KR20230076288A - 능동 소음 제어를 통한 차량 실내 타이어 공명음 저감 장치 및 그 방법 - Google Patents

능동 소음 제어를 통한 차량 실내 타이어 공명음 저감 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 능동 소음 제어를 통한 차량 실내 타이어 공명음 저감 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 능동 소음 제어를 통한 차량 실내 타이어 공명음 저감 장치에 있어서, 타이어 공명음에 대응하는 단일 주파수의 참조 신호를 생성하는 참조 신호 생성부와, 참조 신호에 적응 필터를 적용하여 타이어 공명음을 상쇄하기 위한 제어 신호를 생성하고, 제어 신호를 차량 내 스피커로 인가하는 제어 신호 생성부, 및 차량 내 마이크에서 관측된 소음 신호와 참조 신호 간의 오차를 바탕으로 적응 필터의 필터 계수를 실시간으로 조정하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 차량 주행 중에 타이어에서 발생하는 소음 중 타이어 공명음을 능동 소음 제어를 통하여 효율적으로 저감할 수 있다.

Description

능동 소음 제어를 통한 차량 실내 타이어 공명음 저감 장치 및 그 방법{Apparatus for reducing tire resonance sound in vehicle through active noise control and method thereof}
본 발명은 능동 소음 제어를 통한 실내 타이어 공명음 저감 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량 주행 중에 타이어에서 발생하는 소음 중 타이어 공명음을 능동 소음 제어(Active Noise Control, ANC)를 통하여 효과적으로 저감할 수 있는 능동 소음 제어를 통한 실내 타이어 공명음 저감 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 전기자동차의 보급으로 엔진 소음이 다른 소음을 가려주는 마스킹 효과를 기대할 수 없게 되면서 다른 소음원의 영향이 증가하였다. 그 중에서 쉽게 인지 가능한 소음으로 타이어 공명음이 대표적이며 이러한 타이어 공명음을 효과적으로 저감하기 위한 기술이 요구된다.
능동 소음 제어에 널리 사용되는 FxLMS 기반 알고리즘은 알고리즘의 동작을 위해 소음 신호와 유사한 참조 신호를 측정하여 입력해 주어야 한다. 그러나, 타이어 공명음의 경우 타이어 내부에서 발생하는 소음을 측정하는 것에 어려움이 존재한다.
소음의 주파수를 알고 있는 경우에는 단일 주파수 성분 저감에 널리 사용하는 FxLMS-놋치 필터 알고리즘을 적용할 수 있으나, 해당 알고리즘은 정확한 주파수 성분을 입력하지 않으면 그 성능이 크게 떨어지는 단점이 존재한다.
특히, 타이어 공명음의 경우 완전한 단일 주파수 성분이 아니라 일정 범위의 주파수 대역폭을 가지기 때문에 놋치 필터 알고리즘을 적용하기에는 적절하지 못하다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제1998-051774호(1998.09.25 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 차량 주행 중에 타이어에서 발생하는 소음 중 타이어 공명음을 효율적으로 저감할 수 있는 능동 소음 제어를 통한 차량 실내 타이어 공명음 저감 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 능동 소음 제어를 통한 차량 실내 타이어 공명음 저감 장치에 있어서, 타이어 공명음에 대응하는 단일 주파수의 참조 신호를 생성하는 참조 신호 생성부와, 상기 참조 신호에 적응 필터를 적용하여 상기 타이어 공명음을 상쇄하기 위한 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호를 차량 내 스피커로 인가하는 제어 신호 생성부, 및 상기 차량 내 마이크에서 관측된 소음 신호와 상기 참조 신호 간의 오차를 바탕으로 상기 적응 필터의 필터 계수를 실시간으로 조정하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 타이어 공명음 저감 장치는, 상기 마이크와 스피커 간 시간 지연 값을 이용하여 상기 참조 신호를 보정하여, 보정된 참조 신호를 상기 제어부로 전달하는 보정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 마이크에서 관측된 소음 신호에 대한 푸리에 변환 결과로부터 제어 대상이 되는 주파수 구간을 매 시간주기로 탐색하고, 상기 탐색된 주파수 구간의 대역폭 크기를 기초로 최적 필터 길이를 실시간 결정하여 상기 적응 필터의 필터 길이를 조정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 적응 필터의 현재 필터 길이가 상기 결정된 필터 길이보다 작으면, 상기 적응 필터의 필터 길이를 상기 결정된 필터 길이로 업데이트할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 푸리에 변환 결과로부터 관측되는 피크 주파수를 기준으로 좌우로 상기 피크 주파수보다 설정 데시벨(dB) 감쇄한 크기로 검출되는 제1 및 제2 주파수를 이용하여 상기 주파수 구간을 매 시간주기로 탐색할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 적응 필터의 최적 필터 길이(Lopt)를 아래의 수학식을 이용하여 실시간 결정할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, fband는 상기 주파수 구간의 대역폭 크기, fs는 상기 매 시간주기에 해당한 샘플링 주파수를 나타낸다.
그리고, 본 발명은, 타이어 공명음 저감 장치를 이용한 타이어 공명음 저감 방법에 있어서, 타이어 공명음에 대응하는 단일 주파수의 참조 신호를 생성하는 단계와, 상기 참조 신호에 적응 필터를 적용하여 상기 타이어 공명음을 상쇄하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 제어 신호를 차량 내 스피커로 인가하는 단계, 및 상기 차량 내 마이크에서 관측된 소음 신호와 상기 참조 신호 간의 오차를 바탕으로 상기 적응 필터의 필터 계수를 실시간으로 조정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 타이어 공명음 저감 방법은, 상기 마이크와 스피커 간 시간 지연 값을 이용하여 상기 참조 신호를 보정하는 단계를 더 포함하고, 상기 적응 필터의 필터 계수를 조정하는 단계는, 상기 마이크에서 관측된 소음 신호와 상기 보정된 참조 신호 간의 오차를 바탕으로 상기 적응 필터의 필터 계수를 조정할 수 있다.
또한, 상기 적응 필터의 필터 계수를 조정하는 단계는, 상기 마이크에서 관측된 소음 신호에 대한 푸리에 변환 결과로부터 제어 대상이 되는 주파수 구간을 매 시간주기로 탐색하는 단계, 및 상기 매 시간주기로 탐색된 상기 주파수 구간의 대역폭 크기를 기초로 최적 필터 길이를 실시간 결정하여 상기 적응 필터의 필터 길이를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 적응 필터의 필터 길이를 조정하는 단계는, 상기 적응 필터의 현재 필터 길이가 상기 최적 필터 길이보다 작은 경우에, 상기 적응 필터의 필터 길이를 상기 결정된 최적 필터 길이로 업데이트할 수 있다.
또한, 상기 주파수 구간을 탐색하는 단계는, 상기 푸리에 변환 결과로부터 관측되는 피크 주파수를 기준으로 좌우로 상기 피크 주파수보다 설정 데시벨(dB) 감쇄한 크기로 검출되는 제1 및 제2 주파수를 이용하여 상기 주파수 구간을 매 시간주기로 탐색할 수 있다.
또한, 상기 적응 필터의 필터 길이를 조정하는 단계는, 상기 적응 필터의 최적 필터 길이(Lopt)를 아래의 수학식을 이용하여 실시간 결정할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, fband는 상기 주파수 구간의 대역폭 크기, fs는 상기 매 시간주기에 해당한 샘플링 주파수를 나타낸다.
본 발명에 따르면, 차량 주행 중에 타이어에서 발생하는 소음 중 타이어 공명음을 능동 소음 제어를 통하여 효율적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 경우 차량 실내에서 관측되는 변동하는 소음 신호에 반응하여 적응 필터의 필터 계수 뿐만 아니라 필터 길이를 실시간 적응적으로 조절할 수 있도록 구현하여 능동 소음 제어를 통한 차량 실내의 타이어 공명음 저감 효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동 소음 제어를 통한 타이어 공명음 저감 기법의 동작 개념을 설명한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 타이어 공명음 저감 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 4는 차량 주행 시 발생한 소음 신호를 STFT 변환한 결과를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 LMS 알고리즘을 기반으로 적응 필터의 필터 계수를 업데이트하는 원리를 설명한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 적응 필터의 길이 조절을 위한 타이어 공명음의 주파수 대역 분석 원리를 설명한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 타이어 공명음 저감 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 기법의 성능 테스트 환경을 설명한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 타이어 공명음 저감 장치의 소음 저감 성능을 보여주는 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동 소음 제어를 통한 타이어 공명음 저감 기법의 동작 개념을 설명한 도면이다.
도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 타이어 공명음 저감 장치(100)는 타이어의 공명음을 저감할 수 있는 제어 신호를 생성하여 차량 내 설치된 스피커(20)를 통하여 출력한다.
구체적으로, 타이어 공명음 저감 장치(100)는 차량 내 마이크(10)를 통해 측정되는 타이어 공명음을 포함한 소음 신호와 미리 설정된 참조 신호 간의 오차를 분석하여 타이어 공명음을 상쇄하기 위한 제어 신호를 생성한다. 제어 신호는 앰프(30)를 통해 증폭 후 차량 내 스피커(20)로 출력된다. 차량 내 유입되는 타이어 공명음은 스피커(20)에서 출력되는 제어 신호와 만나면서 상쇄될 수 있다.
또한, 본 발명은 적용에 어려움이 있는 FxLMS 기반의 놋치 필터(Notch filter)를 사용하지 않고 오더 필터(Order filter)를 사용하여 공명음을 저감한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 타이어 공명음 저감 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 2에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 타이어 공명음 저감 장치(100)는 참조 신호 생성부(110), 제어 신호 생성부(120) 및 제어부(130)를 포함하며, 보정부(140)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 각 부(110~130)의 동작 및 각 부 간의 데이터 흐름은 제어부(130)에 의해 제어될 수 있다.
참조 신호 생성부(110)는 타이어 공명음에 대응하는 단일 주파수의 참조 신호를 생성한다. 여기서, 타이어 공명음에 대응하는 단일 주파수 값은 차량에 장착된 타이어의 규격(형상, 크기 등) 혹은 그러한 타이어 규격을 토대로 분석된 시뮬레이션 결과로부터 사전에 도출될 수 있다.
참조 신호 생성부(110)는 타이어 공명음에 해당하는 단일 주파수 성분으로 이루어진 정현파 형태의 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 참조 신호 생성부(110)는 신호 발생기(예: Sine Oscillator)를 통하여 구현될 수 있다.
여기서 타이어 공명음은 완전한 단일 주파수 성분은 아니며 일정한 대역을 가지기 때문에, 실제로 사용되는 참조 신호는 해당 공명음 대역 내에 속한 임의의 대표 주파수 값(예: 대역 내 신호 강도가 최대인 피크 주파수)으로 구성될 수 있다.
도 4는 차량 주행 시 발생한 소음 신호를 STFT 변환한 결과를 예시적으로 나타낸 도면이다.
이러한 도 4는 차량 주행 시 발생하는 소음을 마이크로 녹음한 후에 녹음 신호를 STFT(Short-Time Fourier Transform) 변환한 결과로, 가로 축은 시간(time), 세로축은 주파수(frequency) 값을 나타낸다. 이를 통해 시간-주파수 맵 상에서 시간 흐름에 따른 각 주파수 별 신호 강도(세기)를 색상 값으로 확인할 수 있다.
차량 주행 시 녹음된 소음 신호에는 150 Hz 이하의 저주파 소음 이외에 220Hz 근방에서 피크가 관측되는 것을 알 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 해당하는 피크 주파수 신호를 참조 신호 생성을 위한 주파수 값으로 사용될 수 있다.
타이어 공명음은 타이어와 휠 사이에 존재하는 도넛 형태의 공동에 의한 공명 모드가 노면 입력에 의해 차량 내부에서 소음으로 관측되는 것이다. 그런데 도 4에 나타낸 것과 같이 타이어 공명음에 해당한 주파수 성분은 완전한 단일 주파수 성분은 아니며, 피크 주파수 성분을 기준으로 일정 범위의 주파수 대역폭을 가지는 것을 알 수 있다.
여기서, 타이어의 형상, 크기 등의 타이어 규격에 따라 타이어 공명음에 해당한 주파수 대역과 해당 대역 내 피크 주파수 값은 달라질 수 있으며, 참조 신호 생성을 위해 사용되는 주파수 값 역시 타이어 규격 별로 달리 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예의 경우, 타이어 공명음의 피크 주파수 성분과 동일 주파수의 참조 신호를 정현파 형태로 생성하고, 참조 신호에 적응 필터(adaptive filter)를 적용하여 타이어 공명음을 저감하기 위한 제어 신호를 생성하여 스피커(20)로 전달한다. 이와 동시에 차량 내 마이크(10)에서 관측되는 소음 신호와 참조 신호 간 오차를 바탕으로 적응 필터의 계수가 실시간 적응적으로 조정됨으로써 차량 내로 유입되는 타이어 공명음의 효율적 상쇄가 가능해진다.
구체적으로, 제어 신호 생성부(120)는 도 3과 같이, 참조 신호 생성부(110)에서 생성한 참조 신호에 적응 필터를 적용하여 타이어 공명음을 상쇄하기 위한 제어 신호를 생성하고, 제어 신호를 차량 내 스피커(20)로 인가한다.
도 3에서 x(n)은 참조 신호, W(z)는 적응 필터, y(n)는 공명음 상쇄를 위해 생성한 제어 신호를 나타낸다. 또한, e(n)은 차량 내 마이크(10)에서 관측된 소음 신호를 의미한다.
이와 같이, 제어 신호 생성부(120)는 참조 신호 x(n)에 적응 필터 W(z)를 적용하여 타이어 공명음을 상쇄하기 위한 제어 신호 y(n)를 생성하고 이를 스피커(20)로 인가한다.
여기서, 제어부(130)는 차량 내 마이크(10)에서 실제 관측되는 소음 신호 e(n)와 참조 신호 생성부(110)에서 생성한 참조 신호 x(n) 간의 오차를 바탕으로 적응 필터의 필터 계수를 실시간으로 조정할 수 있다.
이때, 마이크(10)를 통해 입력되는 소음 신호 e(n)를 보면, 알고리즘 초기에는 차량 외부에서 유입되는 타이어 공명음과 관련된 외부 소음 신호 d(n) 만으로 구성되지만, 알고리즘의 진행에 따라 제어 신호 y(n)가 생성된 이후부터는 외부 소음 신호 d(n)과 제어 신호 y(n)의 합으로 구성되게 된다.
본 발명의 실시예에서 제어부(130)는 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여 적응 필터의 필터 계수를 실시간 조정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 LMS 알고리즘을 기반으로 적응 필터의 필터 계수를 업데이트하는 원리를 설명한 도면이다.
도 5와 같이 제어 신호 생성부(120)는 디지털 필터인 적응 필터를 포함하여 구성되며 적응 필터의 계수 및 길이는 제어부(130)에 의해 제어된다. 여기서, 적응 필터는 FIR 적응 필터(Finite Impulse Response Adaptive Filter)로 구성될 수 있다.
제어 신호 생성부(120)는 입력되는 참조 신호 x(n)에 적응 필터(FIR 필터)를 적용하여 타이어 공명음 저감을 위한 제어 신호 y(n)을 생성하여 출력한다. 여기서, 적응 필터(FIR 필터)의 필터 계수는 필터의 출력 신호 y(n)을 결정한다.
제어부(130)는 적응 필터 알고리즘인 LMS 알고리즘을 사용하여 매 시점마다 필터 계수 wi(n)를 특정한 조건을 만족하도록 업데이트할 수 있다. 이때, i={0,1,…,L-1}이며, L은 적응 필터(FIR 필터)의 필터 길이를 의미한다. 따라서, 필터의 계수는 간단히 행렬
Figure pat00003
로 표현 가능하다.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에서 제어 신호 생성부(120)는 보정부(140)를 통하여 보정된 참조 신호 x'(n)를 이용하여 제어 신호를 생성할 수 있다. 보정된 참조 신호란, 마이크-스피커 간 전달 경로 상의 시간 지연 값이 반영된 참조 신호를 의미한다.
보정부(140)는 차량 내 마이크(10)와 스피커(20) 간의 실제 측정된 시간 지연 값을 이용하여 참조 신호 x(n)를 보정하여, 보정된 참조 신호 x'(n)를 제어부(130)로 전달할 수 있다. 시간 지연 값은 마이크(10)와 스피커(20) 간에 측정된 전달 경로
Figure pat00004
를 이용하여 사전에 획득 가능하다.
이와 같이, 보정부(140)는 시간 지연 값을 참조 신호 x(n)에 반영하여 참조 신호를 보정할 수 있다. 그러면, 제어부(130)는 실질적으로 마이크(10)에서 관측된 소음 신호 e(n)와 보정된 참조 신호 x'(n) 간의 오차를 바탕으로 적응 필터의 필터 계수
Figure pat00005
를 실시간 조정할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예는 차량 내 마이크(10)를 통해 실제 측정된 소음 신호와 참조 신호 간 오차를 분석하고 이를 바탕으로 적응 필터의 필터 계수를 실시간 조정하여 타이어 공명음을 보다 효율적으로 저감할 수 있다.
그런데 차량 주행 중에 측정 환경, 노면 상황, 외부 변수 등에 따라 타이어 공명음 주파수 대역이 미세하게 실시간으로 변동할 수 있는데, 이러한 상황을 고려하여 본 발명의 실시예는 현재 마이크(10)에 유입되는 소음 신호의 주파수 대역 또는 대역폭을 실시간 모니터링하고 이를 기반으로 적응 필터의 필터 길이를 실시간 조정할 수 있다.
본 발명의 실시예는 마이크(10)에서 관측된 소음 신호로부터 분석되는 공명음 주파수 대역에 해당한 제어 대상 주파수 구간 정보를 바탕으로 적응 필터의 필터 길이를 매 시간 별로 조정하고 업데이트할 수 있으며, 이를 통하여 변동하는 주파수 대역폭에 강인한 소음 저감 기법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 마이크(10)에서 관측된 소음 신호에 대한 푸리에 변환(FFT; Fast Fourier Transform) 결과로부터 제어 대상이 되는 주파수 구간(관심 주파수 구간)을 매 시간주기로 탐색한다.
그리고, 제어부(130)는 탐색된 주파수 구간의 대역폭 크기를 분석하고 이를 기초로 최적의 필터 길이(이하, 최적 필터 길이)를 실시간 결정하여 적응 필터의 필터 길이 L를 조정할 수 있다.
아울러, 제어부(130)는 푸리에 변환 결과로부터 관측되는 피크 주파수를 기준으로 좌우로 피크 주파수보다 설정 데시벨(dB) 감쇄한 크기로 검출되는 제1 및 제2 주파수를 이용하여 주파수 구간을 매 시간주기로 탐색할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 적응 필터의 최적 길이 선정을 위한 타이어 공명음의 주파수 구간 분석 원리를 설명한 도면이다.
도 6에 나타낸 것과 같이, 먼저 제어부(130)는 마이크(10)에서 측정된 소리 신호에 대하여 FFT를 적용한다. 그러면, 시간 도메인 상의 신호가 주파수 도메인 상의 신호로 변환된다. 이후에, 주파수 도메인 상에서 피크 주파수(fpeak)를 탐색한 다음, 피크 주파수의 좌우에 대해 해당 피크 주파수의 세기보다 10 dB만큼 감쇄한 크기에 해당한 주파수인 f1과 f2를 탐색한다(f2>f1).
f1과 f2 사이의 대역이 곧 제어 대상이 되는 주파수 구간에 해당하며, 해당 주파수 구간의 대역폭 크기 fband = f2-f1로 표현될 수 있다. 도 1의 경우 dB 단위가 아닌 rms 크기 단위로 신호 세기를 도시하고 있으나, 단위 변환을 통하여 쉽게 dB 단위의 그래프로 변경 가능하다.
여기서, 제어부(130)는 이와 같이 탐색된 주파수 구간의 대역폭 크기(fband)를 이용하여 적응 필터의 최적 필터 길이(Lopt)를 아래 수학식 1을 기반으로 실시간 결정할 수 있다.
Figure pat00006
여기서, fband는 주파수 구간의 대역폭 크기, fs는 매 시간주기에 해당하는 샘플링 주파수(능동 제어 알고리즘의 샘플링 주파수)를 나타낸다.
이때, 제어부(130)는 적응 필터의 현재 필터 길이(Lcurrent)를 수학식 1에서 결정된 최적 필터 길이(Lopt)와 비교한 결과를 바탕으로 필터 길이를 업데이트할 수 있다. 여기서 업데이트란 데이터를 유지하거나 수정하는 행위를 포괄하는 개념이다.
예를 들어, 제어부(130)는 적응 필터의 현재 필터 길이(Lcurrent)가 수학식 1을 통해 결정된 최적 필터 길이(Lopt)보다 작은 경우에는 대역폭이 불충분한 것으로 판단하여, 필터 길이를 최적 필터 길이(Lopt)로 변경할 수 있다. 이에 따라 필터 길이는 증가하게 되며 제어 대역폭을 증가시킬 수 있다. 아울러 현재 필터 길이가 최적 필터 길이와 같거나 큰 경우라면 필터 길이를 그대로 유지할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예는 마이크를 통해 현재 측정된 소음 신호를 분석하여 적응 필터의 필터 계수 뿐만 아니라 필터 길이를 업데이트할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제안한 기법은 적절한 참조 신호를 얻기 어려운 상황과 정확한 주파수를 특정하기 어려운 상황을 모두 해결할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 타이어 공명음 저감 방법을 설명하는 도면이다.
먼저, 참조 신호 생성부(110)는 타이어 공명음에 대응하는 단일 주파수의 참조 신호를 생성한다(S710). 여기서, 참조 신호 생성부(110)는 타이어 형상으로부터 획득된 공명음 주파수를 이용하여 정현파 형태의 참조 신호를 생성할 수 있다. 참조 신호 생성부(110)는 생성한 참조 신호를 보정부(140) 및 제어 신호 생성부(120)로 전달한다.
보정부(140)는 마이크와 스피커 간 시간 지연 값을 참조 신호에 반영하여 참조 신호를 보정한다(S720). 보정부(140)는 보정된 참조 신호를 제어부(130)로 전달한다.
제어 신호 생성부(120)는 참조 신호 생성부(110)에서 생성한 참조 신호에 적응 필터를 적용하여 타이어 공명음을 상쇄하기 위한 제어 신호를 생성하고(S730), 이를 스피커(20)로 인가한다(S740). 여기서, 제어 신호 생성부(120)는 제어 신호를 앰프(30)에 전달하여 증폭시켜서 마이크(10)에 인가할 수 있다.
여기서, 제어부(130)는 차량 내 마이크(10)에서 관측된 소음 신호와 보정부(140)로부터 전달받은 보정된 참조 신호 간의 오차를 바탕으로 적응 필터의 필터 계수를 실시간으로 조정한다(S750).
이러한 제어부(130)는 LMS 알고리즘을 사용하여 매 시간마다 적응 필터의 필터 계수를 최적으로 업데이트할 수 있으며, 필터 계수의 실시간 조정에 따라 제어 신호 생성부(120)에서 생성 및 출력되는 제어 신호가 조절될 수 있다.
이에 따라, 차량 내 유입되는 타이어 공명음은 스피커(20)에서 실시간 출력되는 제어 신호와 합쳐지면서 상쇄될 수 있고, 차량 실내에서 타이어 공명음으로 인한 소음이 저감될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 적응 필터를 제어하는 S750 단계는 필터 계수 조정 단계 뿐만 아니라 필터 길이 조정 단계를 포함할 수 있다. 물론, 필터 계수 조정 및 필터 길이 조정은 동시에 이루어질 수도 있다.
즉, S750 단계에서 제어부(130)는 LMS 알고리즘을 사용하여 필터 계수를 실시간 업데이트할 수 있고, 마이크(10)에 유입되는 소음 신호를 도 6의 방법으로 실시간 분석하여 얻은 제어 대상 주파수 구간을 바탕으로 최적 필터 길이를 선정하고 필터 길이를 실시간 업데이트할 수 있다.
이때, 제어부(130)는 적응 필터의 현재 필터 길이가 최적 필터 길이보다 작은 경우라면, 제어 대역폭이 충분치 못한 것으로 판단하여, 필터 길이를 최적 필터 길이로 변경할 수 있다. 필터 길이가 늘어남에 따라 타이어 공명음의 현재 주파수 대역(제어 대상 주파수 구간)을 커버하는 넓은 주파수 대역을 갖는 제어 신호를 생성할 수 있다. 물론, 비교 결과 제어 대역폭이 충분한 경우에는 필터 길이를 현재 상태 그대로 유지할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예의 경우, 제어 신호의 제어 대역폭이 부족한 경우에는 최적 필터 길이만큼 필터 길이를 조정하여 제어 신호의 대역폭을 충분히 확보하여 소음 저감 효율을 높인다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 적응 필터의 필터 계수 조정에 더하여 필터 길이 조정을 병행하는 알고리즘을 사용할 수 있다. 또한, 현재 필터 길이가 현재 시간 주기에서 알고리즘을 통해 결정된 최적 필터 길이보다 작은 경우에 제어 대역폭이 부족한 것으로 판단하여 그에 반응하여 필터 길이를 최적 필터 길이로 증가시켜 공명음을 효율적으로 상쇄시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 기법의 성능 테스트 환경을 설명한 도면이다. 도 8의 (a)는 소음 측정용 마이크를 차량 내 헤드레스트의 좌우에 설치한 모습이고, (b)는 소음 제어를 위한 스피커를 차량 내에 설치한 모습을 나타낸다. 도 8의 (c)는 앰프 및 DSP(dsPACE MicroAutoBox)를 포함하여 구성된 타이어 공명음 저감 장치의 실제 모습을 보여준다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 타이어 공명음 저감 장치의 소음 저감 성능을 보여주는 도면이다. 이러한 도 9는 차량의 헤드레스트 양쪽(left, Right)에 설치된 소음 측정용 마이크에서 측정한 소음 신호 측정 결과이다. 여기서, '제어×'는 소음 제어를 하지 않은 경우이고, '제어○'는 본 발명의 기법을 통하여 소음 제어를 수행한 경우이다.
도 9를 참조하면 220 Hz 근방에서 타이어 공명음에 의한 소음이 발생하였고, 본 발명의 기법으로 소음 제어 시, 소음 제어를 하지 않은 경우보다 공명음 성분이 약 3dB 정도 감소되었다. 3dB 감소란 실제 파워 레벨 단위로 볼 때 50%가 감소한 것이기 때문에, 본 발명의 기법을 차량에 적용할 경우에 상당한 소음 저감 효과를 얻음을 확인할 수 있었다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 차량 주행 중에 타이어에서 발생하는 소음 중 타이어 공명음을 능동 소음 제어를 통하여 효율적으로 저감할 수 있다.
아울러, 본 발명은 차량 실내의 변동하는 소음 신호에 반응하여 적응 필터의 필터 계수 뿐만 아니라 필터 길이를 실시간 적응적으로 조절할 수 있도록 구현하여 능동 소음 제어를 통한 차량 실내의 타이어 공명음 저감 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 마이크 20: 스피커
30: 앰프 100: 타이어 공명음 저감 장치
110: 참조 신호 생성부 120: 제어 신호 생성부
130: 제어부 140: 보정부

Claims (12)

  1. 능동 소음 제어를 통한 차량 실내 타이어 공명음 저감 장치에 있어서,
    타이어 공명음에 대응하는 단일 주파수의 참조 신호를 생성하는 참조 신호 생성부;
    상기 참조 신호에 적응 필터를 적용하여 상기 타이어 공명음을 상쇄하기 위한 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호를 차량 내 스피커로 인가하는 제어 신호 생성부; 및
    상기 차량 내 마이크에서 관측된 소음 신호와 상기 참조 신호 간의 오차를 바탕으로 상기 적응 필터의 필터 계수를 실시간으로 조정하는 제어부를 포함하는 타이어 공명음 저감 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크와 스피커 간 시간 지연 값을 이용하여 상기 참조 신호를 보정하여, 보정된 참조 신호를 상기 제어부로 전달하는 보정부를 더 포함하는 타이어 공명음 저감 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 마이크에서 관측된 소음 신호에 대한 푸리에 변환 결과로부터 제어 대상이 되는 주파수 구간을 매 시간주기로 탐색하고, 상기 탐색된 주파수 구간의 대역폭 크기를 기초로 최적 필터 길이를 실시간 결정하여 상기 적응 필터의 필터 길이를 조정하는 타이어 공명음 저감 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 적응 필터의 현재 필터 길이가 상기 결정된 필터 길이보다 작으면, 상기 적응 필터의 필터 길이를 상기 결정된 필터 길이로 업데이트하는 타이어 공명음 저감 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 푸리에 변환 결과로부터 관측되는 피크 주파수를 기준으로 좌우로 상기 피크 주파수보다 설정 데시벨(dB) 감쇄한 크기로 검출되는 제1 및 제2 주파수를 이용하여 상기 주파수 구간을 매 시간주기로 탐색하는 타이어 공명음 저감 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 적응 필터의 최적 필터 길이(Lopt)를 아래의 수학식을 이용하여 실시간 결정하는 타이어 공명음 저감 장치:
    Figure pat00007

    여기서, fband는 상기 주파수 구간의 대역폭 크기, fs는 상기 매 시간주기에 해당한 샘플링 주파수를 나타낸다.
  7. 타이어 공명음 저감 장치를 이용한 타이어 공명음 저감 방법에 있어서,
    타이어 공명음에 대응하는 단일 주파수의 참조 신호를 생성하는 단계;
    상기 참조 신호에 적응 필터를 적용하여 상기 타이어 공명음을 상쇄하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계;
    상기 제어 신호를 차량 내 스피커로 인가하는 단계; 및
    상기 차량 내 마이크에서 관측된 소음 신호와 상기 참조 신호 간의 오차를 바탕으로 상기 적응 필터의 필터 계수를 실시간으로 조정하는 단계를 포함하는 타이어 공명음 저감 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 마이크와 스피커 간 시간 지연 값을 이용하여 상기 참조 신호를 보정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 적응 필터의 필터 계수를 조정하는 단계는,
    상기 마이크에서 관측된 소음 신호와 상기 보정된 참조 신호 간의 오차를 바탕으로 상기 적응 필터의 필터 계수를 조정하는 타이어 공명음 저감 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 적응 필터의 필터 계수를 조정하는 단계는,
    상기 마이크에서 관측된 소음 신호에 대한 푸리에 변환 결과로부터 제어 대상이 되는 주파수 구간을 매 시간주기로 탐색하는 단계; 및
    상기 매 시간주기로 탐색된 상기 주파수 구간의 대역폭 크기를 기초로 최적 필터 길이를 실시간 결정하여 상기 적응 필터의 필터 길이를 조정하는 단계를 더 포함하는 타이어 공명음 저감 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 적응 필터의 필터 길이를 조정하는 단계는,
    상기 적응 필터의 현재 필터 길이가 상기 최적 필터 길이보다 작은 경우에, 상기 적응 필터의 필터 길이를 상기 결정된 최적 필터 길이로 업데이트하는 타이어 공명음 저감 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 주파수 구간을 탐색하는 단계는,
    상기 푸리에 변환 결과로부터 관측되는 피크 주파수를 기준으로 좌우로 상기 피크 주파수보다 설정 데시벨(dB) 감쇄한 크기로 검출되는 제1 및 제2 주파수를 이용하여 상기 주파수 구간을 매 시간주기로 탐색하는 타이어 공명음 저감 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 적응 필터의 필터 길이를 조정하는 단계는,
    상기 적응 필터의 최적 필터 길이(Lopt)를 아래의 수학식을 이용하여 실시간 결정하는 타이어 공명음 저감 방법:
    Figure pat00008

    여기서, fband는 상기 주파수 구간의 대역폭 크기, fs는 상기 매 시간주기에 해당한 샘플링 주파수를 나타낸다.
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