능동제어를 이용한 고속철도차량 운전실의 소음저감 및 심리음향학적 평가 :A Study on Noise Reduction in Driver’s Cabin using Active Noise Control and Psycho-acoustical Assessment for High-speed Train

지해영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 지해영 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 구동회, 김재철

발행연도: 2015

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2015

실험실 환경에서의 능동소음제어를 통한 고속철도차량 운전실 소음저감효과에 대한 실험적 검증

지해영 , 최강윤 , 구동회 외 2명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2015.05 학술대회자료

능동제어를 이용한 고속철도차량 운전실의 소음저감 및 심리음향학적 평가

지해영 대학교 2015.01 학위논문

2014

고속철도 운전실의 능동형 저소음영역 구축에 대한 실험적 고찰

지해영 , 구동회 , 김재철 외 2명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2014.05 학술대회자료

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국내 고속철도는 경부고속선 1단계 개통을 기점으로 현재는 경부선 뿐만 아니라 호남선, 전라선의 일부 고속선 등이 건설되면서 고속철도시스템의 지속적인 발전단계를 거듭하고 있다. 그리고 국내에서 2013년 자체 기술개발을 통해 시속 430km/h급 차세대 고속철도차량(High-speed Electric Multiple Unit 430km/h : HEMU-430X)을 개발하여 현재 시험운행 중이다. 하지만 철도차량의 점진적인 고속화는 안전성의 문제와 더불어 소음문제를 유발시키며, 발생되는 소음은 철도차량의 실외뿐만 아니라 실내에도 악영향을 미친다. 특히, 고속철도차량을 운행하는 운전자는 장시간 소음에 노출되기 때문에 건강상의 악영향을 받을 수 있다. 일반적으로 철도소음을 저감시키기 위해 수동저감장치를 설치하는 방법을 가장 많이 사용한다. 그러나 수동저감장치의 경우 500Hz 이하의 저주파수 영역에서는 저감효과가 미흡하며, 철도차량에 설치할 시 차량하중한계 및 공간적인 제약사항 등이 발생할 수 있다.
본 논문에서는 능동소음제어를 통한 소음저감방법을 채택하여 국내에서 최초로 고속철도차량 운전자에 대한 소음저감 대책으로써의 적합함을 음향학적 분석과 주관적 평가방법을 동시에 고려하여 효과성을 검증하였다. 연구대상 차량은 앞에서 언급한 국내에서 새로 개발된 HEMU-430X를 선정하여, 주행 시 운전실의 음원을 대상으로 실제 음 환경을 모사한 실험조건을 설계한 후 다중입출력시스템(Multi-input Multi-output system : MIMO)을 통한 피드포워드제어방식(feedforward control method)을 적용하여 능동소음제어실험을 수행하였다. 먼저 실험실의 음향학적 구조설계를 통해 물리적 측면에서 최적의 능동소음제어 저감효과를 검증한 결과, 295km/h 이상 고속주행하는 음에 대해 운전자의 귀 위치와 동일한 양쪽 에러 마이크로폰지점에서 각각 ?8.3, -9.1dBA 저감되는 것을 확인하였으며, 특히, 75~1000Hz의 주파수대역에서 소음저감효과가 뚜렷하게 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 이러한 최적의 소음저감 조건에서 심리음향학적 음질분석 및 청감평가를 통한 주관적 반응을 비교평가하였다. 평가결과, 실제 사람이 청취하고 평가한 주관적 반응결과와 물리적인 소음저감량과 비교할 때 성가심 측면에서 일부 상이한 결과를 확인하였다. 이러한 이유는 능동소음제어 작동 시 전체적인 음향에너지는 줄어들지만 1000Hz이하 주파수대역 위주의 음향에너지 저감현상으로 인해 음질에 대한 변화특성이 발생하기 때문인 것으로 조사되었다. 이러한 연구결과를 종합한 결과, 저주파수대역 위주로 감소된 음을 청취할 시 심리적으로 느껴지는 반응은 소음레벨이 낮아지는 것과는 상관없이 성가심 측면에서 다르게 반응할 수 있다는 부분을 알 수 있었다. 그러므로 소음저감효과를 판단하기 위해서는 물리적인 저감량에 대한 측면도 중요하지만 결국 사람이 듣고 정온해짐을 느껴야하기 때문에 주관적 반응에 대한 결과 또한 반영되어 평가되어져야 한다는 것을 검증하였다.

Since the first phase of the Gyeonbu high-speed line was opened, Korea''s high-speed railroad system has continuously developed. Also, Korea developed its own technologies for high-speed trains and made HEMU-430X (High-Speed Electric Multiple Unit 430 km/h) in 2013. However, gradual increase in speed generate noise problems with safety issues. In particular, drivers of the high-speed trains may have a negative effect in health since they might be exposed to the high level of noise for a long term.
In this study, a noise reduction method through the active noise control rather than passive measures was adopted in order to verify its effectiveness as a noise reduction measure for high-speed train drivers, considering an acoustic analysis and a subjective assessment method concurrently. The research subject was selected as HEMU-430X. After designing experimental conditions which are similar to the acoustic sources from the actual acoustic environment in the cabin, Active noise control test was applied using feedforward control method through the Multi-input Multi-output system (MIMO). First, as a result of verifying the reduction effect from the physical aspect, at the point of the error microphones, noise reductions of -8.3 and -9.1 dBA were confirmed respectively against the sound in case of high speed run at 295km/h or higher speed. In particular, it could be confirmed that the noise reduction effect was significant at the 75 to 1000 Hz frequency band. Next, through the psycho-acoustic analysis and jury evaluation, subjective responses were evaluated. From the evaluation results, it was found that there were different results in some part with regard to the annoyance aspect, which people listen to and evaluate, and the physical noise reduction level were compared. The reason for the experiment result was found that characteristics of change are generated against the sound quality due to the reduction phenomenon at the frequency band of 1000Hz or lower. As a result of collecting research outcomes, regardless of the decrease in noise level, when listening to the sound decreased by the low frequency band, the listener''s psychological response may be different from the annoyance aspect. Therefore, it was verified that results on the subjective response should be reflected for evaluation so as to determine the noise reduction measure, although physical reduction is an important aspect, since people should keep one''s composure listening to the noise in the end.

#속철도차량 #운전실 #능동소음제어 #청감실험 #주관적 반응

I. 서 론 1
1. 연구 배경 및 목적 1
2. 국내외 연구동향 4
가. 능동소음제어기술 4
나. 주관적 평가연구 7
3. 연구방법 및 범위 11
II. 이론적 배경 13
1. 철도소음의 실내 전달특성 13
2. 능동소음제어기술 15
가. 능동소음제어의 원리 15
나. 능동제어방식의 선정 23
다. 적응필터 알고리즘의 적용 25
3. 심리음향학적 특성 및 주관적 반응 33
가. 소리의 이해 및 청감적 특성 33
나. 음질인덱스 36
다. 소음특성에 따른 인체에 미치는 영향 47
III. 능동소음제어 실험설계 및 적용 49
1. 고속철도차량 운전실 소음 측정 및 분석 49
가. 측정위치선정 및 바이노럴 녹음 49
나. 주행조건에 따른 소음분석 54
2. 능동소음제어를 위한 실험시스템 설계 57
가. 실험환경구조 설계 57
나. 레퍼런스 마이크로폰 위치별 시뮬레이션 효과검증 67
3. 능동제어실험 73
가. 소음저감효과 비교분석 73
나. 저소음영역의 효과범위 검증 85
IV. 주관적 평가 90
1. 심리음향학적 특성분석 90
가. 주행조건에 따른 음질분석 90
나. 능동소음제어 실험을 통한 음질분석 99
2. 청감실험을 통한 능동소음제어성능 주관적 반응평가 101
가. 성가심 강도점수에 따른 부사어 선정 및 성가심 척도평가 101
나. 어의차이척도법을 이용한 상대적 반응평가 110
다. 주관적 반응특성 심리요인분석평가 112
3. 능동소음제어 효과성에 대한 정량평가 116
V. 결 론 119
참고문헌 121

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