KR100303613B1 - 초음파의비선형성에의한간섭효과를이용한내연기관의배기소음능동제어시스템및방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 엔진과 같은 내연기관의 배기 소음을 능동 제어하는 소음 감소 기술에 관한 것으로, 특히 배기 소음을 상쇄하는 상쇄 음향을 발생시키기 위하여 기존의 능동 소음 제어 기술에서 통상 사용되는 스피커 대신에 초음파 발생기를 이용하여 제거하고자 하는 배기 소음의 소정의 주파수에 해당되는 주파수 차이를 갖는 적어도 한 쌍의 초음파를 발생시키고 음향학적 비선형성에 의한 2개의 초음파의 간섭 효과로써 상쇄 음향을 만들며 이를 이용하여 배기 소음을 능동적으로 제거하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

초음파의 비선형성에 의한 간섭 효과를 이용한 내연기관의 배기 소음 능동 제어 시스템 및 방법{ACTIVE CONTROL METHOD AND SYSTEM OF EXHAUST NOISE OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE USING INTERFERENCE CAUSED BY NONLINEARITY OF ULTRASONIC WAVES}

본 발명은 자동차의 엔진과 같은 내연기관의 배기 소음을 능동 제어하는 소음 감소 기술에 관한 것으로, 특히 배기 소음을 상쇄하는 상쇄 음향을 발생시키기 위하여 기존의 능동 소음 제어 기술에서 통상 사용되는 스피커 대신에 초음파 발생기를 이용하여 제거하고자 하는 배기 소음의 소정의 주파수에 해당되는 주파수 차이를 갖는 2개의 초음파를 발생시키고 음향학적인 비선형성에 따른 2개의 초음파의 간섭 효과에 의해 발생하는 상쇄 음향을 이용하여 배기 소음을 능동적으로 제거하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

배기 소음을 제어하는 종래의 보편적인 방법으로 머플러를 이용한 방법이 있다. 그러나, 머플러는 일반적으로 그 구조가 복잡하여 상기 머플러를 통과하는 배기 가스의 유동 저항이 증가하게 되어 엔진의 배압(back pressure)이 증가하게 되므로 내연기관의 효율이 저하된다.

또한, 자동차의 배기 소음은 다양한 엔진 회전 속도의 변화에 따라 그 소음의 주요 성분이 변화하므로, 엔진의 전체 회전 속도의 범위에 걸쳐 효과적으로 작동하는 머플러를 제작하기가 사실상 불가능하다.

한편, 최근에는 머플러를 이용한 배기 소음 제어 방법의 단점을 극복하기 위한 새로운 형태의 소음 제어 방법으로 배기 소음의 능동 제어에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

최근 연구되고 있는 배기 소음의 능동 제어 기술에 의하면, 배기 가스가 통과하는 배기 파이프에 소음 측정용 마이크를 설치하고, 상기 마이크로부터 측정된 소음 데이터를 제어기로 전송하고, 소정의 제어 이론에 따라 출력 신호를 배기 파이프의 마이크보다 하류에 설치된 스피커로 보내어 상기 마이크에 의해 측정된 배기 소음과 크기가 같으며 위상이 반대인 상쇄 음향을 발생시키고, 원래의 배기 소음과 스피커를 통해 발생된 음향이 상호 상쇄적인 간섭을 일으키도록 함으로써 차량의 외부로 방출되는 배기 소음을 감소시키는 구성을 가지고 있다.

이와 같은 능동 소음 제어 방식은 실험실에서 그 효과가 충분히 입증되었음에도 불구하고 실제 차량에의 상업적 적용은 아직 이루어지지 않고 있다. 그 이유는, 배기 소음이 상대적으로 크고 소음의 주요 성분이 저주파 대역이므로, 이를 상쇄시키기 위해서는 매우 큰 출력의 스피커가 필요하며, 통상의 스피커 특성상 낮은 주파수의 음향을 발생시키기 위해서는 스피커의 직경이 커야 하므로 차량 하부에 장착할 고출력, 소형, 경량의 스피커를 제작하기가 어렵고 경제성이 없다는 것이다. 또한, 기존 차량의 하부 구조를 변경하지 않고서는 상당한 크기와 중량을 갖는 스피커를 설치할 공간을 확보할 수 없을 뿐만 아니라 차량의 제작, 유지 보수 등에 많은 문제를 일으킨다.

더욱이, 차량의 배기 시스템은 차체에 전달되는 진동을 줄이기 위하여 차체와 탄성 연결되며 이에 따라 고무 링 등으로 차체와 연결되므로 중량이 큰 스피커를 배기 파이프에 부착하면 배기 시스템의 진동이 증가하고 스피커 및 배기 파이프의 내구성 문제를 일으킨다. 또한, 고온의 산화성 배기 가스에 노출되는 스피커의 내구성 보장이 어렵고, 스피커에서 발생된 저주파 상쇄 음향은 회절과 반사에 따라 배관을 타고 역류하여 배기 소음 측정 마이크에서 배기 소음과 함께 혼합되어 측정되므로 효율적인 제어기의 설계가 매우 어렵다.

본 발명은 배기 소음 능동 제어 분야에서 배기 소음을 상쇄시키기 위한 상쇄 음향을 발생시키는 종래의 고출력 및 대형 스피커 대신에 소형, 경량, 저가의 초음파 발생기로 대체한 새로운 배기 소음 능동 제어 시스템 및 방법을 제공함으로써, 전술한 종래의 배기 소음 능동 제어 시스템의 문제점을 해결하고자 하는 것이다.

자동차의 배기 소음은 주로 엔진의 폭발 행정에 의하여 발생하며, 기본적으로 다양한 주파수의 소음 성분을 갖는다. 즉, 엔진의 폭발 행정은 아주 짧은 시간에 발생되므로, 엔진의 폭발 행정에 의해 발생되는 배기 소음은 저주파에서 고주파에 이르는 아주 넓은 주파수 대역, 예컨대 20 내지 20,000㎐의 가청 주파수를 포함하는 대역을 갖는다. 그러나, 이러한 배기 소음 중에서, 엔진의 작동 회전 속도에 관계되는 주파수 성분을 갖는 소음이 가장 주요한 소음원이 된다. 예컨대, 4행정 4기통 가솔린 엔진이 900RPM으로 회전한다면, 엔진의 크랭크축은 1초에 15회전을 하는 속도(즉, 15㎐)로 회전하는 것이고 크랭크축의 1회전당 2번의 폭발이 있으므로 상기 회전 속도의 2배에 해당되는 30㎐의 소음 성분과, 이의 조화 성분(Harmonics)이 주요 소음 성분이 된다. 한편, 일반적으로 엔진의 최고 회전 속도가 6000RPM 정도인 것을 고려하면, 상기 주요 소음 성분은 1000㎐ 이하의 상대적으로 저주파 성분에 해당됨을 알 수 있다.

대기는 일반적으로 선형적이라고 가정되나 실제로는 비선형성을 가지고 있다. 예를 들어, 특정 주파수의 소리를 발생시키면 그 소리는 주파수를 유지하며 대기 중을 전파하다가 열에너지로 소멸된다. 그러나, 그 소리의 크기를 증가시키면 비선형성이 나타나기 시작한다.

소리는 기본적으로 공기압의 변화이다. 가스는 압력 차이에 따라 온도와 밀도가 변하며 이에 따라 소리의 전파에 따른 공기압의 변화는 국부적으로 매우 미소한 온도와 밀도의 변화를 일으킨다. 이러한 변화량은 매우 작지만 소리의 크기를 증가시키면 이 수치도 증가하며 무시할 수 없는 양이 된다. 따라서, 소리는 전파 시에 압력이 높은 부분에서 전달 속도가 약간 빠르게 된다. 이에 따라 전파되는 소리의 파형에 미소한 변화가 초래된다. 예를 들어, 순수한 정현파의 경우 전달 속도의 차이에 따라 파형이 찌그러지며 이와 같은 비선형성은 원래 소리의 크기를 증가시킴에 따라 파형이 톱니 모양의 형태로 변화하게 된다. 이러한 톱니 파형은 파 자체에 원래 주파수의 조화 성분을 포함하게 되며 이는 공기 중에 이 성분의 소음을 실제로 발생시키게 된다.

다시 말하면, 대기는 비선형성을 가지며 매우 큰 세기의 순음이 공기를 통하여 전파되며 파형이 변하게 되고 이는 순음보다 높은 주파수의 조화성분을 발생시킨다. 만약 2개의 순음이 존재하면 각 순음은 각각의 조화 성분을 발생시키며 이에 더하여 원래 주파수의 차이와 합에 해당하는 다양한 소리를 발생시킨다. 따라서 원래의 순음이 초음파이면 가청 영역에 원래 순음의 주파수 차이에 해당하는 소음을 발생시키게 된다.

따라서, 본 발명은 주파수가 상호 유사한 2개의 정현파 초음파 음향이 만나게 될 때 상기 2개의 정현파 음향의 주파수 차이에 해당되는 주파수를 갖는 음향이 발생하는 현상을 이용하여 상기의 저주파 대역의 주요 소음 성분을 능동적으로 제어하고자 하는 것이다. 예를 들어, 100㎐의 음향이 필요하다면, 가청 주파수를 벗어나는 20,000 및 20,100㎐의 2개의 초음파를 발생시켜 이들 2개의 음향을 중첩시키면 100㎐의 음향이 발생하게 된다.

이러한 원리를 이용하는 본 발명의 일 태양에 의하면, 배기 시스템을 통해 전달되는 배기 소음과 크기가 같고 위상이 반대인 적어도 하나의 상쇄 음향을 발생시켜 상기 배기 소음을 제거하기 위한 배기 소음 능동 제어 시스템이 제공되는데, 상기 배기 소음 능동 제어 시스템은 배기 파이프 내의 소정의 지점에 배치된 배기 소음 측정 마이크와, 엔진 회전 속도를 포함하는 보조 정보와 상기 배기 소음 측정 마이크로부터 측정된 소음 정보를 이용하여 적어도 하나의 상쇄 음향의 특성치를 결정하고 상기의 특성치를 갖는 상기 상쇄 음향을 형성하도록 상쇄 음향의 주파수에 해당되는 주파수 차이를 갖는 2개의 적어도 한 쌍의 초음파의 특성치를 결정하는 제어기와, 상기 배기 소음 측정 마이크보다 하류의 위치에 배치되고 적어도 하나의 상쇄 음향을 발생시키기 위해 배기 가스의 유동 방향을 향해 상기 제어기에서 결정된 적어도 한 쌍의 초음파를 발생시키는 초음파 발생기를 구비하고 있다.

본 발명의 다른 태양에 의하면, 상기의 배기 소음 능동 제어 시스템을 이용하여 배기 소음을 제거하기 위한 방법이 제공되는데, 상기 방법은 배기 파이프 내에 설치된 배기 소음 측정 마이크를 이용하여 배기 소음을 측정하는 단계와, 엔진 회전 속도를 포함하는 보조 정보와 상기 소음 측정 마이크로로부터 측정된 소음 정보를 이용하여 적어도 하나의 상쇄 음향의 특성치를 결정하는 단계와, 상기 특성치 중 상기 상쇄 음향의 주파수에 해당되는 주파수 차이를 갖는 적어도 한 쌍의 초음파의 특성치를 결정하는 단계와, 상기 결정된 적어도 한 쌍의 초음파를 초음파 발생기에서 발생시킴으로써 배기 소음을 상쇄시킬 수 있는 상쇄 음향을 발생시키는 단계로 구성된다.

도1은 본 발명에 의한 능동 소음 제어 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 배기 파이프

12 : 머플러

14 : 제어기

15 : 배기 소음 측정 마이크

16 : 에러 측정 마이크

17 : 증폭기

18 : 초음파 발생기

첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 배기 소음 능동 제어 시스템 및 방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 배기 소음 능동 제어 시스템은 기본적으로 자동차의 배기 파이프(11) 내의 소정의 지점에 배치된 배기 소음 측정 마이크(15)와, 배기 소음 측정 마이크(15)로부터 측정된 배기 소음 정보와 보조 정보를 분석하여 원래의 배기 소음 상쇄용 상쇄 음향을 발생시키는 적어도 한 쌍의 초음파의 특성치를 결정하는 제어기(14)와, 제어기(14)로부터 얻은 초음파의 특성치를 포함하는 적어도 하나의 제어 신호에 따라 적어도 한 쌍의 초음파를 발생시키기 위한 초음파 발생기(18)로 구성된다.

배기 파이프(11)를 통과하는 소음은 배기 소음 측정 마이크(15)에 의해 측정되며, 배기 소음 측정 마이크(15)는 배기 파이프(11) 내의 배기 가스 유동을 거의 방해하지 않도록 배치되는 것이 바람직하다.

제어기(14)는 배기 소음 측정 마이크(15)에서 측정된 소음 데이터 또는 정보를 받는다. 상기 소음 데이터는 패스트 후리에 변환(Fast Fourier Transform) 등의 방법을 이용하여 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환된다. 또한, 제어기(14)는 타코미터(tachometer)나 엔진 제어 유닛(ECU) 등으로부터 엔진 회전 속도(RPM) 또는 엔진 부하 정도 등의 보조 정보를 받는다. 전술한 바와 같이, 상기 엔진 회전 속도는 배기 소음의 주요 소음 성분과 그 조화 성분을 검출하는 기본 데이터가 된다.

제어기(14)는 보조 정보와 측정된 소음 데이터를 주파수 영역에서 소정의 제어 이론에 따라 분석하여 제거하고자 하는 배기 소음의 주요 성분의 특성치, 예컨대 주파수, 진폭 및 위상을 계산한다. 이와 같이 계산된 배기 소음의 특성치에 따라, 제어기(14)는 (후술하는) 초음파 발생기(18)에서 발생시켜야 할 적어도 한 쌍의 초음파의 특성치, 즉 주파수, 진폭 및 위상을 결정하여, 이러한 특성치를 포함하는 적어도 하나의 제어 신호를 초음파 발생기(18)로 보낸다. 하나의 제어 신호는 한 쌍의 초음파를 발생시키는 데에 사용되며, 따라서 엔진 회전 속도에 관계된 주요 소음 성분 중의 조화 성분까지 동시에 고려하기 위해서는 다수의 제어 신호를 발생시킬 필요가 있게 된다. 결국, 초음파 발생기(18)는 다수의 제어 신호에 응답하여 다수 쌍의 초음파를 발생시키는 기능을 수행할 수 있도록 제조된다.

필요하다면, 제어기(14)로부터 출력된 제어 신호는 증폭기(17)를 통해 미리 증폭된 후 초음파 발생기(18)로 보내질 수도 있다.

전술한 바와 같이, 초음파 발생기(18)는 측정된 배기 소음의 주요 성분을 상쇄시키기 위한 상쇄 음향을 형성하기 위해 상기 상쇄 음향의 주파수에 해당되는 주파수 차이를 갖는 적어도 한 쌍의 초음파를 발생시키는 기능을 한다. 즉, 초음파 발생기(18)는 제어기(14)의 적어도 하나의 제어 신호에 따라 적어도 한 쌍의 상기 초음파를 발생시키고, 이들을 배기 파이프(11)의 출구 쪽을 향해 배기 가스의 유동 방향을 따라 출력시켜서 양 초음파의 중첩에 의해 소정의 주파수를 갖는 정현파 상쇄 음향을 용이하게 얻을 수 있다.

또한, 에러 측정 마이크(16)를 초음파 발생기(18)의 하류에, 특히 배기 파이프의 출구에 거의 인접하게 설치하여, 엔진의 폭발 행정에 의해 발생된 원래의 배기 소음이 초음파 발생기(18)에 의해 발생된 상쇄 음향에 의해 상쇄된 최종 소음을 검출하여 이를 제어기(14)로 피드백(feedback)시켜 초음파 발생기(18)에 의해 수행된 소음 제어가 적절히 이루어 졌는지를 판단하게 된다. 이러한 에러 측정 마이크(16)의 데이터는 제어기(14)의 제어 이론을 단순화하고 정확히 하는 데에 유용하게 된다.

또한, 본 발명에 의한 배기 소음 능동 제어 시스템은 종래의 머플러보다 현저히 간단한 머플러(12)를 초음파 발생기(18)의 상류 또는 하류에 설치할 수 있다. 상기의 머플러(12)는 초음파 발생기(18)로부터 발생된 상쇄 음향에 의해 제거되는 배기 소음의 주요 성분을 제외한 고주파 광대역의 잡소음을 제거하는 목적으로 사용되므로, 종래의 머플러와 같이 복잡하게 구성될 필요가 없다. 즉, 본 발명에 사용되는 머플러(12)는 흡음재나 타공 구조 등을 가지거나 또는 단면적 변화와 같은 특성을 포함하는 종래의 소위 "흡음형 머플러"와 같은 아주 간단한 구조로 제조될 수 있다. 따라서, 상기 머플러(12)는 배기 가스의 유동에 거의 방해가 되지 않도록 구성되므로, 배압의 상승을 억제하여 엔진의 효율 향상에 기여할 수 있다.

이제, 본 발명에 의한 배기 소음 능동 제어 방법에 대해 설명한다.

본 발명에 의한 배기 소음 능동 제어 방법에 의하면, 배기 소음을 측정하기 위해, 배기 파이프(11) 내에 배기 소음 측정 마이크(15)를 설치하여 배기 소음을측정한다. 측정된 배기 소음 데이터는 제어기(14)로 전송되어 후리에 변환 등을 이용하여 주파수 영역으로 변환되고, 엔진 제어 유닛 등으로부터 받은 보조 정보와 함께 초음파 발생기(18)로 전송할 제어 신호를 계산하는 데에 이용된다. 상기 제어 신호에 따라 초음파 발생기(18)는 소정의 주파수 차이를 갖는 2개의 초음파를 발생시키고 이와 같이 발생된 2개의 초음파는 공기의 비선형성에 따른 간섭 효과에 의해 상기 소정의 주파수 차이에 해당되는 주파수를 갖는 상쇄 음향을 배기 파이프로 향하게 한다.

본 발명에 의한 배기 소음 능동 제어 방법은 초음파 발생기(18)에 의해 배기 소음을 제거한 후에도 남아 있을 수도 있는 고주파 잡소음을 제거하기 위해 소위 흡음형 머플러와 같은 단순한 머플러(12)를 초음파 발생기(18)의 상류 또는 하류에 설치하여 상기의 고주파 잡소음을 추가 제거하도록 구성될 수 있다.

제어기(14)로부터 출력된 제어 신호를 증폭시키기 위해 증폭기(17)가 사용될 수 있으며, 보다 간단한 제어 이론의 적용 및 배기 소음 능동 제어 시스템의 신뢰성의 확보를 위해 배기 파이프의 출구 근처에 에러 측정 마이크(16)를 설치하여 상쇄 음향에 의해 제거되지 않고 남아 있는 잔류 배기 소음을 측정하여 제어기(14)로 피드백시킨다. 이후, 제어기(14)로 피드백된 신호는 제어기(14)의 후속 제어 작용에 기본 데이터로 이용된다.

본 발명에 의한 배기 소음 능동 제어 시스템 및 방법을 이용함으로써, 본 발명에 사용되는 초음파 발생기는 종래의 배기 소음 능동 제어 시스템에 사용된 스피커에 비해 그 크기가 현저히 감소될 수 있고, 아주 낮은 가격으로 제조할 수 있고, 또한 내구성이 뛰어나므로, 종래 시스템의 크기 및 무게에 따른 제작, 유지 보수, 내구성의 문제점을 충분히 해결할 수 있다. 따라서, 차량에의 실제 적용이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 의한 배기 소음 능동 제어 시스템은 초음파 발생기에 의해 발생된 양호한 지향성을 갖는 초음파를 배기 파이프 내로 향하게 하므로, 종래 기술에 사용된 저주파의 회절 현상에 의한 상쇄 음향이 배기 소음 측정 마이크로 역류하는 현상을 현저히 억제할 수 있게 된다. 따라서, 제어기의 제어 이론이 간단하고 효율적으로 될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 배기 소음 능동 제어 시스템을 이용함으로써, 엔진의 회전 속도와 관계된 주요 소음 성분은 초음파 발생기에 의해 발생된 상쇄 음향으로 제거될 수 있고, 기타 잡소음은 배압을 거의 발생시키지 않는 간단한 머플러로 제거될 수 있는 이중의 제거 기능을 구비할 수 있다. 따라서, 엔진의 배기 효율을 양호하게 유지시키면서 배기 소음 또한 가청 주파수의 전체 범위에 걸쳐 억제할 수 있다.

Claims (6)

1. 배기 시스템을 통해 전달되는 배기 소음과 크기가 같고 위상이 반대인 적어도 하나의 상쇄 음향을 발생시켜 상기 배기 소음을 제거하는 배기 소음 능동 제어 시스템에 있어서,

   배기 파이프 내의 소정의 지점에 배치된 배기 소음 측정 마이크와,

   엔진 속도를 포함하는 보조 정보와 상기 배기 소음 측정 마이크로부터 측정된 배기 소음 정보를 분석, 처리하여 적어도 하나의 상쇄 음향의 특성치를 결정하고, 공기 중을 전파하는 음향의 비선형성에 따라 발생하는 간섭 효과를 이용하여 상기 특성치를 갖는 적어도 하나의 상쇄 음향을 형성하도록 상기 상쇄 음향의 주파수에 해당되는 주파수 차이를 갖는 적어도 한 쌍의 초음파의 특성치를 결정하는 제어기와,

   상기 배기 소음 측정 마이크보다 하류에 배치되고, 적어도 하나의 상쇄 음향을 발생시키기 위해 배기 가스의 유동 방향을 향해 상기 제어기에서 결정된 적어도 한 쌍의 초음파를 발생시키는 초음파 발생기를

   구비하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 시스템.
2. 제1항에 있어서, 배압이 거의 발생하지 않고 고주파 성분의 광대역 배기 소음을 제거하는 머플러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배기 파이프의 출구에 인접하게 배치되고, 상기 상쇄 음향에 의해 상쇄된 최종 배기 소음을 측정하여 상기 제어기로 전달하는 에러 측정 마이크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 시스템.
4. 배기 시스템을 통해 전달되는 배기 소음과 크기가 같고 위상이 반대인 적어도 하나의 상쇄 음향을 발생시켜 상기 배기 소음을 제거하는 배기 소음 능동 제어 방법에 있어서,

   배기 파이프 내에 설치된 배기 소음 측정 마이크를 이용하여 배기 소음을 측정하는 단계와,

   엔진 속도를 포함하는 보조 정보와 상기 소음 측정 마이크로로부터 측정된 배기 소음 정보를 분석하여 적어도 하나의 상쇄 음향의 특성치를 결정하는 단계와,

   상기 특성치 중 상기 적어도 하나의 상쇄 음향의 주파수에 해당되는 주파수 차이를 갖는 적어도 한 쌍의 초음파의 특성치를 결정하는 단계와,

   상기 결정된 적어도 한 쌍의 초음파를 초음파 발생기에서 발생시킴으로써 배기 소음을 상쇄시킬 수 있는 적어도 하나의 상쇄 음향을 발생시키는 단계를

   포함하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 방법.
5. 제4항에 있어서, 배압이 거의 발생하지 않는 머플러를 상기 초음파 발생기의 상류 또는 하류에 설치하여 상기 적어도 하나의 상쇄 음향에 의해 제거되지 않은고주파 배기 소음을 추가로 제거하는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 후속의 상쇄 음향의 특성치 결정에 필요한 기초 데이터를 얻기 위해, 배기 파이프의 하류에 설치된 에러 측정 마이크를 이용하여 잔류 배기 소음을 측정하여 상기 제어기로 피드백시키는 것을 특징으로 하는 배기 소음 능동 제어 방법.