Recently, noise has come to be regarded as one of the most noxious and frequent environmental pollutants. Noise is often encountered not only in living spaces but also at industrial sites. Studies on the physiological and psychological effects of long-term noise exposure in human beings have drawn public interest to noise-related issues. In buildings, environmental forms of noise such as traffic noise and construction noise are the main types that degrade the comfort of living spaces because environmental noises are generally in the low-frequency range and are louder than noises inside the building. Additionally, because these environmental noises mainly enter through open windows used for natural ventilation, it is necessary to develop ways to reduce noises inside the building.
In this paper, we proposed an active window system to reduce the exterior noise entering a room through a general open window. The proposed system uses a feedforward control method so as not to place the sensors and control sources inside the control region, i.e., the interior space of the building. The reference sensors and control sources for feedforward control are installed outside the room and on the window frame respectively. For global noise reduction throughout the interior room, the control gain for feedforward control is calculated to minimize the total acoustic power of the new source, which is combined with the noise source corresponding to an open window and control sources on the window frame. Furthermore, because it is impossible to directly measure the sound pressure inside buildings, sound pressures caused by noise source and control sources are calculated by the Rayleigh integral equation and the free field Green’s function, respectively. The reference signal estimator which estimates the reference signal for feedforward control was also proposed.
The numerical simulations were performed in the semi-infinite space to evaluate the noise reduction performance of the active window system. Simulation results for frequencies and directions of noise source showed the noticeable noise reduction effect inside the control region within the low-frequency range without the spatial aliasing. The experiments for single frequencies and band-limited white noise source to confirm the performance of the proposed active window system were performed in an anechoic chamber using a scale model approximating the building environment. Experimental results showed that the acoustic potential energy inside the scale model caused by the exterior noise source was reduced up to approximately 10 dB within the frequency range of interest by the proposed system.
본 논문에서는 건물환경에서 환기 등의 목적으로 열린 창문으로부터 유입되는 외부 환경소음을 건물 내부에서 저감시킬 수 있는 능동 창문 시스템을 제안하였다. 능동 소음제어 기법을 건물환경에 적용함에 있어 가장 중요한 건물 내부의 센서 설치 문제를 해결하기 위해서 능동 창문 시스템은 창문 외부에 설치된 참조센서 어레이와 창문 프레임 안쪽에 설치된 제어음원을 이용한 피드포워드 제어방법을 적용하였다. 피드포워드 제어를 위한 제어 이득값은 실제 건물환경에서 내부 공간의 음장을 측정할 수 없기 때문에 이상적인 창문 모델과 단극 음원으로 모델링된 제어음원을 이용하여 반 무한 공간에서 계산되었다. 열린 창문으로 유입되는 소음을 건물 내부 공간 전역에서 저감시키기 위해서 열린 창문에 해당하는 소음원과 창문 가장자리에 위치하는 유한개의 제어음원이 합쳐진 음원의 음파워 및 음향 포텐셜 에너지가 반 무한 공간에서 최소가 되도록 제어 이득값을 계산하였다. 제어 이득값을 계산함에 있어 필요한 소음원과 제어음원에 의한 건물 내부 음장은 Rayleigh 적분식과 자유음장 Green 함수를 이용하여 계산하였다. 또한 이상적인 창문 모델로는 baffled 창문 모델과 유한 두께 창문 모델을 고려하였다. 능동 창문 시스템에서 제어음 계산을 위한 참조신호는 평면파로 입사하는 외부 소음원의 창문면 중심에서의 음압신호를 의미하며, 제어 이득값 필터의 시간지연을 고려할 수 있는 곳에서 직접 센서로 측정하는 것은 비실용적이므로, 창문 외부에 설치된 참조센서 어레이를 이용해 추정할 수 있는 참조신호 추정기를 제안하였다. 참조신호 추정에 필요한 외부 소음원의 입사 방향은 참조센서 어레이 사이의 도달시간지연 값을 이용하여 추정하였다.
능동 창문 시스템의 제어음원의 개수와 위치에 대한 해석을 통해 8개의 제어 음원을 창문 가장자리에 등 간격으로 배치하는 것이 제어성능 대비 비용을 고려했을 경우 최선임을 확인하였다. 이와 같은 제어음원을 갖는 능동 창문 시스템은 제어음원이 창문 가장자리에만 위치할 수 있기 때문에 외부 소음원의 파장이 창문의 특성길이보다 긴 저주파수 대역에서 소음제어가 가능하며, 파장이 특성길이보다 짧은 고주파수 대역에서는 공간적 앨리어싱으로 인해 제어가 불가능해짐을 확인하였다. 외부 소음원의 입사 방향에 따른 제어성능을 소음원과 제어음원의 병치 관점에서 분석한 결과, 소음원이 유입되는 방향에서는 두 음원이 음파워 관점에서 잘 병치되어 소음원의 입사 방향과 동일한 방향에서는 소음저감 효과가 뚜렷함을 모의실험을 통해 확인할 수 있었다. 또한 baffled 창문 모델과 유한 두께 창문 모델을 적용하여 계산된 제어 이득값들의 제어성능을 비교한 결과, 외부 소음원의 입사각이 커질수록 창문 두께에 의한 회절현상이 고주파수 대역까지 나타나기 때문에 두 모델의 제어성능 역시 외부 소음원의 입사각이 커질수록 고주파수 영역까지 차이가 남을 확인하였다.
능동 창문 시스템의 제어성능을 검증하기 위해서 건물환경을 모사한 축소모형에서 실험을 수행하였다. 외부 소음원이 단일 주파수 및 대역 제한된 백색잡음인 경우에 외부 소음원의 입사 각도에 따라 축소모형 내부의 제어 전o후의 음향포텐셜 에너지의 비를 계산한 결과, 관심 주파수 영역에서 약 10 dB의 소음저감 효과를 확인하였다. 또한 외부 소음원 방향으로의 소음저감 효과와 창문 모델에 의한 제어성능 차이도 실험을 통해 확인하였고, 모의실험의 결과와 일치함을 보였다.
본 논문에서 제안된 능동 창문 시스템은 환기를 위해 창문을 열었을 경우에도 외부에서 유입되는 소음을 저감시킬 수 있으므로, 에너지 절약을 중요시하는 그린빌딩에서 자연 통풍과 소음문제를 동시에 해결할 수 있는 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 건물 내부 공간의 음장을 직접 측정하지 않고 이상적인 창문 모델과 제어음원을 이용하여 제어기가 설계되기 때문에 쉽게 실제 건물환경에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
