[공유]NVH(Noise, Vibration, Harshness) 차원이 다르게 소리를 제어하다

‘흔들림 없는 조용함’이 자동차가 갖춰야 할 ‘매너’일 때가 있었습니다. 하지만 최근 자동차를 바라보는 관점이 달라지면서 무조건 조용하고, 엄숙한 것이 좋은 자동차의 조건이 아닙니다. 예전만 해도 자동차의 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 개발 방향은 진동과 소음을 줄이는 정숙성 즉 실용 성능에 맞춰졌지만 이제는 완벽한 실용 성능 개발뿐만 아니라 운전자의 감성을 자극하고 차량과 가장 어울리는 자연스러운 사운드 개발이 중요해졌습니다. 고객이 원하는 사운드를 만들고, 맞춤형 제어가 중요해진 시대. 현대자동차그룹은 기술 개발 방향을 ‘펀 투 드라이브(Fun To Drive)’에 두고 NVH 저감도 이 연장 선상에서 개발하고 있습니다.

 

운전자가 원하는 사운드를 찾아서 IT 기술 접목과 함께 NVH 저감 기술 범위를 확대하다.

초기 NVH 성능 개발 방향은 실내 정숙성에 집중됐습니다. 이에 소음을 저감시키는 다양한 부품들을 사용하면서 이를 해결해왔는데, 이런 방식이 자동차 연비에 좋지 않은 영향을 미치고, 승객마다 정숙성에 대한 서로 다른 느낌을 갖고 있다는 것이 부각됐습니다. 그래서 현재 NVH 저감 개발은 차량 성능과 조화를 이루는 사운드에 주목하고, 운전자가 원하는 사운드에 집중하고 있습니다.

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현대자동차그룹은 2015년 복합적인 요인으로 발생하는 소음과 진동의 제어 기준을 정립해 다이내믹한 핸들링과 정숙한 노면 소음(로드노이즈)을 병립시켰고, R&H와 NVH, 동력 성능 등 정숙성에 영향을 미치는 서스펜션 및 엔진 마운트 시스템의 강성을 개선시켰습니다. 또한 고출력 파워트레인의 소음과 진동을 개선할 수 있는 기술을 개발하고, 시스템 단위의 노면 소음 평가법도 도입했습니다. 이러한 노력의 결과 노면에서 타고 올라오는 소음과 쉐이크, 음량 선형성 등이 개선되었습니다.

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2016년에는 스포츠 및 고성능차의 다이내믹 음질을 개발하고자 주행 사운드 구현 기구 튜닝 개발에 집중했습니다. 이때 나온 성과가 바로 실내 사운드를 만들어내는 ‘액티브 사운드 디자인(ASD)’과 고성능차에 적용돼 실제 더해지는 진동과 사운드를 느낄 수 있는 ‘전자식 사운드 제네레이터(ESG)’, 배기 음량을 조절할 수 있는 ‘능동 가변 배기 시스템’의 개발입니다. 그리고 강화된 외부 소음 법규를 충족하고자 저속 부밍(Booming)은 개선하면서 높은 RPM에서의 사운드는 강화했습니다.

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2017년은 동력 성능과 R&H를 고려한 차량 단위의 최적화를 이룬 해입니다. 특히 차량의 동력 성능에 영향을 미치는 배기계 배압을 최소화하기 위해 센터 머플러를 축소하고, 배기 밸브를 개방하는 등의 차량 단위 성능 최적화를 달성했습니다.

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현대자동차그룹은 향후 NVH 선도 기술을 강화하면서 고객 감성을 반영한 NVH 성능을 구현하려고 합니다. 스포츠 및 고성능차의 실내와 차량 외부에서도 느낄 수 있는 주행 사운드를 정량화할 수 있는 지표 개발을 추진하고, 다양한 분야의 성능들과 조화를 이루는 NVH 성능을 위해 모듈 단위의 선행 개발도 진행하고 있습니다. 더불어 클라우드를 활용한 IT 기술의 접목과 자율주행과 관련된 NVH 개발 및 신소재 활용 방안 등 미래 환경에 발 빠르게 대응할 수 있는 기술을 확보할 예정입니다.

 

NVH 핵심 기술 알아보기 실용 영역과 감성 영역의 조화로운 제어

NVH 개발에서 가장 중요한 부분은 여전히 실용 영역에 있습니다. 조용한 가운데 승객이 불편함없이 충격과 거슬림을 느끼지 않고 편안하게 드라이빙을 즐길 수 있어야 좋은 자동차일 것입니다. 현대자동차그룹은 초기 NVH 저감 개발을 위해 디젤의 정숙성, 가속 조화감, 사운드의 일체감을 살리는 데 집중했고, 그 다음에는 스포츠 세단과 고성능차로 테마가 넘어가면서 기존의 정숙성을 유지한 채 R&H는 물론 내구와 동력 성능까지 포함한, 여러 분야와 조화로운 NVH를 만들어내는 데 주력하고 있습니다. 여기에 감성 영역이라 할 수 있는, NVH가 낼 수 있는 좋은 소리를 만드는 기술인 고유 성능을 연구하고 있습니다.

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NVH가 나아갈 방향은 무조건 정숙성 하나로 일반화시키는 것이 아니라 차종 내에서도 버전을 다양화해서 소비자들의 선택 폭을 넓히는 것입니다. 현대자동차그룹은 차급별 차이는 물론 동일한 차량 내에서도 개성이 다른 NVH 콘셉트의 차를 개발하고 있습니다. 소리는 절대적인 수치로 측정하기 어렵기에 차를 이용하는 사람에 초점을 맞추고 승객과 자동차, 자동차 소음을 연결하는 NVH 생태계를 만들고자 합니다.

 

음파로 잡은 노면 소음 능동형 노면 소음 저감 기술  (RANC: Road-noise Active Noise Control )

 

RANC 시스템 구조

 

자동차는 주행과 동시에 다양한 소음을 노출합니다. 엔진음에서부터 공기의 저항과 와류(Vortex)에서 생기는 풍절음, 타이어가 노면과 접촉할 때 나는 노면소음 등이 대표적입니다. 짧은 거리를 이동할 경우 별문제가 아니지만, 장시간 노출되면 스트레스를 유발하는 원인이 됩니다.

2019년 12월 현대자동차그룹이 세계 최초로 공개한 ‘능동형 노면 소음 저감 기술(RANC)’은 음파를 통해 소음을 저감시키는 기술로 동시다발적으로 발생하는 다양한 노면의 소음을 실시간으로 분석해 이를 상쇄시키는 반대 위상의 음파를 만들어내는 것이 핵심입니다. 소음과 반대 위상의 음파가 만나 소음이 저감되니 당연히 실내 정숙성이 크게 증가하게 됩니다.

자동차 소음을 저감하기 위해 일반적으로 사용하는 방법은 흡∙차음재와 다이내믹 댐퍼 등을 부착하는 것입니다. 또한 풍절음을 막기 위해 앞 유리와 옆 유리를 이중 접합 방식으로 만들기도 하는데, 이러한 방법을 수동형 소음 제어 기술(PNC)이라고 합니다. 하지만 이 기술은 부품 수를 늘리는 결과가 되어, 차의 중량이 늘어나고 결과적으로는 연비를 떨어트립니다.

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이에 현대자동차그룹은 능동형 소음 제어 기술(ANC)을 개발하고, 기존의 소음 저감을 위한 부품 대신 마이크 등 상대적으로 가벼운 부품을 사용해 경량화를 달성해 65~125Hz대의 엔진에서 발생하는 저주파 소음을 해결했습니다. 하지만 이 기술은 규칙적인 소음을 내고, 소음 발생 원인을 예측 가능한 엔진 소음 저감에만 적용할 수 있습니다. 다양한 변수가 존재하고 빠른 속도로 소음을 유발하는 노면 소음 저감에는 한계가 있습니다. 이러한 배경 속에서 RANC라는 새로운 소음 저감 기술이 탄생했습니다.

노면소음 저감 과정이 음속보다 빠른 RANC

 

주행할 때 발생하는 노면 소음을 저감시키는 RANC는 가속도 센서, DSP(음향신호 분석 위한 제어 컴퓨터), 마이크, 앰프, 오디오 등으로 구성됩니다. 반응이 빠른 가속도 센서를 이용해 노면에서 차로 전달되는 진동을 계측하면, DSP가 소음의 유형과 크기를 실시간 분석한 뒤 역위상 상쇄 음파를 생성해 오디오 시스템의 스피커로 내보내는 방식입니다. 그리고 RANC용 마이크는 노면 소음이 제대로 상쇄되고 있는지를 지속적으로 모니터링해 소음 저감 효과를 높입니다.

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RANC는 기존의 흡∙차음재와 ANC로 잡아내지 못했던 저주파대의 노면 소음을 획기적으로 줄였습니다. RANC를 적용하면 약 3dB의 노면 소음 저감이 가능합니다. 특히 포장된 지 오래된 아스팔트 노면에서 효과가 큽니다. 또한, 교량의 연결부 같은 요철의 충격 후 발생하는 부밍 소음 등을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 현재 RANC은 센서 위치 및 신호 선정 방법에서 한국과 미국에 특허출원을 완료했습니다. 이 기술은 향후 노면 소음뿐만 아니라 500~5,000Hz의 주파수 음역을 가지는 풍절음에도 적용할 예정입니다.

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RANC는 탁월한 소음 저감 능력 외에 가볍다는 강점을 갖고 있어 매우 중요한 기술입니다. RANC만큼의 소음 저감 효과를 얻기 위해서 기존의 방법을 사용하면 자동차 무게는 이보다 훨씬 늘어납니다. 또 하나는 RANC가 전기차의 정숙성을 높일 수 있다는 점도 RANC만의 강점입니다. 전기차는 내연기관차에 비해 모터가 내는 소음은 거의 없어 조용할 듯싶지만 오히려 노면 소음과 풍절음이 크게 들립니다. RANC를 통해 전기차 소음 문제도 해결할 것으로 보입니다.

 

타이어 공명음, 너 나가!  중공 흡음 휠 기술

개발자들은 단순히 노출된 소음을 잡아내는데 그치지 않고, 개발 단계에서부터 소음과 진동을 일으키는 원인을 차단하고 개선하고 있습니다. ‘중공(中空: 가운데가 비어 있는 형태) 흡음 휠 기술’ 역시 이러한 방향 속에서 개발됐습니다.

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중공 흡음 휠 기술은 노면 소음, 그중에서도 타이어 공명음을 저감시킵니다. 타이어 공명음이란 주행 중 타이어의 진동이 일으키는 200Hz 대역의 소음으로, 타이어와 노면 접촉으로 발생하는 타이어 사이드 월(Side Wall)의 진동이 타이어 내부에서 진폭이 커지는 공진을 일으켜 발생합니다. 이렇게 발생한 공명음은 타이어와 휠을 거쳐 서스펜션과 차체를 타고 실내로 전해지는데, 이는 탑승자 입장에서 가장 신경 쓰이는 소음 중 하나입니다.

타이어 공명음 전달 경로

이 기술의 핵심은 타이어 내부의 중공 구조에 있습니다. 중공 구조는 울림통 역할을 하는 중공실과 작은 구멍처럼 생긴 흡음 홀로 구성되는데, 차량 주행 시 중공실과 흡음 홀에서 타이어 공명음의 반대 음파를 만들고, 이 반대 음파가 타이어 공명음과 중첩하면서 소음을 감소시키는 원리입니다. 즉, 휠 내부에 뚫어놓은 구멍을 통해 중공실과 흡음 홀로 유입된 공기는 심하게 진동을 하게 되고, 그 진동이 일으킨 소리는 타이어 공명음의 주파수를 상쇄하는 역위상 음파가 됩니다.

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중공 구조는 별도의 흡음재나 공명기를 부착하는 기술과 달리 휠 내부에 만들어져 견고하며, 알루미늄 휠의 중량도 줄일 수 있습니다.

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이 기술이 적용된 제네시스 G80은 18인치 휠을 기준으로 최대 5dB를 저감해 타이어 공명 소음의 약 44%를 줄였습니다. 또, 동일 디자인의 일반 휠보다 최대 4.9kg(20인치 휠 1대분 기준) 더 가벼워 주행성능도 개선됐습니다. 성능 개선이 가능한 이유는 바로 서스펜션 스프링보다 아래에 위치한 구조물(휠, 타이어 등)의 무게인 ‘언스프렁 매스(축하질량, 스프링하질량)’가 줄어들면 불필요한 진동이 감소하기 때문입니다. 또, 바퀴의 관성이 적어짐에 따라 타이어의 접지력이 높아지며 핸들링 성능과 승차감이 향상됩니다. 휠이 가벼우면 가속성능과 연료 효율이 향상되는 효과도 얻습니다.

중공 흡음 휠 구조

 

운전자가 원하는 엔진 사운드 액티브 사운드 디자인 (ASD)

 

ASD 기술이 적용된 제네시스GV80 실내 공간

 

예전에 NVH 개발은 자동차에서 발생하는 각종 소리를 줄이거나 없애는 것에 집중했지만, 이제는 듣기 좋은 소리, 혹은 차종에 따라 그와 어울리는 소리를 만드는 사운드 디자인이 중요해졌습니다. 기본적인 실내 정숙성을 갖추고 있다는 전제 아래 성능이 중요한 고성능차에는 자동차의 엔진이 내뿜는 강렬한 사운드를 심고, 최고급 프리미엄 차량에는 묵직하고 고급스러운 사운드를 적용하는 것입니다.

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전기차의 경우 안전을 위해 소리를 덧붙이기도 합니다. 즉 내연기관차에 익숙한 운전자가 전기차를 운행했을 때 엔진 소리가 없어 가속감을 느끼기 어렵거나 시끄러운 엔진음에 묻혀 들리지 않았던 생소한 소음에 노출되기 때문입니다. 이를 위해 가상의 엔진 사운드를 만들거나 전기차만의 정교한 소음 저감 기술이 필요합니다.

ANC∙ASD 기술은 정숙하고 다양한 엔진 사운드를 디자인

 

좋은 소리의 기본은 듣기 싫은 소리를 줄이는 것에서부터 시작합니다. 액티브 노이즈 컨트롤(ANC)은 외부 소음과 반대되는 음원을 내보내 소음을 상쇄시키는 대표적인 소음 저감 기술입니다. 이는 실용 영역에 해당되는 기술이고, 감성 영역에 해당되는 기술은 바로 액티브 사운드 디자인(ASD)입니다. 기존의 엔진음에 새로움 음을 덧입혀 풍부하고 다이내믹한 엔진음을 만들어내는 기술입니다.

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벨로스터에 적용된 엔진 사운드 이퀄라이저 기술은 운전자의 선호에 따라 3가지 다른 엔진 음색(Refine, Dynamic, Extreme)을 선택할 수 있습니다. 선택된 엔진음의 저음∙중음∙고음을 조절할 수 있고 가속 페달 조작에 따른 사운드 반응도 변경이 가능합니다. 운전자가 취향에 맞게 엔진 사운드를 커스터마이징 할 수 있습니다.

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승객의 귀에 자유를 독립음장 제어 시스템 (SSZ: Separated Sound Zone)

한 가족이 차를 타고 이동할 때 클래식을 좋아하는 부모와 달리 아이들은 최신 팝송을 선호해 이어폰을 끼고 원하는 음악을 듣는 경우가 있습니다. 이런 상황은 가족이 한 공간에서 단절된 느낌을 갖게 합니다. 하지만 독립음장 제어 시스템(SSZ)이 탑재된 차량이라면 대화를 하면서도 각자의 취향에 맞는 음악을 들을 수 있습니다.

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현대자동차그룹은 2018년 운전석과 보조석, 뒷좌석 등 각 공간에서 독립된 음향을 들을 수 있도록 음장(소리의 영역)을 형성하고 제어해주는 SSZ 기술을 발표했습니다.

SSZ 기술 개념

자동차에는 많은 스피커가 탑재되어 있습니다. 다양한 위치에 있는 스피커가 소리를 내기 때문에 자동차에서는 깊이 있고 풍부한 음악을 감상할 수 있습니다. 그런데 조금 달리 생각해보면, 각각의 스피커가 전혀 다른 소리를 낼 수도 있는 겁니다. 그럼 차에 타고 있는 사람들이 자신의 위치와 가까운 스피커에서 나오는 소리만 들을 수도 있겠죠.

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물론 이것만으로 각 좌석에서 전혀 다른 소리를 들을 수는 없습니다. 자동차의 공간이 넓지 않아 당연히 소리가 섞일 수밖에 없습니다. 이런 부분을 해결하기 위해서는 더 세밀한 조율이 필요합니다. 차량 내 스피커의 배열을 최적화하고, 소리가 만드는 반사파의 영향을 최소화할 알고리즘도 만들어야 합니다. 여기에 각각의 스피커에서 나오는 음향의 크기와 위상(Phase)을 제어할 시스템까지 구축해야 각 좌석의 소리가 서로에게 영향을 주지 않는 독립음장이 만들어지게 됩니다.

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SSZ는 차량 내 음장을 자유롭게 제어할 수 있는 기반 기술과도 같습니다. 따라서 이를 활용할 소프트웨어를 어떻게 구축하느냐에 따라 활용법이 무궁무진합니다. 앞서 소개한 각 좌석마다 각자의 취향에 맞는 음악을 들을 수 있을 뿐만 아니라 아예 특정 좌석에서 원치 않는 소리를 차단하는 것도 가능합니다.

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출처: 현대자동차