문에 골머리를 앓은 경험이 있을 것이다. 자동차를 비롯한 공업제품에서 비정상적인 소음이 발생하면 설계의 오류나 부품의 마모, 파손 등 다양한 문제가 있을 수 있는데 소음이 발생하는 위치를 사람의 청각으로 정확하게 찾아내기는 쉽지 않다. 이러한 상황에서 유용하게 쓰일 수 있는 장치가 음향카메라다. 열 감지 카메라가 온도의 분포를 색으로 표현하듯이 음향카메라는 마이크로폰 배열을 이용해 측정한 소리의 분포를 색으로 표현해 소음원의 위치를 보여준다. 하지만 기
2013-04-04 -
연구 KAIST 무선충전전기자동차, CNN 방영
우리 학교에서 개발한 무선충전전기자동차가 지난 8월 29일 미국 CNN방송의 "Eco Solutions"라는 프로그램에 방영됐다. CNN은 올 7월 19일 서울대공원에서 상용서비스를 시작한 KAIST 무선충전전기자동차가 기존 디젤 "코끼리열차"에 비해 매연과 소음이 없는 친환경 전기자동차로 방문객들로부터 커다란 호응을 받고 있다고 소개했다. CNN 링크 : http://edition.cnn.com/CNNI/Programs/eco.solutions/index.html YouTube 링크 : http://www.youtube.com/watch?v=QLzmFFqPJfo
2011-09-04