A study on the method of improving the acoustic performance of active structural-acoustic control systems

Abstract

가전 제품이나 탈것 등 동력원을 가지는 기계 시스템에서는 필연적으로 소리가 발생한다. 기계 시스템에서 발생하는 소리는 제품의 사용 목적에 따른 주요 성능만큼이나 중요시된다. 예를 들어, 소비자들은 에어컨을 고를 때 냉방 성능뿐 아니라 작동 소음 또한 고려한다. 그러므로 공학자들은 기계 시스템을 설계하는 과정에서 음향 성능을 고려하게 된다. 기계 시스템의 음향 성능을 개선하는 방법은 크게 수동적 방법과 능동적 방법으로 나뉜다. 수동적 방법은 기계 시스템을 물리적으로 튜닝 함으로써 이루어진다. 예를 들어, 세탁기의 소음을 저감하기 위한 수동적 방법들은 크게 캐비닛 및 터브의 재설계 혹은 동흡진기 및 흡음재 부착 등이 있다. 이러한 수동적 방법들은 제작 단가가 싼 점으로 인해 산업 현장에서 널리 사용되었다. 그렇지만, 최근 제품의 소형화 및 경량화가 요구되면서 많은 공간을 차지하고 무게 증가를 야기하는 기존의 수동적 방법들은 사용이 제한되는 추세이다. 또한, 제품의 소음 문제는 우선 제품의 중요한 다른 성능을 만족하도록 설계가 진행된 이후에 부가적으로 다뤄지는 경우가 많다. 이런 경우, 제품의 물리적 튜닝이 제한되어 수동적 방법을 통한 음향 성능 개선이 어렵다. 따라서, 본 논문에서는 능동적 방법을 통해 제품의 물리적 튜닝 없이 음향 성능을 개선하는 연구가 수행되었다. 능동 구조-음향 제어 시스템의 음향 성능 개선을 위한 연구는 구조-음향 시스템의 복잡도에 따라 크게 세 가지 단계로 진행되었다. 먼저, 가장 간단한 구조-음향 시스템인 음향 비 연성 패널에서 음압 평탄성의 향상을 위한 능동 구조-음향 제어 시스템의 설계가 수행되었다. 다음으로, 음향 연성 시스템에 해당하는 인클로저의 소음 저감 성능 개선을 위해 가상 임피던스-기반 능동 구조-음향 제어 시스템의 설계가 수행되었다. 마지막으로, 패널에 의한 구조 소음과 구멍에 의한 음향 소음이 함께 고려되는 가장 복잡한 시스템인 구멍이 있는 인클로저에서 소음 저감 성능 개선을 위해 방사 모드-기반 능동 구조-음향 제어 시스템의 설계가 수행되었다. 2 장에서, 분산 모드 스피커의 음압 평탄성 개선을 위한 최적 액추에이터 배치가 수행되었다. 최적 액추에이터 배치를 위해, 다른 재질 및 형상의 패널에 대해 일관된 진동 국소화를 예측하는 새로운 공식이 제안되었다. 3 장에서, 인클로저 패널에서 방사되는 음향 파워를 저감하기 위해 가상 임피던스-기반 능동 구조-음향 제어 시스템의 가중치 설계가 수행되었다. 이를 위해, 능동 구조-음향 제어 시스템의 강건성과 정상-상태 오차를 고려한 가중치 설계 절차가 제안되었다. 4 장에서, 통풍구에서 방사되는 음향 파워를 저감하기 위해 새로운 방사 모드-기반 능동 구조- 음향 제어 시스템이 제안되었다. 다양한 제품에 적용 및 구현을 고려하여, 구조-음향 시스템의 설계는 이론적 모델이 아닌 입력-출력 데이터에 기반한 시스템 식별을 통해 이뤄졌다.|In a mechanical system having a power source, such as a home appliance or a vehicle, sound is inevitably generated. The sound generated by a mechanical system is as important as the main performance of the product for its intended use. Therefore, engineers consider acoustic performance when designing mechanical systems. Passive methods have been widely used in industrial sites due to their low manufacturing cost. However, as miniaturization and weight reduction of products are recently required, the use of existing passive methods that occupy a lot of space and cause an increase in weight tends to be limited. In addition, the noise problem of a product is often additionally dealt with after designing it to satisfy other important performance of the product. In this case, the physical tuning of the product is limited, so it is difficult to improve the acoustic performance through a passive method. Therefore, in this paper, a study was conducted to improve the acoustic performance without physical tuning of the product through an active method. The study for the improvement of the acoustic performance of the active structural-acoustic control system was conducted in three stages according to the complexity of the structural-acoustic system. First, the design of an active structural-acoustic control system to improve the flatness of sound pressures in acoustically uncoupled panels, which is the simplest structural-acoustic system, was performed. Next, the design of the virtual impedance-based active structural-acoustic control system was performed to improve the noise reduction performance of the enclosure corresponding to the acoustically coupled system. Finally, the design of the radiation mode-based active structural-acoustic control system was performed to improve the noise reduction performance of the enclosure with holes, where the structural noise by the panel and the acoustic noise by the holes are considered together. In Section 2, an optimal actuator arrangement to improve the flatness of sound pressures of distributed mode loudspeakers was performed. For optimal actuator arrangement, a new formula predicting consistent vibration localization for panels of different materials and geometries was proposed. In Section 3, an optimal weight design of a virtual impedance-based active structural-acoustic control system to reduce the radiated sound power of the enclosure panel was performed. To this end, a weight design procedure was proposed considering the robustness of the active structural-acoustic control system and the steady-state error. In Section 4, a new radiation modebased active structural-acoustic control system to reduce the radiated sound power of the enclosure panel with vent holes was proposed. Considering the application and implementation of various products, the modeling of structural-acoustic system was done through system identification based on input-output data rather than a theoretical model.