KR19980041146A - 자동차의 능동소음제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적응필터가 발산하는 경우에도 차실내의 엔진부밍(Booming)소음을 능동적으로 제어할 수 있도록 한 자동차의 능동소음제어방법을 제공하기 위한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 1차 소음원으로부터 제어스피커까지의 경로의 전달함수(P) 및 오차경로내의 전달함수(E)를 각각 측정하여 고정시켜 놓는 단계와, 적응필터(W)의 정상작동시에는 상기 1차 소음원으로부터 제어스피커까지의 경로의 고정된 전달함수(Po)가 최소한으로 적용되도록 하는 반면, 적응필터(W)의 발산시에는 상기 1차 소음원으로부터 제어스피커까지의 경로의 고정된 전달함수(Po)에 의한 소음제어가 행해지도록 하는 단계로 구성되어, 적응필터가 발산하는 경우에도 모형화 오차(적응필터의 계수치)를 가진 전달함수(Po)에 의해 소음제어가 가능해지기 때문에, 전체시스템의 강인성이 보장되어 최소한의 성능이 보장된다.

Description

자동차의 능동소음제어방법

본 발명은 자동차의 능동소음제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차실내에서 발생하는 엔진 부밍(Booming)소음을 능동적으로 제어할 수 있도록 된 자동차의 능동소음제어방법에 관한 것이다.

소음에 대한 연구는 소음을 소음원으로부터 어떻게 하면 적게 방출할 수 있는가 하는 방법에 대한 연구와 흡음제 및 소음방지에 대한 연구 등 기계, 건축, 재료 공학적인 연구와 능동소음제어(Active Noise Control;ANC) 등 전기, 전자공학적인 연구로 분류할 수 있다.

수동적인 방법은 흡음제를 사용하는 방법으로 500Hz가 넘는 고주파소음에 대해서는 좋은 효과를 보이나 저주파소음에 대해서는 흡음제의 크기가 켜져야 하므로 비용을 증가시키고, 비행기나 자동차 등 중량을 줄여야 하는 곳에서는 사용이 어려운 문제점이 있다.

이에, 2차 소오스(source)를 이용한 능동소음제어에 관한 연구가 70년대 이후 활발히 이루어지고 있는데, 회전기, 변압기, 자동차 엔진 등에서 발생하는 소음과 같은 저주파의 소음을 감쇄시키는 데 있어서 종래의 수동적 방법보다 탁월한 효과를 보여주고 있다.

그리고, 80년대에 들어와 덕트 내에서의 소음제어, 공장사무실 등 3차원 공간에서의 능동소음제어, 능동소음제어기법을 이용한 노이즈 배리어(noise barrier)의 설계, 자동차 및 항공기 내에서의 능동소음제어 등에 관한 연구가 활발히 진행되었으며, 90년에 들어 환경문제가 심각해 짐에 따라 배기가스의 양을 줄이기 위해 연료를 작게 소모하는 차에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 대한 해결책으로 차의 무게를 줄이고 엔진의 효율을 증가시키는 연구가 진행되고 있는데 이와 같은 접근은 필연적으로 차량의 소음 및 진동에 나쁜 영향을 주고 있다.

한편, 자동차 소비자들이 좀 더 편안하고 조용한 차를 요구하고 있어 이와 같은 두가지 문제를 동시에 해결해 줄 수 있는 방법으로 자동차 내부의 소음제어를 능동적으로 행할 수 있는 능동제어기법이 각광을 받고 있다.

여기서, 차실내 공간에서와 같이 밀폐된 차실내 공간의 소음으로서는 엔진소음, 노면에서 전파되는 소음, 주행중에 유입되는 바람소리 등을 포함하게 되는데, 이중 엔진소음은 엔진의 회전수와 연계가 강하며 차실내 소음중 상당량을 차지하고 있다.

따라서, 차실내 소음특성은 엔진의 회전수에 따라 변화하는 특성을 가지므로, 제어기의 입력을 엔진의 엔진수로 하여 차실내 유입되는 소음을 예측하는 전향(Feedforward)방식의 제어기로 간략화할 수 있다. 전향방식의 적응제어기로 자주 사용되는 Filtered-X LMS알고리즘은 주로 덕트(duct)와 같은 공조기의 1차원 소음제어에 이용될 수 있다. 그러나, 차실과 같이 3차원 공간상의 여러점에서의 소음제어에 있어서는 그 제어기 구조가 다중 Filtered-X LMS알고리즘으로 확장된다.

일반적으로 차량에 채용되고 있는 차량능동소음제어 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 소음을 감지하기 위한 센서인 마이크로폰(1)과, 필터(2), AD변환기(3),앰프(4), 이산신호처리기인 제어기(5) 등으로 구성된다.

마이크로폰(1)은 차실내 음압을 감지하기 위한 센서로서 전기적 콘덴서형으로 소음저감을 목적으로 하는 500Hz이하의 저주파대역에서 양호한 특성을 발휘하며, 4개의 좌석위치의 헤드레스트(head rest)나 루프(toof)에 장착될 수 있을 뿐만 아니라 차실내 운전석과 승객석 상부 천장에 설치될 수 있다.

필터(2)는 50∼400Hz의 통과대역을 가지는 밴드패스필터로서, 센싱된 신호에서 저주파대역만 통과시키는 앤티-얼라이징(anti-aliasing)기능과 제어출력신호의 고주파성분을 제거하는 스므싱(smoothing)필터역할을 한다.

AD변환기(3)는 16비트의 분해능을 가지며 최대 50KHz까지 데이터취득이 가능하다.

앰프(4)는 제어음을 증폭시키기 위한 파워앰프로서, 2.5와트(Watt)로 저주파대역의 특성이 양호하다.

제어기(5)는 12비트의 분해능을 가지며 최대 50KHz까지 데이터취득이 가능한 DA변환기를 내부에 갖추고서 주된 계산(예컨대, 부동소수점 연산도 가능함) 및 제어를 행하는 바, 그 제어기(5)는 부동소수점 연산이 가능한 DSP가 내장된 시스템보드와 I/O보드를 PC에 내장시켜 사용하고, 그 제어기(5)의 입력으로는 통상적으로 엔진의 점화신호를 참조신호로 그 주파수성분의 2배수 성분까지 포함하여 사용한다.

그리고, 그 제어기(5)는 통상적으로 다음의 식1, 즉

[식 1]

W_i+1= W_i+ex

(여기서, W_i+1는 후속적인 적응필터의 계수값, W_i는 현재의 적응필터의 계수값,는 스텝사이즈(최소점을 찾아가는 구간길이), e는 에러치, x는 입력소음치)

을 이용한 다중 Filter-X LMS(Least Mean Square;최소평균자승)알고리즘을 사용하고 있는데, 전체적으로 4개의 마이크로폰과 4개의 스피커(제어음발생용 액츄에이터로 쓰이며, 전방 운전석 시트 및 승객석 시트하단부에 설치됨)를 사용하나후방의 스피커2개를 병렬로 연결시켜 결국 3개의 스피커를 사용한 4×3구조를 띈다.

또한, 센서(즉, 마이크로폰(1))와 액츄에이터(즉, 스피커)간의 오차계는 5KHz대역의 의사랜덤노이즈(Psedorandon noise)를 이용하여 필터차수 64개인 FIR필터로 모델링하였다.

한편, 상기와 같은 구성으로 이루어진 일반적인 차량능동소음제어장치에 따르면, 일단 마이크로폰(1)에서 센싱된 차실내의 소음은 필터(2)를 통해 필터링된 후 AD변환기(3)를 거쳐 제어기(5)로 인가되고, 그 제어기(5)에서는 입력된 값을 다중 Filter-X LMS알고리즘에 적용시켜 현재의 소음치가 최소화될 수 있도록 계산하고서 그 계산결과에 따라 적응필터를 제어하는 제어신호를 내부의 DA변환기를 통해 아날로그변환시킨 후에 앰프(4)로 인가하게 된다. 그에 따라, 그 앰프(4)에서 증폭된 제어신호는 스피커(도시 생략)를 통해 출력된다.

즉, 일반적인 차량능동소음제어장치에서는, 도 2에 도시된 바와 같이 입력마이크폰으로부터 제어스피커까지의 경로상에 측정된 전달함수(P;10)에 대해서 적응필터(W;14)에 의해 어느 정도 소음치가 보상된 제어스피커의 전달함수(S;16)가 가산기(12)에서 합산처리된 후 오차경로의 전달함수(E;18)를 거쳐 소정치의 오차신호(e(n))로써 스피커출력된다. 이때 그 스피커출력되는 오차신호(e(n)) 및 소음원(X(n))으로부터의 신호는 다중 Filter-X LMS알고리즘이 채용된 제어기(5)로 입력되어 신호처리된다.

그런데, 이러한 방법으로 동작하는 일반적인 차량능동소음제어시스템에 있어서, 적응필터의 강인성(强靭性)이 보장되지 않는 경우에는 수시로 필터를 초기화시켜야 하며, 이때 발산을 감지하고 초기화시키면 다시 적응필터가 정상상태에 도달하기 까지의 시간동안은 소음제어성능이 현저히 저하되는 단점이 있다. 또한, 일부 소자(예컨대, 적응필터)에 고장이 발생하게 되면 제기능을 다하지 못하여 소음제어기능을 상실하게 된다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 적응필터가 발산하는 경우에도 차실내의 엔진부밍(Booming)소음을 능동적으로 제어할 수 있도록 한 자동차의 능동소음제어방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 1차 소음원으로부터 제어스피커까지의 경로의 전달함수 및 오차경로내의 전달함수를 각각 측정하여 고정시켜 놓는 단계와, 적응필터의 정상작동시에는 상기 1차 소음원으로부터 제어스피커까지의 경로의 고정된 전달함수가 최소한으로 적용되도록 하는 반면, 적응필터의 발산시에는 상기 1차 소음원으로부터 제어스피커까지의 경로의 고정된 전달함수에 의한 소음제어가 행해지도록 하는 단계로 구성된 자동차의 능동소음제어방법이 제공된다.

도 1은 일반적인 차량능동소음제어시스템의 구성도,

도 2는 일반적인 차량능동소음제어시스템에 채용되는 제어알고리즘의 블럭선도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차의 능동소음제어방법에 채용되는 제어알고리즘의 블럭선도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 마이크로폰2: 필터

3: AD변환기4: 앰프

5: 제어기(LMS)10: 1차 소음원의 전달경로 전달함수(P)

12: 가산기14: 적응필터(W)

16: 제어스피커의 전달함수(S)18: 오차경로의 전달함수(E)

22: 전달함수(P)를 오프라인으로 측정하여 고정시킨 전달함수

24: 전달함수(E)를 오프라인으로 측정하여 고정시킨 전달함수

26: 제어기(LMS)28: 가산기

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차의 능동소음제어방법에 채용되는 제어알고리즘의 블럭선도로서, 도 2에서 설명한 부분과 동일한 구성요소에 대해서는 참조부호를 동일하게 부여하면서 그에 대한 설명은 생략한다.

참조부호 22는 전달함수(P;10)를 오프라인으로 측정하여 고정시킨 전달함수(Po)를 나타내는 바, 일정치로 정형화된 적응필터의 계수치(보상치;모형화 오차)를 갖는다.

참조부호 24는 제어스피커입력과 마이크로폰의 출력사이의 전달함수(즉, 오차경로의 전달함수(E))를 오프라인으로 측정하여 고정시킨 전달함수(Co)를 나타내고, 참조부호 26은 그 고정된 전달함수(Co)의 값과 오차신호(e(n))를 입력받아 다중 Filter-X LMS알고리즘에 적용하여 적응필터(W;14)를 제어하는 제어기를 나타내며, 참조부호 28은 일정치로 고정된 전달함수(Po;22)에 의한 동작시 적응필터(W;14)로부터의 보상치를 합산처리하여 제어스피커의 전달함수(S;16)측으로 인가하는 가산기(28)를 나타낸다.

이어, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 능동소음제어방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

차실내에서 발생되는 엔진부밍(booming)소음 즉, 엔진소음과 실내소음이 공진을 일으켜 발생하는 소음(X(n))은 마이크로폰에 의해 센싱되고, 그 센싱된 신호는 1차 소음원의 전달경로의 전달함수(P;10)에 의해 소정의 값으로 치환되고, 그 전달함수(P;10)의 값은 제어스피커의 전달함수(S;16)의 값과 가산기(12)에서 합산처리된 후 오차경로의 전달함수(E;18)를 통해 소정의 오차신호(e(n))로써 스피커출력되는데, 이때 제어기(26)는 고정된 전달함수(Co;24)의 값과 상기 오차신호(e(n))를 근거로 적응필터(W;14)를 제어하여 상기 전달함수(P;10)의 현재 오차를 보상해 주게 된다.

즉, 적응필터(W;14)가 정상적으로 작동하는 경우에는 보상치(적응필터의 계수치)가 일정하게 정형화된 전달함수(Po;22)의 기능을 최소화시키게 되고, 그 적응필터(W;14)가 정상적으로 동작하지 않는 경우(즉, 발산하는 경우)에는 그 전달함수(Po;22)의 값이 그대로 가산기(28)를 통해 제어스피커의 전달함수(S;16)로 인가되어 계산된 후 가산기(12)에서 전달함수(P;10)의 값과 합산처리되어 오차경로의 전달함수(E;18)를 거쳐 스피커출력된다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수도 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 적응필터가 발산하는 경우에도 모형화 오차(적응필터의 계수치)를 가진 전달함수(Po)에 의해 소음제어가 가능해지기 때문에, 전체시스템의 강인성이 보장되어 최소한의 성능이 보장된다.

Claims (1)

1차 소음원으로부터 제어스피커까지의 경로의 전달함수(P) 및 오차경로내의 전달함수(E)를 각각 측정하여 고정시켜 놓는 단계와, 적응필터(W)의 정상작동시에는 상기 1차 소음원으로부터 제어스피커까지의 경로의 고정된 전달함수(Po)가 최소한으로 적용되도록 하는 반면, 적응필터(W)의 발산시에는 상기 1차 소음원으로부터 제어스피커까지의 경로의 고정된 전달함수(Po)에 의한 소음제어가 행해지도록 하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 자동차의 능동소음제어방법.