KR101028296B1 - 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 차량 주행중에 돌발적으로 불어오는 횡풍에 의한 사고가 빈번하게 발생함에 따라 상기한 횡풍 및 돌발적인 바람에 의해 차량 주위의 압력을 측정하여 고속 주행의 안정성과 횡풍에 대한 안전성을 연구하기 위해 사용하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 모든 가청 주파수를 포함하며 일정 주파수 패턴이 없는 신호를 발생시키는 백색소음 발생기, 상기 백색소음 발생기에서 발생되는 신호의 저주파 영역을 필터링 하는 저주파 여과기, 상기 저주파 여과기에서 여과된 저주파 영역을 증폭시키는 제 1증폭기, 상기 제 1증폭기에서 증폭된 저주파 신호를 음향신호로 변환하는 음향발생부, 상기 음향 발생부에서 발생된 음향을 입력받는 메인 센서부, 상기 메인 센서부의 전기신호를 입력받아 각 재널에 해당하는 압력값을 스캐닝 하고 상기 전기신호를 증폭하는 조정부, 상기 조정부에서 전송된 신호를 입력받아 주파수 영역을 분석하는 FFT분석기, 상기 FFT분석기를 통해 입력된 신호를 바탕으로 제 1증폭기의 증폭도를 조절하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치를 제공한다.
그리고, 상기한 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치를 제어하기 위한 방법으로 모든 주파수 대역이 혼합된 주파수를 발생시키는 백색소음 발생기에 의해 주파수를 발생시키는 단계, 상기 발생된 주파수를 500Hz이하의 주파수 대역만 필터 링 하는 단계, 상기 필터링된 저주파 영역의 주파수를 증폭하는 단계, 상기 증폭된 주파수를 스피커에 연결하여 음향 신호를 발생시키는 단계, 상기 발생된 음향 신호를 감지하는 단계, 상기 감지된 전기신호값을 스캐닝하고 증폭 시키는 단계, 상기 스캐닝된 신호값과 증폭된 신호값을 각각 입력받아 주파수 해석을 통해 신호의 특성을 파악하는 단계, 분석된 신호를 바탕으로 저주파 음압을 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 제어방법을 제공한다.
백색소음 발생기, 저주파 여과기, FFT(Fast Fourier Transform)분석기

Description

비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치 및 그 제어방법{Apparatus For Unsteady state Calibration Measurement And Control Method}
도 1은 종래의 캘리브레이션 장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 의한 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치의 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 의한 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 제어방법을 나타낸 순서도,
도 4는 본 발명에 의한 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 제어방법에 따라 발생된 음향신호를 감지하는 단계를 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 의한 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 제어방법에 따라 저주파 영역의 증폭도를 조정하는 단계를 도시한 순서도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 백색 소음 발생기 20 : 저주파 여과기
30 : 제 1증폭기 40 : 음향 발생부
50 : 메인 센서부 54 : 마이크
60 : 조정부 62 : 다채널 스캐너
70 : FFT(Fast Fourier Transform)분석기 80 : 제어부
본 발명은 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 차량 주행중에 돌발적으로 불어오는 횡풍 및 돌발적인 바람에 의한 차량 주위의 압력을 측정하여 고속 주행의 안정성과 횡풍에 대한 안전성을 연구하기 위해 사용하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 최근 양산되는 차량은 유선형 형상을 갖추게 되는데 이런 유선형 형상은 연비개선에 긍정적인 영향을 주고는 있으나 차량의 고속 주행 안정성과 횡풍 안정성을 고려하지 않고 디자인적인 측면만을 개발함으로서 실제 도로 주행시에 사고를 유발하는 원인이 될 수 있었다.
예를들어 서해대교와 영종대교 등 국내에도 바람이 많은 해안을 따라 많은 다리가 건설되고 있으며 계곡을 연결하는 다리가 많아 지면서 차량 주행 중 횡풍에 노출되는 기회가 많아 지고 있다.
영종대교의 경우는 최대풍속이 144km/h 로 횡풍에 대한 대책 없이 다리를 횡단하는 경우 차량이 횡풍에 의해서 전복되거나 옆 차선을 침범하여 사고를 유발하는 위험한 상황을 발생시킬 수 있다.
이러한 국내 도로 환경의 변화에 따라 저항력(低抗力) 차량 개발과 더불어 차량의 고속 주행에 따른 횡풍 주행 안정성을 공기역학적인 측면에서 연구해야 하 는 이유를 제공하고 있다.
이러한 연구를 위해서는 횡풍시 변화하는 차량 주위의 압력을 측정해야 하는데 이러한 압력을 측정하기 위해서는 정밀한 주파수 및 압력 캘리브레이션이 필수적이다.
첨부된 도 1은 종래의 캘리브레이션 장치를 도시한 도면으로서, 일정수준 이상의 압력을 가지는 질소와 낮은 압력을 가진 진공펌프(4)를 이용하여 수행한다.
질소탱크(2)에서 나온 고압을 진공펌프(4)를 이용하여 압력 스캐닝 시스템(8)에서 원하는 압력으로 정밀제어한 후 이 압력을 캘리브레이션라인(5)을 통하여 압력스캐너(6)로 보낸다. 이때 압력스캐너(6)에서는 이 정해진 압력값에 대응하는 전압을 압력스캐너(6)의 각 채널마다 스캐닝하여 다시 압력스캐닝 시스템(8)으로 보내므로써 캘리브레이션을 마치게 된다.
이러한 캘리브레이션에 의해 측정된 압력은 정상상태(Steady state)(어떤 운동 상태의 물리량이 시간의 흐름과 더불어 변화하지 않는 상태에 있는 것)이므로 시간의 평균압을 구하게 되는데 횡풍조건과 같은 비정상상태(Unsteady state)(어떤 운동 상태의 물리량이 시간의 흐름과 더불어 변화하는 상태에 있는 것)인 경우는 압력측정이 평균적으로 측정되므로 시간에 따른 순간적인 압력변화를 구할 수 없고 또한, 압력측정시 그 압력발생의 주파수 분석이 불가능한 문제점을 유발 하였다.
그리고, 압력스캐너(6)에서 질소탱크(2) 및 진공펌프(4) 라인까지 튜브로 연결되는데 상기한 라인이 길면 길수록 댐핑현상으로 인해 주파수의 위상지연과 같은 문제점을 발생시켰다.
따라서, 순간적인 횡풍발생으로 인한 운전자의 반응 및 차량거동을 측정해야하는 경우에는 상기와 같은 방법으로는 실험이 불가능한 문제점을 유발 하였다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 비정상상태(Unsteady State)의 조건에서 마이크에 입력된 압력변화를 이용하여 압력센서의 응답성을 캘리브레이션 할 수 있다.
또한, 순간적인 압력변화에 해당하는 주파수를 분석하여 차량의 차체에 작용하는 압력분포 상태를 분석하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 모든 가청 주파수를 포함하며 일정 주파수 패턴이 없는 신호를 발생시키는 백색소음 발생기, 상기 백색소음 발생기에서 발생되는 신호의 저주파 영역을 필터링 하는 저주파 여과기, 상기 저주파 여과기에서 여과된 저주파 영역을 증폭시키는 제 1증폭기, 상기 제 1증폭기에서 증폭된 저주파 신호를 음향신호로 변환하는 음향발생부, 상기 음향 발생부에서 발생된 음향을 입력받는 메인 센서부, 상기 메인 센서부의 전기신호를 입력받아 각 재널에 해당하는 압력값을 스캐닝 하고 상기 전기신호를 증폭하는 조정부, 상기 조정부에서 전송된 신호를 입력받아 주파수 영역을 분석하는 FFT분석기, 상기 FFT분석기를 통해 입력된 신호를 바탕으로 제 1증폭기의 증폭도를 조절하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치를 제공한다.
그리고, 상기한 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치를 제어하기 위한 방법으로 모든 가청 주파수 대역이 혼합된 주파수를 발생시키는 백색소음 발생기에 의해 주파수를 발생시키는 단계, 상기 발생된 주파수를 500Hz이하의 주파수 대역만 필터링 하는 단계, 상기 필터링된 저주파 영역의 주파수를 증폭하는 단계, 상기 증폭된 주파수를 스피커에 연결하여 음향 신호를 발생시키는 단계, 상기 발생된 음향 신호를 감지하는 단계, 상기 감지된 전기신호값을 스캐닝하고 증폭 시키는 단계, 상기 스캐닝된 신호값과 증폭된 신호값을 각각 입력받아 주파수 해석을 통해 신호의 특성을 파악하는 단계, 분석된 신호를 바탕으로 저주파 음압을 제어하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 제어방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치의 구성을 도시한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하면, 모든 가청 주파수를 포함하며 일정 주파수 패턴이 없는 신호를 발생시키는 백색소음 발생기(10), 상기 백색소음 발생기(10)에서 발생되는 신호의 저주파 영역을 필터링 하는 저주파 여과기(20), 상기 저주파 여과기(20)에서 여과된 저주파 영역을 증폭시키는 제 1증폭기(30), 상기 제 1증폭기(30)에서 증폭된 저주파 신호를 음향신호로 변환하는 음향발생부(40), 상기 음향 발생부(40)에서 발생된 음향을 입력받는 메인 센서부(50), 상기 메인 센서부(50)의 전 기신호를 입력받아 각 재널에 해당하는 압력값을 스캐닝 하고 상기 전기신호를 증폭하는 조정부(60), 상기 조정부(60)에서 전송된 신호를 입력받아 주파수 영역을 분석하는 FFT분석기(70), 상기 FFT분석기(70)를 통해 입력된 신호를 바탕으로 제 1증폭기(30)의 증폭도를 조절하는 제어부(80)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치를 제공한다.
상기 음향 발생부(40)는 외부로의 음향 손실을 차단하는 케이스(42), 상기 케이스 내부에 설치되는 스피커(44)를 포함하여 구성되는 것이 바람직 하다.
상기 메인 센서부(50)는 음향 발생부(40)에서 발생된 음향을 입력받는 압력센서(52) 및 마이크(54)를 포함하여 구성되는 것이 바람직 하다.
상기 조정부(60)는 압력센서(52)를 통해 입력된 전기신호를 채널별로 스캐닝하는 다채널 스캐너(62), 마이크(54)를 통해 입력된 전기신호를 증폭하는 제 2증폭기(64)를 포함하여 구성되는 것이 바람직 하다.
그리고, 상기한 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치를 제어하기 위한 방법으로 첨부된 도 3에 도시된 바와 같이, 모든 가청 주파수 대역이 혼합된 주파수를 발생시키는 백색소음 발생기에 의해 주파수를 발생시키는 단계(ST100), 상기 발생된 주파수를 500Hz이하의 주파수 대역만 필터링 하는 단계(ST200), 상기 필터링된 저주파 영역의 주파수를 증폭하는 단계(ST300), 상기 증폭된 주파수를 스피커에 연결하여 음향 신호를 발생시키는 단계(ST400), 상기 발생된 음향 신호를 감지하는 단계(ST500), 상기 감지된 전기신호값을 스캐닝하고 증폭 시키는 단계(ST600), 상기 스캐닝된 신호값과 증폭된 신호값을 각각 입력받아 주파수 해석을 통해 신호의 특성을 파악하는 단계(ST700), 분석된 신호를 바탕으로 저주파 음압을 제어하는 단계(ST800)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 제어방법을 제공한다.
상기 발생된 음향 신호를 감지하는 단계(ST500)는 압력센서를 통해 스피커에서 발생된 음향신호를 입력받는 단계(ST510), 마이크를 통해 스피커에서 발생된 음향신호를 입력받는 단계(ST520)를 포함하여 구성되는 것이 바람직 하다.
상기 분석된 신호를 바탕으로 저주파 음압을 제어하는 단계(ST800)는 제 1증폭기의 볼륨을 조정하는 단계(ST810), 조정된 볼륨값에 해당하는 저주파 신호를 발생하는 단계(ST820)를 포함하여 구성되는 것이 바람직 하다.
시간에 따라 압력이 변하는 비정상상태(Unsteady State)의 조건에서 압력을 측정하기 위해서는 모든 가청 주파수를 포함하며 일정 주파수 패턴이 없는 신호를 발생시키는 백색소음 발생기(10)를 통해 주파수를 발생시킨다(ST100).
상기 백색소음 발생기(10)를 통해 발생된 소음은 일상 생활에서 흔하게 접할 수 있는 각종 가전제품 및 오디오 등에서 쉽게 들을 수 있는 노이즈로서, 볼륨을 줄였을 때 들리는 잡음 및 파열음을 포함한다.
상기 백색소음 발생기(10)에서 발생된 노이즈는 저주파 여과기(20)를 통해 발생된 신호의 저주파 영역을 필터링하게 되는데, 상기 발생된 주파수를 500Hz이하의 주파수 대역만 필터링 하게된다(ST200).
상기 저주파 여과기(20)에서 여과된 저주파 영역은 제 1증폭기(30)를 거치면서 필터링된 저주파 영역의 주파수를 증폭하게 된다(ST300).
상기 제 1증폭기(30)에서 증폭된 저주파 신호는 음향발생부(40)의 스피커(44)를 통해 음향신호를 발생시킨다(ST400).
상기 음향발생부(40)는 외부로의 음향 손실을 차단하도록 원통형의 케이스(42) 내부에 스피커(44)가 설치되어 상기 케이스(42) 외부로의 음향 손실을 최소화 하도록 한다.
그리고, 상기 스피커(44)에서 발생된 음향을 메인 센서부(50)의 압력센서(52)와 마이크(54)를 통해 입력받고 음향신호를 감지하게 된다(ST500).
상기 압력센서(52)는 스피커(44)가 설치된 케이스(42) 내부에 삽입 설치된 튜브에 의해 연장된 일단에 설치되어 스피커(44)에서 발생하는 불균일한 음향의 주파수를 감지(ST510)한다.
상기 마이크(54)는 케이스(42)에 직접적으로 삽입 설치되어 스피커(44)에서 발생하는 불균일한 음향의 주파수를 곧바로 감지(ST520)하게 된다.
상기 마이크(54)에 입력되는 주파수의 순간적인 압력변화를 이용하여 튜브에 연결된 압력센서(52)의 응답성능을 측정할 수 있도록 케이스(42)에 병렬로 설치한다.
조정부(60)는 압력센서(52)에서 감지한 신호값과 마이크(54)에서 입력된 신호값을 각각 입력받게 되는데, 상기 압력센서(52)에서 감지한 신호값은 다채널 스캐너(62)에 의해 각각의 채널에 해당하는 주파수값을 스캐닝하며, 상기 마이크(54)에서 입력된 신호값은 제 2증폭기(64)를 통해 증폭(ST600)되어 FFT(Fast Fourier Transform)분석기(70)로 각각 입력된다.
상기 FFT분석기(70)는 다채널 스캐너(62)와 제 2증폭기(64)에서 전송된 신호를 입력받아 주파수 해석을 통해 신호의 특성을 파악(ST700)하게 되는데, 고속 퓨리에 변환을 통해 주파수를 해석 함으로서 압력센서(52)에서 입력된 신호와 마이크(54)를 통해 입력된 전기 신호값의 범위를 분석하여 각각의 전기 신호값에 따른 압력값의 특성을 파악하게 된다.
그리고, 상기 FFT분석기(70)를 통해 입력된 신호를 바탕으로 제 1증폭기(30)의 증폭도를 조절하도록 제어부(80)가 설치되어 제 1증폭기(30)의 음압을 제어하게 된다(ST800).
음압을 제어하는 단계(ST800)는 제 1증폭기의 볼륨을 제어부(80)의 컴퓨터가 상향 또는 하향 조정(ST810)하고, 조정된 볼륨값에 해당하는 저주파 신호를 제 1증폭기(30) 에서 발생한다(ST820).
즉, 마이크(54)를 통해 입력된 데이터 값을 기준으로 주파수 대역에 따른 압력센서(52)에서 입력된 데이터값를 보정하게 되고, 보정된 신호값을 제 1증폭기(30)로 전송하여 주파수 변동에 따라 매핑하게 된다.
마이크(54)를 통해 압력센서(52)의 데이터값을 보정하는 이유는 마이크(54)가 압력센서(52)보다 응답성이 우수하여 비정상 상태에서의 주파수 분석이 용이하기 때문이다.
상기 제어부(80)는 컴퓨터(Personal Computer)를 사용하는데 별도의 제어용 컴퓨터를 사용해도 무방하다.
한편, 본 발명은 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치 및 그 제어방법은 비정상상태(Unsteady State)의 조건에서 마이크에 입력된 압력변화를 이용하여 압력센서의 응답성을 캘리브레이션 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 순간적인 압력변화에 해당하는 주파수를 분석할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 차량에 작용하는 순간적인 횡풍발생으로 인한 운전자의 반응과 차량거동을 측정하는 데이터로서 활용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 모든 가청 주파수를 포함하며 일정 주파수 패턴이 없는 신호를 발생시키는 백색소음 발생기(10), 상기 백색소음 발생기(10)에서 발생되는 신호의 저주파 영역을 필터링 하는 저주파 여과기(20), 상기 저주파 여과기(20)에서 여과된 저주파 영역을 증폭시키는 제 1증폭기(30), 상기 제 1증폭기(30)에서 증폭된 저주파 신호를 음향신호로 변환하는 음향발생부(40), 상기 음향 발생부(40)에서 발생된 음향을 입력받는 메인 센서부(50), 상기 메인 센서부(50)의 전기신호를 입력받아 각 재널에 해당하는 압력값을 스캐닝 하고 상기 전기신호를 증폭하는 조정부(60), 상기 조정부(60)에서 전송된 신호를 입력받아 주파수 영역을 분석하는 FFT분석기(70), 상기 FFT분석기(70)를 통해 입력된 신호를 바탕으로 제 1증폭기(30)의 증폭도를 조절하는 제어부(80)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 음향 발생부(40)는 외부로의 음향 손실을 차단하는 케이스(42), 상기 케이스 내부에 설치되는 스피커(44)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치.
  3. 제 1항에 있어서
    상기 메인 센서부(50)는 음향 발생부(40)에서 발생된 음향을 입력받는 압력센서(52) 및 마이크(54)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서
    상기 조정부(60)는 압력센서(52)를 통해 입력된 전기신호를 채널별로 스캐닝하는 다채널 스캐너(62), 마이크(54)를 통해 입력된 전기신호를 증폭하는 제 2증폭기(64)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 장치.
  5. 모든 가청 주파수 대역이 혼합된 주파수를 발생시키는 백색소음 발생기에 의해 주파수를 발생시키는 단계(ST100), 상기 발생된 주파수를 500Hz이하의 주파수 대역만 필터링 하는 단계(ST200), 상기 필터링된 저주파 영역의 주파수를 증폭하는 단계(ST300), 상기 증폭된 주파수를 스피커에 연결하여 음향 신호를 발생시키는 단계(ST400), 상기 발생된 음향 신호를 감지하는 단계(ST500), 상기 감지된 전기신호값을 스캐닝하고 증폭 시키는 단계(ST600), 상기 스캐닝된 신호값과 증폭된 신호값을 각각 입력받아 주파수 해석을 통해 신호의 특성을 파악하는 단계(ST700), 분석된 신호를 바탕으로 저주파 음압을 제어하는 단계(ST800)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 제어방법.
  6. 제 5항에 있어서
    상기 발생된 음향 신호를 감지하는 단계(ST500)는 압력센서를 통해 스피커에서 발생된 음향신호를 입력받는 단계(ST510), 마이크를 통해 스피커에서 발생된 음향신호를 입력받는 단계(ST520)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 제어방법.
  7. 제 5항에 있어서
    상기 분석된 신호를 바탕으로 저주파 음압을 제어하는 단계(ST800)는 제 1증폭기의 볼륨을 조정하는 단계(ST810), 조정된 볼륨값에 해당하는 저주파 신호를 발생하는 단계(ST820)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비정상유동 측정을 위한 캘리브레이션 제어방법.
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