When actuating parts of a machine such as bearings and gears in a vehicle work improperly, they often cause impulses with adjacent parts while the machine is moving. This impulsive excitation normally has a period when the moving speed is constant. Such impulses often generate the periodic impulsive sound, which means that the fault can be regarded as the periodic impulsive sound source. The machine with such fault thus has different distribution of sound from the normal machine in the space domain. Therefore, we can find which part of the machine has to be repaired by comparing the spatial distribution of sound with and without fault. This is the key motivation of this thesis.
The sound visualization is one possible means that can be utilized to compare the spatial distribution of sound. That is, one can find the region which generates different sound easily by watching the visualized sound. The acoustic holography is one effective way to enable the sound visualization. Especially the moving frame acoustic holography (MFAH) method visualizes the spatial distribution of sound from the moving source. Through the method, one can see the difference between the sound distributions of the normal and abnormal machines in cruise, which enables to find the location of fault. The objective of this thesis is thus to propose a method to find the location of fault generating periodic impulsive sound in a moving machine, via the sound visualization implemented by the MFAH method.
In order to attain the objective, this thesis defines two major problems. The first one is the period es-timation of impulsive sound. The acoustic holography including the MFAH method shows the spatial distribu-tion of sound at frequencies of interest. In order to get the meaningful sound visualization, it is important to de-termine at which frequencies we want to visualize the sound. This leads us to find the frequency component of the moving periodic impulsive sound. Since the frequency of periodic impulse is closely related with the period, we may identify frequency components by finding the period of impulse. However, it is not trivial to find the period from the measured signal since the radiated sound undergoes the Doppler effect due to the movement of source. Therefore, the measured signal is not periodic any more although the moving source generates periodic impulsive sound.
The second problem is related with noise. Although we find the meaningful frequency components by estimating the period, the visualized sound field may include unwanted information due to noise, which causes wrong estimation of periodic impulse location. That is, the region with different sound distribution can either be due to fault or measured noise. Of course the noise can be reduced by averaging sound fields through a number of measurements. However, this is inefficient because several measurements also require the machine to move several times. Thus it is needed to reduce the noise by small number of measurement.
In order to resolve above problems, this thesis firstly models the sound generated by the moving peri-odic impulsive sources. As a result, it has been found that the signal is concentrated on frequency bands which are mainly determined by the impulse period and the moving speed. Based on this, we propose a method to esti-mate the period by using the band pass filter designed with the prior knowledge of moving speed. In relation with the second problem, we propose to average spatial distribution of sound for several frequencies. The noise is randomly distributed with the space and frequency, whereas sound radiated by a impulsive source has similar spatial distribution for several frequencies. Therefore, the effect of noise can be reduced by averaging a number of spatial sound distributions obtained by a single measurement. The feasibility of proposed methods has been tested through various simulations and experiments using a miniature vehicle.
자동차와 같은 차량의 구동부 (예: 베어링 혹은 기어)에 발생한 결함은 인접한 부위와 이동 중에 충격을 일으킨다. 특히 이런 충격은 차량이 등속으로 이동하는 경우에 주기적으로 발생한다. 이는 정상적인 기기에서는 발생하지 않는 주기적인 충격 소음을 발생시킨다. 이로 인해 결함이 있는 기기는 정상적인 기기와 소리의 공간 분포가 다르며, 이들을 비교하여 결함이 발생한 위치를 추정할 수 있다. 즉, 음향 홀로그래피와 같은 음장 가시화 기술을 이용하면 소리의 공간 분포를 육안으로 비교하여 결함의 위치를 쉽게 찾아낼 수 있다. 특히 이동 프레임 음향 홀로그래피(Moving Frame Acoustic Holography) 방법은 이동하는 음원에서 발생한 소리의 공간 분포를 가시화하는 데 효율적인 방법이다. 따라서 본 연구의 목적은 이동 프레임 음향 홀로그래피를 이용하여 이동 중에 발생한 주기적인 충격의 위치를 추정하는 방법을 제안하고 이의 이론적 타당성을 논함과 동시에 그 실질적 응용성을 실험을 통하여 증명하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해서 본 논문에서는 두 가지 문제를 정의하고, 이들을 해결하는 방법을 제안하였다. 우선 첫 번째 문제는 이동하는 음원에서 발생한 충격의 주기를 예측하는 것이다. 음향 홀로그래피 방법은 주파수 영역에서 소리의 공간 분포를 예측하는 방법이다. 따라서 관심 주파수 영역을 선정할 필요가 있는데, 주기적인 충격 소음의 주파수 성분은 충격 주기에 의해 결정된다. 따라서 충격의 주기 예측을 통해 주파수 성분을 선정할 수 있다. 그러나 본 논문의 내용과 같이 음원이 이동하면서 충격 신호를 주기적으로 발생시키는 경우엔 음원과 측정점 사이의 상대 운동에 의해 발생한 도플러 효과로 인해 측정된 신호는 주기성을 잃게 된다. 따라서, 도플러 효과가 반영되어 측정된 신호가 충격 신호의 각 변수들 (충격 주기, 음원의 이동 속도 등)과 어떠한 관계를 가지는 지 파악한 후, 이를 이용하여 충격 주기를 예측하여야 한다.
두 번째 문제는 잡음에 의해 발생한다. 측정된 잡음은 가시화한 소리의 공간 분포를 이용한 위치 추정에 오차로 작용한다. 즉, 결함 유무에 따른 소리의 공간분포의 차이가 결함에 의한 것인지 혹은 잡음의 영향에 기인한 것인지 알 수 없다. 이러한 잡음의 영향을 줄이기 위해 소리의 공간 분포를 다수 측정한 후, 평균을 취하는 방법이 있다. 그러나, 이는 늘어난 측정 횟수만큼 차량을 다수 운전해야 하므로 비효율적이다. 따라서 적은 수의 측정만으로 잡음의 영향을 줄이는 방법이 필요하다.
위의 두 문제를 해결하기 위해 이동하는 주기적인 충격 소음을 수학적으로 모델링 하였다. 이를 통해 이동하는 주기적인 충격 소음의 주파수 성분은 충격 주기와 음원의 이동 속도에 의해 결정됨을 알 수 있었다. 즉, 음원의 이동 속도와 측정된 신호의 주파수 성분을 이용하여 충격 주기를 예측할 수 있다. 본 연구에서는 대역 통과 여파기 (band pass filter)를 이용하여 충격 주기를 예측하는 방법을 제안하였다. 그리고 두 번째 문제 즉, 측정 잡음의 영향을 줄이기 위해 소리의 공간 분포를 주파수 별로 취득한 후 이들을 평균하는 방법을 제안하였다. 잡음은 주파수 및 공간에 대해 랜덤하게 분포하는 반면, 주기적인 충격 소음은 충격 주기에 의해 결정되는 다양한 주파수에 대해 유사한 공간 분포를 갖는다. 따라서 한 번의 측정 만으로 얻은 여러 장의 소음 지도를 이용하여 간단하게 잡음의 영향을 줄일 수 있다. 제안한 두 가지 방법의 효용성을 컴퓨터 모사 실험 및 축소 모형 이송 장치를 이용하여 검증하였으며, 신호 대 잡음비가 0dB 이상인 경우에 대해 적용이 가능함을 보였다.
