전기차 흡차음 부품 개발에 대한 시험적 접근방법

2.1 시편단위 투과소음 시험

시편단위 투과소음 시험 챕터에서는 신규 전기차 플랫폼에 적용되는 알루미늄 판넬의 투과소음 성능을 스틸 판넬과 비교하기 위하여 잔/무향실 투과소음 시험법(ISO 1518-1)으로 평가하였다. 첫째, 알루미늄 판넬과 스틸 판넬 단독 시편을 준비하여 Table 1과 같이 판넬 재질 별 투과소음 성능을 확인하였다. 둘째, 스틸 판넬 대비 투과소음 성능이 불리한 알루미늄 판넬의 투과소음 성능을 만족하는 흡차음 사양의 두께 변화를 확인하기 위해 Table 2와 Table 3의 조건으로 시편평가를 진행하였다.

Table 1

The test information of steel & aluminum panel

Table 2

Test sample information according to increase in sound-absorbing layer thickness

Table 3

Test sample information according to increase in sound-insulation layer thickness

Fig. 1(a)는 잔/무향실 투과손실 평가 시험에 대한 모식도이고 Fig. 1(b)는 잔향실(reverberation room) 사진이며 Fig. 1(c)는 무향실(anechoic room) 사진이다. 잔향실에서는 평가에 필요한 가진력을 확보하기 위하여 난반사가 가능한 벽체구조에서 스피커를 활용하여 100 Hz ~ 10 000 Hz 영역을 가진하고 마이크로폰으로 100 dB 이상의 가진력이 발행하는지 확인하였다. 무향실은 평가시편에서 투과되는 소음이외의 소음을 제거하기 위하여 흡음이 가능한 물질로 무향실을 구성한다. 결론적으로 잔향실에서 계측되는 가진력 L_p와 무향실에서 인텐시티프로브로 스캔하여 계측한 음향강도 L_i를 이용하여 투과손실(STL, sound transmission loss)을 계산(STL = L_p － L_i － 6 dB)하여 시편단위 투과성능을 평가한다.

Fig. 1

Sound transmission loss test

Table 1은 차체 경량화에 따른 스틸 판넬 대비 알루미늄 판넬의 투과소음성능을 확인하기위해 준비한 시편으로 실제 차량에 사용되는 스틸 판넬과 알루미늄 판넬 시편을 평판으로 제작하였다. 평가시편의 크기는 가로 840 mm 세로 840 m이며 시편의 두께 및 중량은 Table 1과 같다. Fig. 2는 Table 1의 스틸 판넬과 알루미늄 판넬의 투과손실 평가결과이다. 알루미늄 판넬 시편 사이에서는 중량이 가장 높은 AL_A6014P-T4F 시편의 투과소음 성능이 높게 나타나며 편차는 0.3 dB ~ 2.1 dB 수준으로 나타난다. 반면 상대적으로 비중이 높은 스틸 판넬의 경우 알루미늄 판넬 대비 투과소음이 5.1 dB ~ 6.4 dB 높은 것을 확인하였다. 이를 통하여 스틸 판넬대비 비중이 낮은 알루미늄 판넬의 투과소음이 불리한 것을 확인하였다.

Fig. 2

Transmission loss result of the steel & aluminum panel

Table 2는 스틸 판넬 대비 투과소음 성능이 불리한 알루미늄 판넬에 대하여 흡음층(PU)의 두께 증가에 따른 투과소음 성능을 확인하기 위한 시편정보이다. 흡음층 및 차음층의 평가시편은 판넬 시편과 동일하게 가로 840 mm 세로 840 mm로 준비하였다. 동일한 차음층(EVA 1.0 T(비중 2.0)) 구조에서 알루미늄 판넬의 흡음층 두께를 20 T ~ 40 T까지 5 T 간격으로 증가시켜 흡음층 두께 20 T 조건의 스틸 판넬과 동등한 투과소음 성능을 갖는 PU의 두께를 Fig. 3에서 확인하였다. 동일한 흡음재(85 K 20 T) 장착조건에서 스틸 판넬대비 알루미늄 판넬의 투과소음 성능이 6 dB ~ 8 dB 불리하게 나타났으며 스틸 판넬과 동등수준의 투과소음 성능을 확보화기 위해서는 PU의 두께를 20 T 이상 증가(PU 40 T)가 필요하며 0.4 kHz ~ 1 kHz, 4 kHz ~ 6.3 kHz 영역에서는 스틸 판넬 대비하여 동등이상의 차음성능을 확인하였다. 그러나 실제차량의 흡차음 부품에서 흡음층의 두께를 20 T 이상 증가시키는 것은 현실적으로 불가능하여 흡음층 두께 증대는 알루미늄 판넬 적용에 따른 성능악화를 보완하기위한 개선책으로 적합하지 않다.

Fig. 3

Transmission loss results about the thickness of sound-absorbing layer

Table 3은 스틸 판넬 대비 투과소음 성능이 불리한 알루미늄 판넬에 대하여 차음층(EVA)의 두께 증가에 따른 투과소음 성능을 확인하기 위한 시편정보이다. 동일한 흡음층(PU 70 K 20 T) 구조에서 알루미늄 판넬의 차음층 두께를 1 T ~ 3 T까지 1 T 간격으로 증가시켜 스틸 판넬과 동등한 투과소음 성능을 갖는 차음층(EVA)의 두께를 Fig. 4에서 확인하였다. 차음층의 경우 알루미늄 판넬이 스틸 판넬과 동등한 투과소음 성능을 확보하기 위해서는 차음층(EVA)의 두께를 1.0 T 증가(차음층 중량 700 g 증가)시켜야 하는 것으로 나타난다. 따라서 알루미늄 판넬 적용으로 악화가 예상되는 투과소음 성능을 보완하기 위해서는 차음층의 두께증가에 따른 시편 중량 증가가 효율적인 최적화 방안으로 판단된다.

Fig. 4

Transmission loss result about the thickness of sound-insulation layer

2.2 차음층 가변두께 적용 SIMCo공법

2.1장의 시편단위 투과소음 성능평가 결과를 통하여 알루미늄 판넬 적용 시 스틸 판넬 대비 투과소음 성능이 악화되는 것을 확인하였다. 악화된 성능을 보완하기 위해서는 흡음층의 두께를 20 T 또는 차음층의 두께를 1 T 증가시켜야 된다. 그러나 차량부품에 적용을 위해서는 차음층의 두께를 1 T 증가시키는 것이 현실적이다.

다만 기존부품의 전체면적에서 차음층의 두께를 1 T 증가시키면 성능적으로 만족할 수 있으나 중량 및 원가 측면에서 비효율적이다. 부품의 중량 및 투과소음 성능을 모두 만족시키는 최적화 설계를 위해서는 가변두께 적용이 가능한 SIMCo 공법의 활용이 필요하다.

Fig. 5(a)는 기존의 차음층 시트를 압출 성형하는 방식으로 차음층의 가변두께 적용이 불가능하며 일부분의 경우 연신에 의하여 두께가 감소되는 것을 볼 수 있다. 반면 Fig. 5(b)는 SIMCo 공법(사출성형)을 활용할 경우 설계자의 니즈에 맞게 차음층의 가변두께 적용이 가능하다.

Fig. 5

The thickness description about EVA&SIMCo

기존의 압출성형(Fig. 5(a))과 SIMCo 성형(Fig. 5(b))의 투과소음 성능 차이를 확인하기 위하여 시편단위 투과소음 시험에서 사용한 잔/무향실 투과소음 시험법(ISO 1515-1)으로 투과소음 시험을 진행하였다. Fig. 6(a)는 판넬 단독조건에서 시편의 중심점으로 소음원이 발생할 때 소음 분포도이다. 소음원이 발생하는 중심점이 백색으로 나타나 소음이 가장취약한 것을 확인할 수 있다. Fig. 6(b)는 Fig. 6(a)와 동일한 판넬 단독 시편에 압출성형 공법(Fig. 5(a))으로 제작한 차음층 시트를 장착하여 측정한 투과소음 분포도이다. Fig. 6(a)보다 전체적으로 투과소음이 개선된 것을 확인할 수 있으나 소음원의 중심점이 여전히 백색으로 나타나 투과소음 측면에서 불리하게 나타난다. 반면 Fig. 6(c)의 경우 Fig. 6(a)와 동일한 판넬 조건에서 가변 두께(시편 중심부 두께 증가, 시편 외곽 부 두께 감소)가 적용된 차음층 시트로 차음층의 중량은 Fig. 6(b)의 차음층 시편과 동일하다. Fig. 6(c)의 평가결과 시편의 전면적에서 회색으로 나타나 소음분포도가 동일중량 압출공법 차음층(Fig. 6(b))보다 투과소음 성능이 개선된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6

Sound intensity mapping result of bare panel vs EVA + bare panel vs SIMCo + bare panel

이와 같이 SIMCo 공법을 활용하면 투과소음 성능이 불리한 부분의 차음층 두께를 증가시키고 상대적으로 유리한 부분의 차음층 두께를 최소화하여 NVH성능과 중량을 모두 만족할 수 있는 최적화 설계가 가능하다. 2.3장에서는 실제차량에 장착되는 휠하우스패드 부품에 대하여 기존의 압출성형 공법과 가변두께 적용이 가능한 SIMCo 공법으로 제작한 부품의 투과소음 성능을 확인할 것이다.

2.3 실차 조건 sound intensity mapping 평가

휠하우스패드 부품은 주행 중 타이어와 지면의 마찰에 의해 발생하는 로드 노이즈를 저감하여 차량 후석 정숙성을 향상시키는 부품이다. SIMCo 사출공법을 적용한 휠하우스패드 부품의 최적화 설계(차음층 두께 설정)를 위하여 sound intensity mapping을 활용한 휠하우스 판넬 투과소음 취약부 분석을 진행하였다. 평가를 위해 Fig. 7(a)와 같이 100 Hz ~ 10 000 Hz 영역의 모노폴 가진이 가능한 큐소스를 활용하여 차량의 후륜타이어 중심점의 전방 및 후방에서 가진 하였다. 로드 노이즈는 차량의 타이어와 지면의 마찰에 의해 발생하므로 휠하우스패드 부품이 장착되는 후륜 타이어기준으로 지면과 마찰이 발생하는 전/후방을 가진하였다. 이때 차량 실내에서는 휠하우스패드 부품이 장착되는 판넬에 Fig. 7(b)와 같이 18개의 격자를 생성하여 전/후방 가진에 대한 인텐시티(음향강도)값을 계측하였다. 전/후방 가진으로 계측된 36개의 음향강도 값을 지멘스사의 계측 소프트웨어로 계산하였다. 이때 로드노이즈 소음의 경우 타이어기준 전/후방에서 동시에 발생하는 소음으로 유사한 가진 조건을 구현하기 위해 전방과 후방에서 가진하여 계측한 데이터를 하나의 데이터로 합성(linear average)하였다. Fig. 7(c)는 전/후방 타이어 가진에 의한 휠하우스 판넬의 음향강도 분석결과이다. 18개의 격자중에서 휠하우스 판넬의 전방(①)과 후방(②) 영역이 투과소음 측면에서 불리한 것을 확인하였다. 이는 타이어와 지면의 마찰지점인 타이어 중심부 전후방에서 가진력이 직접 방사되어 최단경로에서 나타나는 현상으로 판단된다. Fig. 7(d)와 같이 투과소음이 가장취약한 전방(①)과 후방(②)에 차음층의 두께를 두껍게 설계하고 이외의 영역은 상대적으로 얇게 설계하는 최적화 설계를 통해 기존의 압출공법으로 제작한 부품과 유사수준의 부품중량을 확보하였다. Table 4는 EVA 시트를 활용한 압출성형 공법으로 제작한 휠하우스패드 부품과 SIMCo 사출공법으로 제작한 휠하우스패드 부품의 재질, 중량, 두께 정보이다. 판넬 투과소음이 취약한 Fig. 7(c)의 ①, ② 영역은 2.2 T 상대적으로 덜 취약한 부위는 1.2T로 두께를 최적화하였다.

Fig. 7

Sound intensity mapping test condition and test result about wheel house panel

Table 4

Product information for wheelhouse pads manufactured using EVA and SIMCo methods

Fig. 8은 Fig. 7(a)의 가진 조건에서 Fig. 7(b)와 같은 18개 계측점의 음향강도를 평균값으로 계산한 1/3옥타브밴드 데이터이다. 판넬 단독조건대비 부품 장착 후 투과소음이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 기존의 압출성형 공법으로 제작한 휠하우스패드 부품 장착조건(41.2 W/m²)보다 SIMCo 사출공법으로 제작한 휠하우스패드 부품 장착조건(40.2 W/m²)이 투과소음 측면에서 유리한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8

1/3 octave band data of the sound intensity test

Fig. 9는 판넬 단독조건, 압출성형 공법 부품 장착, SIMCo 사출공법 부품 장착 조건에 대한 주파수 별 음향강도 분석 데이터이다. 투과소음 측면에서 백색이면 불리하며 흑색이면 유리하게 나타난다. 200 Hz ~ 10 000 Hz 영역의 평균값에 대한 소음분포도 데이터 분석결과 판넬 단독조건에서 취약한 부분(①, ②)에 대한 개선 효과가 SIMCo 공법 적용 부품이 EVA SHEET 적용 부품보다 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 각 주파수 별 투과소음 분석 결과 2000 Hz, 3150 Hz, 8000 Hz 등과 같은 중고주파 영역에서 SIMCo 공법 적용 부품 장착 후 기준 압출성형 공법 부품 장착조건 보다 투과소음의 개선 효과가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9

The result of sound intensity mapping test (BARE vs EVA vs SIMCo)