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소음 및 진동 분석과 제어 논의

소개

자동차 업계에서 일한 사람이라면 누구나 소음, 진동 및 가혹함을 의미하는 약어 NVH에 익숙할 것입니다.이 약어는 더 조용하고 부드럽게 달리는 자동차를 설계하여 더 높은 품질, 더 신뢰할 수있는 제품을 만드는 일반적인 목표를 나타내는 용어입니다. NVH 문제에 대한 관심은 자동차 산업을 넘어 거의 모든 유형의 부품, 장치 또는 구조로 이어지며 오늘날 대부분의 제품 설계자의 일반적인 관심사가되었습니다.

본 문서에서는 소음과 진동 제어 주제에 대한 일반적인 논의를 다루고 있으며 수년간, 해당 연구 분야에 몸담아온 자문 위원의 관점에서 기술을 분석하고 있습니다. Boyd는 가장 적합한 보호 조치를 제시하기 위해, 체계적이고 분석적인 사고 과정을 활용하여, 문제의 기반이 되는 역학을 이해하고 고객의 문제를 해결하는 방식의 문제 해결 자문 접근법을 도입하고자 노력하고 있습니다.

일부 극단적 인 경우 NVH 문제로 인해 장치의 작동 오작동 또는 기계적 고장이 발생할 수 있습니다. 그러나 종종 NVH 문제는 인식 된 품질 문제와 관련이 있습니다. 도 1은 전형적인 NVH 조건이 제품 사용자에 의해 호의적으로 인식되거나 그렇지 않은 송신된 진동 및/또는 잡음 조건을 생성하기 위해 구조물의 역학과 어떤 방식으로 상호작용하는 여기 소스의 일부 조합으로서 표현되는 소스/응답 관계의 간단한 예시이다. 여기서 좋은 품질의 제품에 대한 인식은 방출 된 진동 또는 방사 된 소음의 전반적인 수준뿐만 아니라 제품 사용자에 대한 이러한 출력의 주관적인 성격에 의해 영향을받습니다.

최상의 시나리오에서는 소음 및 진동 소스 수준이 허용 가능한 수준으로 잘 제어되고 제조 변동이 최소한으로 유지되도록 특정 설계 및 구성 요소 선택을 통해 설계 주기 초기에 이러한 잠재적인 NVH 문제를 피할 수 있습니다. 그 결과 NVH는 소스 수준에서 제어되며, 이는 분명히 모든 제품 설계자의 욕구입니다. 종종 이것은 경제적 인 옵션이 아니거나이 목표를 달성하는 것이 특정 설계 결정이 작동 성능에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것이 매우 어렵 기 때문에 소음 및 진동 특성에 영향을 미치기 때문에 말하기가 더 쉽습니다. 많은 경우 NVH 문제는 설계가 정지 될 때까지 발견되지 않으며 문제를 제어하는 옵션은 "추가 기능"유형 대책으로 제한됩니다.

그림 1: 소스/응답 동작
그림 2: 고조파 소스 여기

여기 소스 제어

흥분력의 유형은 여러 형태로 올 수 있습니다. 많은 제품에는 회전 모터, 팬, 기어 등이 포함되어 있으며 회전 구성 요소의 불균형 또는 드라이브 샤프트의 정렬 불량으로 인해 원치 않는 자극력이 발생합니다. 이들은 본질적으로 이산적이며, 일반적으로 기본 회전 속도에서이 톤의 고조파 배수에서 눈에 띄는 피크를 포함합니다. 예를 들어, 작동 팬의 경우, 기본 회전 속도의 배수 곱하기 팬 블레이드의 배수에서 교란이 발생할 수도 있습니다.

베어링 하중 또는 부하 변동(종종 전기적으로 구동됨)과 같은 다른 요인은 추가적인 여기 입력을 생성할 수 있습니다. 구성 요소의 왕복 운동의 작동 거동, 특히 부품 간에 충격이 심한 경우 왕복 주파수에서 강제 여기뿐만 아니라 넓은 주파수 범위에 걸쳐 에너지를 입력하는 충격 과도 상태가 발생할 수 있습니다. 힘 레벨의 레벨과 주파수 범위 모두 관련된 구성 요소의 질량뿐만 아니라 접점 사이의 경도에 의해 영향을받습니다 (즉, 금속 접촉의 금속은 매우 넓은 주파수 범위에 걸쳐 에너지 분포를 초래합니다). 정상적인 작동 조건에서 부품의 빠른 시작/정지 동작은 또한 구조를 스스로 자극하는 경향이 있는 과도 부하의 원인이 될 수 있습니다.

예를 들어 일반적인 읽기/쓰기 작업 중에 디스크 미디어를 통해 트랙에서 트랙으로 이동할 때 암 어셈블리가 빠르게 회전하여 작동되는 일반적인 하드 디스크 드라이브의 읽기/쓰기 작업이 있습니다. 각 하드 스타트 & 스톱 액션은 구조물에 부딪히고 모든 내부 공명에 활력을 불어 넣는 소형 충격 해머와 같습니다. 이것은 시스템에 읽기/쓰기 헤드의 이러한 원치 않는 움직임을 신속하게 소멸시키기에 충분한 댐핑이 없는 정도로 문제가 됩니다. 궁극적으로 오프 트랙 오류가 발생하여 장치의 성능이 저하 될 수 있습니다.

이 예에서 더 자세히 설명하면, 일반적인 하드 디스크 드라이브에는 여기 소스의 집합이 적용됩니다: 디스크 플래터를 7500 또는 10000RPM으로 회전시키는 회전 스핀들 모터, 암 액추에이터 어셈블리를 회전시키는 회전식 작동 보이스 코일 모터, 원치 않는 교란을 생성하는 암 피봇 또는 스핀들 베어링의 베어링 효과, 및 공기가 방사 디스크로부터의 난류 기류로부터 여기 유도되어 암/서스펜션 성분 위로 공기를 밀어낸다. 목표는 다양한 디자인 선택을 통해 소스 수준에서 이러한 여기력을 제어하는 것입니다. 예를 들어, 드라이브 산업이 보다 정밀한 유체 다이내믹 베어링으로 변경되면 드라이브에 의해 발생하는 유휴 소음이 크게 개선되었습니다. 더 높은 품질 표준에 따라 제조된 더 나은 품질의 부품은 부품 공차를 강화하여 변동을 줄여 여기 수준을 더욱 낮추는 데 도움을 줍니다. 공기 유도 진동은 오늘날 만들어진 고속 드라이브의 부산물이지만, 이 소스조차도 난류 공기 흐름을 최소화하는 데 도움이 되는 공기 교정 장치를 사용하여 제어할 수 있으므로 디스크 플래터 및 액추에이터에 대한 광대역 여기의 원천을 줄일 수 있습니다.

일반적으로 여기 소스 수준을 최소화하기위한 전략에는 힘 수준을 줄이기 위해 경량 구성 요소를 사용하고, 구성 요소 간의 불균형과 불일치를 최소화하고, 원치 않는 변동을 제거하는보다 정확한 제조 방법이 포함됩니다. 왕복 하중의 감소는 움직이는 부품의 질량을 줄이거나 관성 카운터 저울을 사용하여 달성 할 수 있습니다. 기어드 부품의 경우 높은 접촉률(>2.0) 선택, 적절한 윤활, 기어 재료 선택, 톱니 프로파일 및 표면 마무리, 샤프트 정렬은 모두 우수한 기어 설계 및 작동에 영향을 미치는 요소입니다. 다른 방법에는 더 나은 NVH 특성 (즉, 냉각 수요를 제어하기 위해 종종 적극적으로 제어되는 느린 속도로 실행되는 냉각 팬의 "조용한 모드"또는 덜 강력한 구성 요소로 인해 냉각하는 데 더 오래 걸리는 자동차 에어컨)의 이익을 위해 속도 또는 전력의 희생이 이루어지는 실제 작동 프로파일의 수정이 포함됩니다. 또는 더 긴 탐색 시간을 희생하여 흥분 수준을 최소화하기 위해 천천히 감속하는 하드 드라이브).

구조적 반응

소음 및 진동원의 특성을 이해하는 데 중요하기 때문에 구조물의 역학이 이러한 입력 강제 기능과 상호 작용하는 방법과 명시된 NVH 조건에 가장 중요한 요소에 대한 철저한 지식을 개발해야합니다. 특히, 소음 및/또는 진동은 소스에서 수신기로 어떤 전송 경로에 의해 따르는가? 여기 소스의 주파수 내용의 특성은 무엇이며 이것이 장치의 구조적 역학과 어떻게 관련이 있습니까? NVH 문제의 본질은 주로 구조의 공명과의 상호 작용에 의해 영향을 받습니까, 아니면 강성 제어 (저주파) 범위 또는 질량 제어 (고주파) 범위에서 입력 여기가 "오프 공명"으로 존재합니까? 전형적인 구조적 동적 거동에 대한 일반화 된 그림은 아래 그림을 참조하십시오.

공진은 모든 구조에 존재하며 에너지를 충분히 입력하는 경향이있는 구조적 불안정성으로 분류됩니다. 증폭의 수준은 구조물에 존재하는 댐핑의 고유 수준의 함수이다. 이론적 구조에 대한 도 1에 예시된 바와 같이, 전형적인 주파수 응답 스펙트럼에서, 공진은 특정 주파수에서 발생하는 날카로운 피크로서 예시된다. 댐핑의 수준은 피크의 "선명도"에 반영되며, 자연에서 둥글수록 댐핑 수준이 높아집니다. 주파수에서 이러한 피크의 위치는 구조의 질량 및 강성 특성과 관련이 있습니다.

그림 3: 일반적인 구조적 반응
그림 4: 기계적 분리의 단순화된 표현

강제 반응 조건은 자극이 구조물의 강성 제어 영역에서 이러한 공명 아래에서 발생할 때 존재하며, 여기력에 대한 반응은 구조의 강성에 의해 제어됩니다. 우리는 또한 여기 입력이 반응의 질량 제어 영역이라고 불리는 공명보다 훨씬 높을 때 강제 응답 조건을 가질 수 있습니다. 여기서 구성 요소 간의 고유 한 준수는 진동의 전달을 격리하는 역할을하며 응답 수준을 감소시키는 경향이 있습니다. 입력 여기와 응답 모션의 비율을 전송 가능성이라고 합니다. 구조의 단순화된 표현과 더 높은 주파수에서 여기 수준을 줄이기 위해 격리가 어떻게 작동하는지에 대한 예는 그림 4을 참조하십시오. 여기서 구조는 스프링 요소를 통해 지면에 부착 된 덩어리 덩어리로 표현됩니다 (이 경우 변위의 함수로서 강성과 댐핑 특성을 모두 갖는 점성 탄성 스프링).

탄력적 인 마운트, 스프링 또는 엘라스토머 가스켓은 종종 구조 매개 전달 경로를 따라 진동원과 구조 사이에 준수 인터페이스를 도입 할 목적으로 구조물을 접지에 부착하거나 부품 사이에 삽입하는 데 사용됩니다. 종종 구조물의 단일 자유도 모델 (스프링과 댐퍼 요소를 통해 부착 된 질량 요소로 구성됨)이 절연 성능을 최적화하는 데 사용됩니다. 스프링 강성은 절연 영역의 차단 주파수 fc (투과율이 1.0 < 인 경우)를 가능한 한 낮게 밀어 내기 위해 용인 될 수있는 한 약하도록 선택됩니다. 절연기는 이 차단 주파수 이상에서만 작동합니다. 공명 아래에서는 구조와 기초가 함께 움직입니다. 공진시, 절연 시스템은 실제로 입력력을 증폭시키며, 종종 절연기의 감쇠 레벨을 증가시켜야 하는 과도한 레벨로 증폭시킨다. 그러나 이것은 더 높은 주파수 절연 성능을 손상시킬 때 이루어지며, 기본 공진의 감소는 주파수 대 분리의 덜 날카로운 감쇠율을 의미합니다.

구조에 대한 강성 변경은 과도한 증폭을 초래할 수 있는 알려진 공진과의 결합에서 여기 입력을 불일치시키는 데 일반적으로 사용되는 접근 방식입니다. 그러나 강성의 변화는 강성 수준을 감소시킴으로써 더 높은 주파수에서 절연 효과를 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다 (그림 5에 나와 있음) 또는 강성을 증가시켜 낮은 주파수에서 응답 레벨을 감소시켜 컴플라이언스를 감소시킴으로써

그림 5: 강성 수정의 효과

음향 제어 방법

이 시점까지, 논의는 에너지가 구조 매개 경로를 통해 소스에서 수신기로 전달되는 강제 응답 유형의 조건에 중점을 두었습니다. 그러나 대부분의 에너지가 직접적인 공중 경로를 통해 수행되는 경우는 어떻습니까? 여기서 구조물의 격리 방법은 비효율적이며 질량/강성/감쇠 변경은 이러한 변형이 소음원 수준 자체를 감소시키는 경우에만 도움이 될 것이다. 음향 흡수 및/또는 장벽 처리의 조합을 통해 방사된 잡음을 처리하기 위해 다른 기술들이 적용될 수 있다.

흡수제는 방사 된 소음의 일부를 흡수하고 반사 된 음파를 약화시키는 능력을 갖춘 다공성 탄성 물질로 만든 애드온 처리입니다. 이들 물질은 섬유성(즉, 섬유유리 또는 폴리에스테르) 매트 재료 또는 다양한 유형의 가요성 세포 발포 물질(폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리프로필렌 등)일 수 있다. 흡수제는 소음원을 캡슐화하거나 구조물을 통해 덕트 공기 경로를 만드는 인클로저의 내부 벽을 정렬하기 위해 다양한 두께 (두꺼울수록 더 긴 파장의 낮은 주파수로 흡수하는 것이 더 나을 수록)로 절단 될 수 있습니다 (바람직하게는 직선 방향이 아니라 비뚤어진 경로를 통해).

흡수제는 또한 절뚝 거리는 질량 또는 중격 층과 결합하여 소음이 구조물을 통과 할 수 없지만 인클로저로 다시 반사되는 장벽 처리를 만듭니다. 흡수 트리트먼트는 또한 더 낮은 주파수 흡수 성능을 향상시키기 위해 가볍고 천공 된 피부 또는 엠보싱 패턴을 갖도록 구성 될 수 있습니다 (고주파 흡수를 희생하여).

머플러, 공진기 및 공기 직선기와 같은 다른 고급 유형의 공수 기반 장치를 구조에 통합하여 작동 장치의 방사 소음 수준을 최소화 할 수 있습니다. 공진기는 협대역 제거 필터처럼 작동하여 공진 캐비티 및 연결 오리피스의 형상에 의해 정의된 지정된 주파수 범위를 개선합니다. 공기 직선기는 지정된 길이와 직경의 평행 튜브의 벌집 구조를 통해 공기 흐름을 통과시켜 개구부 또는 덕트를 통해 공기의 난류 특성을 최소화하는 데 도움이됩니다.

댐핑 제어 방법

여기 에너지가 구조적 반응의 공진 영역에 존재할 때, 구조물의 이러한 자연적 불안정성이 입력 에너지를 과도한 수준으로 증폭시킬 수 있는 공진 조건이 발생하며, 특히 여기력의 성질이 본질적으로 이산적이거나 고조파인 경우. 공진의 위치 (질량 / 강성 변화를 통해) 또는 입력 여기의 특성을 이동할 수 없다면 고유 한 감쇠 수준을 높이는 것이 목표입니다. 이는 다양한 방법으로 작동할 수 있는 다양한 애드온형 장치를 통해 달성될 수 있다. 정의에 의한 기계적 댐핑은 어떤 수단에 의해 진동 에너지를 열로 전달하는 것을 말합니다. 댐핑은 여러 형태로 발생할 수 있습니다.

  • 기계식 조인트 댐핑
  • 점성 (유체) 댐핑
  • 입자/분말 댐핑
  • 압전 댐핑
  • 쿨롱 마찰 댐핑
  • 공기 댐핑
  • 재료 댐핑
    댐핑 메커니즘
  • 결합 구성 요소 간의 마찰 손실
  • 점성 유체 (충격 흡수 장치)
  • 움직이는 입자의 비탄성 충돌
  • 저항기를 가로지르는 션트 피에조 트랜스듀서
  • 높은 마찰 표면 사이의 상대 운동
  • 피스톤 부품을 통한 제한된 공기 흐름
  • 점탄성 재료에 순환 변형을 부여함
그림 6: 시스템 공진에 대한 댐핑 효과

시스템 응답에 대한 순 효과는 공진 주파수에서 더 둥근 피크입니다. 감쇠를 정량화하는 데 사용되는 방법은 피크의 "원형도"(종종 시스템 손실 계수, ɳ라고도 함) 또는 발생하는 증폭 수준 (증폭 계수, Q, ɳ의 역)을 측정합니다. 이론적으로, 댐핑 메커니즘은 강제 반응 조건에 대해서도 서로에 대해 상대적으로 움직이는 모든 컴포넌트 사이에 삽입될 수 있다. 그러나 댐핑은 시스템에 내재 된 댐핑의 낮은 수준으로 인해 공진 거동이 존재할 때 가장 효과적입니다. 애드온 댐핑 장치의 가장 좋은 시나리오는 입력 소스 레벨의 증폭을 제거하는 것입니다.

댐핑 장치의 가장 일반적인 형태는 점탄성 재료를 제약받지 않거나 제한된 층 표면 처리 또는 서로에 대해 움직이는 두 구성 요소를 연결하는 댐핑 링크로 사용하는 장치입니다. 각각의 개략적인 표현은 그림 7을 참조하십시오.

댐핑 장치의 가장 일반적인 형태는 점탄성 재료를 제약받지 않거나 제한된 층 표면 처리 또는 서로에 대해 움직이는 두 구성 요소를 연결하는 댐핑 링크로 사용하는 장치입니다. 각각의 개략적인 표현은 그림 7을 참조하십시오.

제약과 제약이없는 층 댐퍼는 모두 댐핑 요소가 구조물에 부착되는 표면 실장 처리입니다. 제약층 댐퍼의 경우, 구조 반대편에 강성 구속층이 적용되고, 순환 하중 하의 층들 사이의 상대적인 움직임은 얇은 점탄성 요소에 부여된 전단 변형을 생성한다. 제약없는 층 처리의 경우, 점성 탄성 요소는 관심있는 주파수 및 온도 범위에서 높은 강성 및 감쇠 특성 (즉, 고손실 모듈러스)을 모두 가져야합니다. 구조가 변형됨에 따라, 점성 탄성 층은 응력의 장력 / 압축 상태에서 재료를 변형시키는 순환 하중의 영향을받습니다. 댐핑 링크의 경우, 점탄성 요소는 상대적인 움직임이 있는 두 구성 요소 사이에 어떤 수단(패드, 링크 또는 개스킷 유형 부분)에 의해 연결되어, 점탄성 요소에 장력/압축 변형의 전단 형태를 부여한다. 이러한 장치가 장치의 특정 작동 온도 범위에서 대상 모드에 효과적이도록 설계하려면 댐퍼를 설계하고 응용 분야에 적합한 재료를 선택하기 위해 이러한 재료의 온도-주파수 종속 특성을 이해해야 합니다.

그림 7: 점탄성 댐퍼의 일반적인 유형

결론

설계 엔지니어는 일반적인 작동 장치에 대해 존재하는 여기 소스의 모든 측면을 고려하고, 장치의 구조적 응답이 이러한 소스에 어떻게 영향을 미치는지 이해하고, 바람직하지 않은 소음 및 진동 특성을 피하기 위해 설계 주기 초기에 현명한 설계 및 구성 요소를 선택해야 합니다. 종종 설계 및 제조 절충안은 성능과 비용 목표를 모두 충족하기 위해 이루어져야합니다.

소스 수준에서 모든 소음 및 진동 문제를 제거하는 것은 종종 다양한 이유로 달성하기가 불가능합니다 : 정밀 부품은 비용이 많이 들거나, 제조 변동 및 공차 스택 업을 제어하기가 어렵거나, 단순히 이러한 요소가 변경이 가능할 때 설계 사이클 초기에 고려되지 않았습니다. 따라서, 장치의 구조적 역학에 대한 어떤 형태의 수정이 필요하며, 가장 매력적인 옵션은 종종 진동의 구조적 전달을 격리하거나, 방사된 공기 중 잡음을 차단 또는 포착하거나, 원치 않는 공진 증폭을 감쇠시킬 수 있는 변환된 애드온 대책의 일부 형태이다. 특정 NVH 상태의 기본 특성을 이해하는 것은 어떤 유형의 치료법이 가장 적절한지를 아는 출발점입니다.

보다 상세하고 미묘한 활동에는 이러한 제어 장치의 최적화가 포함되므로 각 장치는 응용 제품의 주파수 및 온도 범위에서 구조의 특성에 맞게 조정되어야합니다. RoHS 규정 준수, 가연성 등급 및 비용 제약 조건 등과 같은 다른 제품 요구 사항도 충족하면서이를 달성하는 것은 오늘날의 제품 설계자가 직면 한 과제입니다. 향후 백서에서는 Boyd가 제공하는 다양한 변환된 소음 및 진동 솔루션의 최적화 프로세스에 대해 자세히 살펴볼 것입니다.

질문이 있으십니까? 저희가 도와드리겠습니다!