The reduction of intake noise is a very important factor in controlling the interior noise levels of cars, particularly at low and major engine operating speeds. Several of the resonators in an intake system can be replaced by one porous hose section, thus suppressing the intake resonances. Additional advantage of the porous woven hose is the flexibility, which enables ease in the system layout and vibration isolation. Due to this fact, the porous woven hose is now considered to be a very promising and efficient silencing component. It is noted that overall physical characteristics of the porous woven hose have been rated by a parameter, which is mainly affected by the length, radius, weaving quality, and coating conditions. This parameter is referred to as the 'porous frequency' in Hz by the manufacturers, as well as NVH engineers in major automotive companies in the world.
For predicting the silencing performance of an intake system with a porous woven hose, information on the acoustic wall impedance is essential. However, accurate measurement of the impedance of porous woven hoses is not easy because of its peculiar acoustical and structural characteristics: very high flow resistance, thickness variation due to small corrugations, curvature of the whole hose segment, local inhomogeneities in materials composition and weaving, and the cylindrical shape. It appears that there are not many previous works about porous woven hoses to mention and no research has been given for measurement of impedance of porous woven hose. In this thesis, the study has been directed toward developing the measurement techniques for the acoustic impedance of a porous woven hose, which can overcome the difficulties related to its peculiar physical characteristics.
Firstly, the acoustic properties and physical nature of the porous woven hose have been studied. The physical characteristics of company-specified 'porous frequency' was investigated and a proper interpretation of its physical meaning in connection with the acoustical characteristics was sought for. A method that can deal with the nonlinear characteristics of pressure drop and volume flow rate in defining the porous frequency was newly developed, in which the model is analogous to the nonlinear model for fibrous materials. It is suggested that the single-figure rating of a porous woven hose should employ the effective flow resistivity instead of the conventional porous frequency concept.
Secondly, in order to investigate how much the exterior noise is influential to the interior sound field of a porous woven hose, tests for measuring the amount of noise level reduction was performed in both anechoic chamber and reverberation chamber. The purpose of using a reverberaion chamber is to impose a very high ambient for the porous woven hose specimen, whereas the anechoic chamber provides a free field or non-reflecting condition. The results of experiment and simulation were that the break-out noise and the sound transmission from the outside environment through the wall could be nearly negligible for the porous woven hoses shorter than about 0.6 m within 2 dB error.
Thirdly, measurement techniques of acoustic impedance that are valid over the low frequency range of interest were suggested and the obtained data were employed in the prediction of the transmission losses. The first suggested method was the two-step estimation method: The reactance was measured using a concentric chamber initially and then the resistance was estimated by using the measured reactance and the measured TL data. In order to expand the frequency range within the range of interest and to have simple measurement setup, a refined measurement technique was further suggested. In this method, the inverse estimation method, the acoustic impedance could be estimated in the least-square sense from the measured pressure transmission coefficient and the reflection coefficient of end termination. The error sensitivity analysis was performed to investigate the effect of measurement error to the accuracy of the final result.
Fourthly, considering the mean flow in the actual service condition, the inverse estimation method was further improved, and the experiments were performed in the presence of mean flow. The effect of mean flow on the resistance was significant, particularly in the low frequencies, long tube, and high flow velocity. The resistance becomes small as the frequency increases, whereas the resistance is nearly constant with change in frequency without mean flow.
Lastly, a curve-fitting model was suggested for obtaining the impedance data easily from the measured impedance database. From this curve-fitting model, if the mean flow, the ordinary frequency, and the porous frequency (or the effective flow resistivity) are specified, one can easily obtain the acoustic resistance and reactance of a specific porous woven hose. A comparison between predicted and measured TL was shown in order to demonstrate the effectiveness of the developed technique.
it is thought that the results in this study would be useful in the practical acoustic analysis and design of automotive intake systems that include a porous woven hose. The measurement methods suggested in this study are to be considered general for the acoustic duct system having a compliant wall, that they can be applied to other general situations.
다공형 직조관(porous woven hose)은 내연기관의 흡기소음(intake noise)을 줄일 수 있는 효과적인 소음제어요소로써 널리 사용되고 있다. 직조관은 폴리아마이드(polyamide)로 표면처리된 철사로 틀이 짜여진 나선형 구조에 면사 또는 나이론으로 직조하여 만들어지며, 아크릴 수지로 코팅되어 표면처리된다. 직조관은 흡기계의 길이에 따른 공명을 피할 수 있다는 소음제어 측면에서의 장점 외에도 자체가 유연하기 때문에 진동의 차단에도 효과가 있으며, 복잡한 엔진실 내부에서 흡기관이 위치할 수 있는 공간적 제약에 덜 민감하다는 장점들을 가진다. 개발업체의 정의에 따라 직조관은 ‘porous frequency’라는 인자로 특징 지워지며, 이 인자는 대기압, 직조관의 내부 부피, 그리고 유효 압력강하와 벽을 통과해서 흐르는 특정 유량(26 l/s)의 비로부터 결정된다.
직조관이 사용된 흡기계의 음향 특성을 예측하기 위해서는 직조관의 임피던스(acoustic impedance)에 대한 정보를 알아야 한다. 그러나, 높은 저항, 국부적인 두께의 변화, 곡률, 국부적인 비균질성 등의 특수한 음향학적 특성과 구조적 특성 때문에 직조관의 임피던스를 정확하게 측정하는 것은 쉽지 않다. 다공형 재료의 임피던스 측정에 사용되는 임피던스 관(impedance tube)을 이용하여 직조관의 임피던스를 측정하기 위해서는 원반모양의 평평한 시편으로 직조관을 잘라야 한다. 그러나, 이 경우 직조관의 구조를 지지하는 철사가 절단되고, 따라서 직조관 벽의 특성이 바뀌게 된다. 임피던스 관을 이용하여 평평하게 자른 직조관 시편의 임피던스를 측정하는 많은 실험을 수행하였지만, 재현성이 있는 결과를 얻을 수 없었다. 이것은 직조관의 임피던스를 측정하기 위해서는 실제 사용되는 상태 그대로, 즉 원형관의 형태를 유지한 상태로 측정되어야 한다는 것을 의미한다. 본 연구에서는 이러한 난점을 극복할 수 있는 직조관의 임피던스 측정 방법을 개발하였고, 이를 이용하여 직조관의 음향특성을 예측하였다.
먼저, 직조관의 음향학적인 특성과 물리적인 기본 성질에 대한 연구를 수행하였다. 직조관 벽의 특성을 대표하기 위해 일반적인 다공형 재료에서의 흐름저항과 유사한 개념으로 유효 비흐름저항을 제안하였고, 직조관의 비선형 특성을 표현할 수 있는 비선형 모델을 제안하였다. 직조관의 직조상태와 코팅상태에 따른 특성을 대표하기 위해서는 porous frequency를 사용하는 것 보다 본 논문에서 제안한 유효 비흐름저항을 사용하는 것이 더 적합하다.
두번째로, 직조관의 임피던스를 측정하는 두 가지 방법을 제안하였다. 첫번째로 제안한 two-step estimation method는 짧은 길이를 가지는 원통형의 직조관 시편과 이보다 큰 지름을 가지는 원통형 방(cylindrical chamber)을 동심형으로 배치하여 리액턴스(reactance)를 측정하고, 측정된 리액턴스와 추가로 측정된 전달손실로부터 레지스턴스(resistance)를 측정하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 주파수의 범위가 제한되어있고, 두 개의 실험장치가 필요하다는 단점이 있다. 직조관의 임피던스를 측정하는 두번째 방법으로써 two-step estimation method에 비해 실험장치가 간단하고, 측정 주파수 범위가 확장된 inverse estimation method를 제안하였다. 이 방법은 측정된 압력전달계수(pressure transmission coefficient)로부터 임피던스를 찾는 방법이다.
세번째로, 유동에 의한 직조관의 임피던스 변화를 살펴보기 위해 inverse estimation method를 유동이 있는 경우로 확장하였다. 유동조건과 직조관의 종류를 바꿔가며 임피던스를 측정하였고, 특히 낮은 porous frequency를 가지는 직조관의 레지스턴스에서 유동의 영향이 큰 것을 확인하였다. 유동이 없는 경우에는 레지스턴스가 주파수의 변화에 대해 거의 변하지 않고 일정했었지만, 유동이 있는 경우에는 주파수가 증가하면 레지스턴스가 감소하는 경향이 있다.
마지막으로 유동조건과 직조관의 종류를 바꿔가며 측정한 많은 임피던스 데이터를 이용하여 porous frequency, 주파수, 그리고 마하 수를 독립변수로 하는 curve-fitting model을 제안하였고, 이를 이용하면 임의의 직조상태, 임의의 유동조건에서 임피던스를 예측할 수 있다. 이렇게 예측된 임피던스로부터 실제 사용되는 범위 내에서 임의의 길이, 임의의 유동조건, 임의의 직조상태를 가지는 직조관의 전달 손실을 예측하였고, 측정된 전달손실과 비교하여 잘 일치하는 것을 확인하였다.
본 연구의 결과들은 직조관의 음향 특성을 파악하고, 직조관이 사용된 자동차 흡기계의 음향성능을 예측하는데 유용하게 사용될 수 있다.
