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알루미늄 압출판의 동적 거동 예측을 위한 해석적 연구 MSC 소음해석 솔루션 적용 세미나
Presented By: 이준헌
2012, 11
• 음향 이론
• 연구배경
• 연구목적
• 해석 대상
• 투과손실 해석 모델
• 해석결과
• 결론
목차
2
벽체에 입사한 파워와 투과된 파워의 비
𝑇𝐿 = −10 𝑙𝑜𝑔10Π𝑡
Π𝑖
= 10 𝑙𝑜𝑔10(𝐼𝑖𝑛𝑐(𝑥)
𝐼𝑟𝑎𝑑(𝑥))
음향 이론 - 음향 투과손실
3
P_transmit
음향 이론 - 잔향공간
4
• 현대 철도의 특징
– 고속화
– 경량화
• 알루미늄 압출판 사용
– 낮은 음향 투과손실
⇒객실 쾌적성 저하
배경
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신칸센 700계 객차 단면
• 알루미늄 압출판의 동적 거동을 고려한 투과손실의 예측
– ACTRAN의 vibro-acoustic 해석
• Iso 140에 근거한 잔향실-잔향실 방법으로 측정된 투과손실과 비교
– 실험 조건의 경계조건
– 실험대상의 댐핑 손실 계수
• 특정 주파수의 압출재의 동적 거동과 음향 방사 형상
– 낮은 투과손실을 가지는 이유
연구목적
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• 중간에 접합된 알루미늄 압출판
해석 대상
7
Young’s modulus (E) 71.5 x 109 N/m2
Mass density (ρ) 2800 kg/m3
Poisson’s ratio (υ) 0.33
Panel height (h) 70 mm
Plate thickness (Tp) 2.8 mm
Core thickness (Tc) 2.6 mm
Panel dimensions (Lx, Ly) 0.84 m, 0.84 m
• 투과손실해석
– 10~3000Hz 10Hz 간격
– 음원실 – 해석 대상물 -수음실
ACTRAN 투과손실 해석 모델
8
component Number of
elements
Elements topo
logies
Type of elem
ents
Air cavity 11,393 Hexahedron-20 Acoustic fluid
Aluminum extru
ded panel 4,004 Hexahedron-20 Solid shell
잔향 공간
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• 시험 대상물 하부에 잔향 음장 설정
• 각 주파수 마다 10가지 임의 경우를 생성
잔향 음장 표면의 음압 분포의 평균값 각 주파수별 입사 파워
• 알루미늄 압출재
– 강성 : 71.5 Gpa
– 밀도 : 2800kg/m3
– 포아송비 : 0.33
– 0.8m x 0.8m x 0.07m
• Solid shell 요소
– 4114개의 quadratic elements
– T-slot
해석 대상
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• 반무향 공간
– 대상 시편의 근접 음향장을 고려
• Adaptive mesh
– 음향 공간 외부는 무한 음장 ⇒ 반향음을 제거, 방사되는 에너지 계산
– 1.6m x 0.8m
수음실
11
Infinite fluid
1. Clamped-clamped
2. Clamped-free
3. Free-clamped
4. Free-free
경계조건
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Clamped-clamped
Clamped-free free-free
Free-clamped
해석 결과 경계조건과 댐핑의 변화에 따른 투과손실 해석
13
해석 결과 – 경계조건
14
0
10
20
30
40
50
60
70
80
80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500
TL(dB)
1/3 octave band frequency (Hz)
CL-CL FR-CL CL-FR FR-FR experiment mass-law
해석 결과 – 댐핑의 영향 (cl-fr)
15
0
10
20
30
40
50
60
80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500
TL(dB)
1/3 octave band frequency (Hz)
0% 1% 5% 10% experimentDamping loss factor :
특정 주파수 결과 TL이 낮아지는 주파수의 특성
16
0
10
20
30
40
50
60
100 1000
TL(dB)
Frequency (Hz)
0% 1% 5% 10% experiment
• Cl-fr 조건의 중주파수 (200~800Hz) 영역 ,5% 댐핑 모델
• 230Hz, 390Hz, 590Hz
대상
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200 500 800
Damping loss factor :
230Hz
18
390Hz
19
590Hz
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• 고속전철 벽체에서 많이 이용되는 알루미늄 압출재의 차음성능을 향상시키기 위해서, 압출재 시편을 대상으로 투과손실 실험을 수행하였으며, 유한요소법을 이용하여 시편의 진동, 음향 특성을 살펴보았다. 본 연구를 수행하면서 도출한 사항을 정리하면 다음과 같다.
• 1. 알루미늄 압출재의 진동 특성은 폐쇄 가공면의 경계조건은 완전지지(Clamped) 조건에, 개방 가공면은 자유(free)경계의 특성을 보여준다. 따라서 CL-FR 경계조건의 경우가 실제 실험과 매우 유사한 투과손실 경향을 도출할 수 있었다.
• 2. 정확한 차음성능을 예측하기 위해서는 주파수 영역별 내부손실계수 값의 조절이 필요한다. 전역 모드 공진 영역인 200 ~ 250 Hz에서는 내부손실계수를 10%로 설정할 경우 실험치가 해석치와 가장 유사하며, 315 ~ 1000 Hz 영역에서는 내부손실계수를 5%로 설정할 경우 2dB 정도의 차이로 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 실지 금속 재질의 내부손실계수는 주파수가 증가할수록 감소하는 경향을 보여준다. 본 연구에서 도출한 내부손실계수 값은 알려져 있는 알루미늄 재료의 내부손실계수값과 비슷하다.
• 3. 공진 주파수 대역의 알루미늄 압출재의 진동, 음향 해석을 수행함으로써, 진동 형상과 소리가 발생하는 음장의 분포가 거의 일치함을 알 수 있었다. 알루미늄 압출재의 구조물 형상을 변경하여 특정 국부 공진모드에서의 차음성능을 개선 할 수 있다.
결론
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