도로소음저감을 위한 능동형 방음벽 개발(8)(한국아파트신문,2011.04.27) > 칼럼

디지털신호처리기술을 이용해 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템을 실현시키기 위해서는 DSP시스템 개발이 필수이지만 그것이 전부는 아니다. 적절한 알고리즘은 이론상으로는 소음을 최소화할 수 있지만, 소음의 저감효과는 소음원의 종류, 이차 음원과 에러센서의 위치관계와 많은 관련이 있다. 그리고 에러센서의 출력을 최소화하는 데에 성공했다 하더라도 목표로 하는 공간범위에서 소음저감효과를 볼 수 있을지는 소음의 종류, 소음이 의존하는 공간의 특성, 음장에서의 음향 에너지의 움직임 등에 달려있다. 또한, 한 주파수 대역에서 엑티브 노이즈 컨트롤로 충분한 저감효과를 얻었다 하더라도, 소음이 줄어들지 않는 주파수 대역이 남아있다면 심리적인 효과를 얻을 수 없을 가능성이 높다. 이와 같은 모든 요소를 만족시키기 위해서는 결국 만들어보지 않으면 모른다는 것이다. 소음문제는 결국에는 심리적인 문제이며, 개인을 넘어 사회적인 관계까지도 포함하고 있기 때문에, 그 효과의 정량화가 어렵다는 현실이 엑티브 노이즈 컨트롤의 실용화를 지연시키고 있다고도 할 수 있다. 따라서 엑티브 노이즈 컨트롤의 실용화는 하나의 도전이기는 하지만, 완전한 실패로 끝나지 않기 위해서는 어느 한 단계에서 실패하는 위험성이 있다는 점을 고려하고 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템을 설치해야 한다.

  <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

액추에이터(actuator)와 센서의 설치방법

엑티브 노이즈 컨트롤 시스템은 제어하고자 하는 위치에서의 소음에서 전해지는 신호를 예측하고 (예측시스템), 예측한 신호와 동일한 신호를 제어하고자 하는 위치에서 얻을 수 있도록 이차 음원으로의 입력신호를 계산하고 (역시스템), 그 반전신호를 이차 음원에 입력한다는 세 가지 기능을 갖고 있다. 즉, 다음과 같다.

① 어떠한 위치에서의 소음에 따른 음파를 예측한다. (예측시스템)

② 어떠한 위치에서의 원하는 음파를 생성하는 이차 음원으로의 입력신호를 계산한다. (역시스템)

③ 신호를 반전한다.

이 세 개의 기능을 갖는 시스템을 직렬로 접속한 것이 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템이다.

코히런스 (결맞음)

노이즈 센서는 에러센서의 위치에서 음파를 예측하기 위한 예측 시스템으로 향하는 입력신호를 얻기 위한 것이다. 따라서 예측 정밀도를 높이기 위해서는 에러센서의 위치에서 음파와 상관(코히런스)이 높은 신호를 얻을 필요가 있다. 실제로 완벽한 예측은 불가능하기에 예측에 오차가 생긴다. 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템은 예측 가능한 범위의 음파는 없앨 수 있지만, 예측할 수 없는 범위의 음파를 없앨 수는 없다. 따라서 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템의 최대의 제어효과는 예측오차의 SN비로 계산할 수 있다. 요컨대 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

엑티브 노이즈 컨트롤 최대제어효과 레벨 =소음신호 레벨 - 예측오차신호 레벨

예측신호의 레벨은 선형예측시스템을 이용하여 계측할 수 있다. 예를 들어 이미 DSP를 사용하여 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템의 실험단계에 있는 경우에는 개발한 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템의 LMS알고리즘적용 필터를 이용하여 선평예측을 실행하면 된다. 노이즈 센서를 입력신호로 하여 에러 센서와 선형 센서 시스템의 출력신호의 차를 예측오차신호로써 적용필터를 구동시켜 예측오차신호 레벨을 계측하면 된다.

인과율

한 시스템 h(t)에 신호 x(t)를 입력했을 때 출력신호 y(t)를 얻었다고 하자. 역 시스템 h(t)-1은 입력신호를 y(t)라고 했을 때에 출력신호 x(t)를 얻을 수 있는 시스템이다. 본래의 시스템이 최소위상계라면 역 시스템은 인과율을 만족시키지만, 음향 시스템은 최소위상계가 아니기 때문에 그 역 시스템은 인과율을 만족시키지 못한다. 하지만 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템이 전체적으로 인과율을 만족시키면 되므로, 앞서 말한 예측시스템과 역 시스템을 함성한 전달함수가 인과성을 만족시키도록 하면 된다. 인과성을 고려한다면 이차 음원과 에어 센서는 되도록이면 가까운 편이 좋다. 그리고 노이즈 센서는 인과성이라는 면에서 에러 센서와 거리를 두는 편이 좋지만, 예측정밀도를 유지하기 위해서는 에러 센서에 근접시키는 것이 좋다.

필터 탭의 길이

닫힌 공간 안에서 엑티브 노이즈 컨트롤을 실행시킬 경우에는 벽면 반사가 시스템 성능에 영향을 준다. 잔향은 예측 시스템 및 역 시스템 양쪽 모두에 영향을 준다. 역 시스템에 관해서는 이차 음원과 에러 센서를 근접시켜 직접 음의 크기를 잔향음보다도 상대적으로 크게 하면 어느 정도 잔향의 영향을 줄일 수 있다. 또한 예측시스템, 역 시스템 모두 잔향이 길어짐에 따라 그 전달함수도 복잡해지기 때문에 보다 많은 필터 탭의 길이가 필요하다. 또한, 이차 음원에서 노이즈 센서로 피드백이 발생할 경우에는 엑티브 노이즈 컨트롤 시스템의 성능이 저하될 가능성이 있다. 피드백의 영향은 시스템에 다수의 극점을 만들 가능성이 있기 때문에 불안정하며 시스템의 임펄스 응답길이가 길어진다. 따라서 피드백의 영향을 흡수하기 위해서는 필터 탭의 길이를 충분히 늘려야 한다. 또는 피드백을 없애는 시스템을 삽입하면 피드백으로 인해 발생하는 극점을 없앨 수 있다.