Many workers in the industry have been exposed to loud noise for a long time, and noise-induced hearing loss of workers is gradually intensifying. A noise barrier, which is a conventional noise reduction method, can be used, but it is not effective to low-frequency noise reduction due to diffracted noise. In addition, there is a problem in that the size of the barrier is limited because it must be movable to respond to a change in the workplace. Active noise control, which is another noise reduction method, reduces noise by generating a sound field with an opposite phase to noise through a control speaker in a manner based on destructive interference. An adaptive algorithm is performed through the data measured by the reference sensor and the error microphone to obtain the optimal gain of the control speaker to generate the control sound field. Due to the property of the noise reduction method, a large number of speakers and microphones are required to maintain a controllable space size for high-frequency noise, resulting in cost and equipment placement problems. Accordingly, an active noise barrier in which active noise control is introduced into the noise barrier has been proposed. By arranging speakers around the noise barrier to conduct active noise control for the diffracted noise, the required size of the barrier can be reduced, and by limiting the propagation of noise through the barrier, active noise control can be performed with fewer speakers than in the case of a free sound field. Since the effective frequency bands of the two methods are different, the frequency band of reducing noise can be expanded. However, conventional active noise control methods using error microphones are not suitable for active noise control systems using compact noise barriers aimed at mobility and quick installation and calibration of control filters. Error microphones and real-time digital signal processing devices for performing active noise control of the target control space not only increase the cost required for hardware setting but also increase the system complexity which increases the stabilization time of the noise control system.
In addition, there is a problem in that the arrangement of error microphones in the workspace is limited because the workers' activity should not be disturbed. A virtual microphone technique can be introduced that estimates the measurement value of the target position through microphones placed elsewhere, but requires measurement of the transfer function between the placed microphones and the control points. Measurement in a large space requires a lot of time, and there is a problem with re-measuring when the environment changes. As a result, when active noise control is performed using error microphones, the system becomes complicated and the installation and calibration time of the noise control device becomes longer. Therefore, in this study, a compact hybrid noise control system based on a theoretical model is proposed as a movable noise reduction method. Based on an appropriate theoretical model, the control filter required for active noise control is calculated without a real-time digital signal processing device and error microphones.
Control filters can be calculated with only some information, such as distance, or pre-calculated values can be used, allowing simple installation and calibration after equipment movement. So, the proposed method is not affected by equipment noise or other external noise, and the size of the control space does not matter. The proposed method can be applied to various structures, but this study deals with a structure consisting of a circular barrier and control speakers placed at the edge of the barrier. The addressed noise control system can estimate the sound field through a simplified two-dimensional theoretical model through several assumptions, and can greatly reduce the amount of calculation. Assuming that the noise source and target control space are determined by the user and the noise control system is arranged on the same axis, an axisymmetric noise problem is assumed. The noise source was considered as a monopole source by assuming a far-field condition, and the barrier was assumed to be a thin and acoustically hard boundary condition. In the simplified noise problem, the sound fields are theoretically calculated, and the insertion loss and noise reduction performance in the control space of the hybrid noise control are compared with the case of using barrier and active noise control respectively. It is confirmed that noise reduction can be achieved in a wide frequency band because the hybrid method generates a control sound field similar to the noise field. In addition, the noise reduction tendency according to the size and placement position of the active barrier, which is a design variable, and the influence of errors that may occur during the installation process are investigated. Based on the noise reduction performance results confirmed in various cases, error factors to be paid attention to are explained, and design guidelines for the appropriate placement position and size of active barriers are suggested. Finally, to verify the proposed noise control method, the theoretically calculated control filter is applied to the constructed experimental system to confirm whether noise is reduced in the target space. In the case of the experiment, control speakers were placed around the barriers to replace the ring control source, and the number without performance degradation is described. Since the performance may be deteriorated due to the difference between the theoretical model simplified through various assumptions and the experimental system, the main factors are identified by investigating the performance degradation factors through FEM simulation. The noise control system was built in a way to minimize the effect of the identified major degradation factors, and a closed baffle ring piston structure was introduced instead of a ring source as the control source in the theoretical model to compensate for the interaction between the speaker and the barrier. It is verified that noise reduction similar to the maximum performance of the experimental system can be achieved by applying the theoretically calculated control filter through the modified theoretical model and the hybrid noise control system. In conclusion, an appropriate theoretical model and system structure of a theoretical model-based compact hybrid noise control system are suggested. Also, guidelines for sufficient performance are provided, and it is verified that noise reduction can be achieved in an actual system.
산업 현장의 많은 노동자는 장기간 큰 소음에 노출되어 왔고, 노동자들의 소음성 난청 문제는 점차 심화되고 있다. 기존의 소음 저감 방안인 소음 방벽을 도입할 수 있으나, 회절 되는 소음으로 인해 저주파 소음 저감에 취약하다. 또한, 작업 장소 변경에 대응할 수 있도록 이동할 수 있어야 하기에 방벽의 크기가 제한되는 문제가 있다. 다른 소음 저감 방안인 능동 소음 제어는 상쇄 간섭에 기반하는 방식으로 소음에 반대되는 위상의 음장을 제어 스피커를 통해 형성하여 소음을 저감한다. 참조 센서와 오차 마이크로폰으로 측정한 데이터를 통해 적응형 알고리즘을 수행하여 반대 위상의 제어 음장을 형성하기 위한 제어 스피커의 최적 게인을 구한다. 방안의 특성상, 고주파의 소음일수록 제어 가능한 공간의 크기를 유지하기 위해 많은 스피커와 마이크로폰 배치가 필요하여 비용과 장비 배치 문제에 봉착하게 된다. 이에 소음 방벽에 능동 소음 제어를 도입한 능동 소음 방벽이 제안된 바 있다. 소음 방벽 주변에 스피커를 배치하여 회절되는 소음에 대해 능동 소음 제어를 수행함으로써 필요한 방벽의 크기를 줄일 수 있고, 방벽을 통해 소음의 전파를 제한함으로써 자유 음장인 경우에 비해 적은 스피커로 능동 소음 제어를 수행할 수 있으며, 두 방안의 효과적인 주파수 대역이 다르므로 소음 저감이 가능한 주파수 대역을 확장할 수 있다. 그러나 오차 마이크로폰을 사용하는 기존의 능동 소음 제어 방식은 이동과 빠른 설치 및 제어 필터 교정을 목표로 하는 컴팩트한 소음 방벽을 사용하는 능동 소음 제어 시스템에 적합하지 않다. 목표 제어 공간의 능동 소음 제어를 수행하기 위한 다수의 오차 마이크로폰과 실시간 디지털 신호 처리 장치는 하드웨어 구성에 필요한 비용을 높일 뿐 아니라, 시스템 복잡도를 높여 소음 제어가 안정화되기까지의 시간을 길게 만든다. 또한, 작업자의 활동을 방해하면 안 되기에 작업 공간 내부의 오차 마이크로폰의 배치가 제한되는 문제가 있다. 다른 곳에 배치된 마이크로폰을 통해 목표 위치의 측정값을 추정하는 가상 마이크로폰 기법을 도입할 수 있으나 배치한 마이크로폰들과 제어 지점 간 전달함수 측정치를 필요로한다. 넓은 공간에서의 측정은 많은 시간을 요구하며, 환경이 변경될 시 다시 측정해야 하는 문제가 있다. 결론적으로 오차 마이크로폰을 사용하여 능동 소음 제어를 수행하게 되면 시스템이 복잡해져 소음 제어 장치의 설치 및 교정 시간이 길어지게 된다. 따라서, 본 연구에서는 이동할 수 있는 소음 저감 방안을 목표로 이론 모델을 기반으로 하는 컴팩트 하이브리드 소음 제어 시스템을 제안하였다. 적절한 이론 모델을 기반으로 능동 소음 제어에 필요한 제어 필터를 계산하므로 실시간 디지털 신호 처리 장치와 오차 마이크로폰을 필요로하지 않는다. 거리와 같은 일부 정보만으로 제어 필터를 계산하거나 미리 계산한 값을 사용할 수 있어 장비 이동 후 설치 및 교정을 빠르게 수행할 수 있다. 제어 공간의 크기가 문제 되지 않으며 장비 노이즈나 다른 외부 소음에도 영향을 받지 않는다. 제안하는 소음 제어 방식은 다양한 구조에 적용될 수 있으나, 본 연구에서는 원형 방벽과 방벽 가장자리에 배치된 제어 스피커로 구성된 구조를 다루었다. 구성한 소음 제어 시스템은 몇 가지 가정을 통해 단순화시킨 2차원 이론 모델을 통해 음장을 추정할 수 있고, 계산량을 크게 줄일 수 있다. 소음원과 목표 제어 공간은 사용자에 의해 정해져 있고 소음 제어 시스템을 동일 축 선상에 배치하였다고 가정하여 축 대칭 소음 문제를 상정하였다.
소음원은 제어 공간과 멀리 떨어져 있는 상황으로 가정하여 단극음원으로 고려하였으며 방벽은 얇고 음향학적으로 단단한 경계조건으로 가정되었다. 단순화한 소음 문제에서 소음장과 제어 음장을 이론적으로 계산하여 방벽 및 능동 소음 제어를 각기 사용한 경우와 하이브리드 소음 제어의 제어 공간내 삽입 손실 및 소음 저감 성능을 비교하였다. 각기 사용한 경우, 소음 저감이 가능한 주파수 대역이 제한되는 것에 반해 하이브리드 방식은 소음장과 유사한 제어음장이 형성되기에 넓은 주파수 대역에서 소음 저감이 달성 가능한 것을 확인하였다. 또한, 설계 변인인 능동 방벽의 크기와 배치 위치에 따른 소음 저감 경향성 및 설치 과정에서 발생가능한 오차의 영향을 조사하였다. 다양한 경우에서 확인한 소음 저감 성능 결과를 기반으로 주의해야하는 오차 요인과 능동 방벽의 적절한 배치 위치 및 크기에 대한 설계 방향성을 제안하고자 한다. 최종적으로 제안하는 소음 제어 방식을 검증하기 위해 구축한 실험시스템에 이론적으로 계산된 제어필터를 적용하여 제어 공간내 소음 저감 여부를 확인하였다. 실험의 경우, 링형 제어음원을 대체하기 위해 단극음원으로 가정한 제어 스피커를 방벽 주변에 배치하였으며 성능 저하가 발생하지 않는 개수를 검토하였다. 여러 가정을 통해 단순화한 이론 모델과 실험 시스템과의 차이로 인해 성능이 저하될 수 있으므로 유한 요소 해석 시뮬레이션을 통해 성능 저하 요인들을 조사하여 주요 요인들을 선별하였다. 확인된 주요 성능 저하 요인의 영향을 최소화하는 방향으로 소음 제어 시스템의 구축되었으며, 배플된 피스톤 구조의 스피커와 방벽 간의 상호작용으로 인한 제어 음장의 차이를 보완하기 위해 이론 모델의 제어 음원으로 링 음원 대신 닫힌 배플의 링 피스톤 구조를 도입하였다. 수정된 이론모델과 하이브리드 소음 제어 시스템을 통해 이론적으로 계산된 제어 필터를 적용하여 실험 시스템의 최대 성능과 유사한 소음 저감이 달성 가능한 것을 입증하였다. 결론적으로 이론 모델 기반의 컴팩트 하이브리드 소음 제어 시스템의 적절한 이론 모델과 시스템 구조를 제안하고, 충분한 성능을 위한 사용 가이드라인을 제공하며, 이론적으로 계산한 제어 필터를 실제 시스템에 적용하여 소음 저감이 달성 가능함을 검증하였다.
