Implementation of Active Sound Enrichment Control for Improving Engine Sound Quality Inside the Cabin of a Passenger Car

차량 실내공간의 가속 시 엔진음 음질 향상을 위한 실시간 능동음향증강 제어 구현

Abstract

In this study, a concept of active sound enrichment (ASE) control system was implemented and demonstrated for improving engine sound quality inside the cabin of a passenger car during acceleration. Unlike the active noise control cancels the noise for disturbance rejection, the ASE adds additional sound to the noise for tracking control. This approach requires a new algorithm to provide additional artificial sound to the original engine sound using active control strategy to achieve a target sound profile, which is predefined to satisfy required interior sound quality. The ASE algorithm was implemented in a digital controller dSPACE DS1401 and real-time control experiment was accomplished in an actual car. The ASE control results show that the actively enriched sound of each engine order against RPM tracks the target profiles precisely and quickly and improves the discontinuity, the level ratios and the sound pressure level of each engine order. Thus it is anticipated the ASE system can be applied for the improvement of the engine sound quality inside the cabin during acceleration.

1. 서 론

차량 실내공간에서 엔진음의 음질(sound quality)은 그 차량의 고유한 음향적 특성으로써 브랜드에 가치를 부여하는 요소로 작용하기도 하며(1), 감성 품질 측면에서 상품성을 결정짓는 중요한 속성이다(2). 이러한 차량의 음향적 특성을 개선하기 위하여 차량 제작사들은 다양한 형태의 수동 및 능동 기법(passive and active methods)에 대한 연구를 지속해 왔다(3). 특히 능동소음제어(active noise control, ANC)는 중첩의 원리를 이용하여 제어하고자 하는 소음과 크기가 같고 위상이 반대인 인공적인 anti-noise를 발생시켜 소음을 저감시키는데 목적이 있다.

일반적으로 FxLMS(filtered-x least mean square)로 알려진 기법을 기반으로 하는 ANC가 가장 널리 사용되는데, 이 기법은 차량 엔진음의 경우 부밍(booming)과 같은 저주파 대역의 협대역(narrowband) 소음을 저감시키는데 효과적인 것으로 알려져 있다(4).

한편 Kuo et al.은 ANE(active noise equalizer) 알고리듬을 제안하였는데, 이는 ANC가 무조건적인 소음의 최소화를 목적함수로 동작하는데 비해서 비록 전체 주파수 대역에 걸쳐 일괄적이지만 소음 저감의 크기를 임의로 조정 가능하고 어느 수준의 잔류 소음(residual noise)을 의도적으로 남길 수 있도록 하였다(4). 이 ANE 알고리듬을 차량 엔진음의 협대역 제어로 적용하면, 엔진의 오더(order) 별로 주파수와 관계없이 일괄적인 소음저감 레벨의 정도를 조절할 수 있다(5).

ANC 또는 ANE 기법을 이용한 소음의 능동적인 저감 기법과는 별도로, 음질 측면에서 충분한 크기의 음향레벨을 가지지 못한 엔진음에 대한 인공적인 음향을 부가시키는 능동적인 음향증강에 대한 연구도 진행되어 왔다(6).

이러한 능동음향증강(active sound enrichment, ASE) 기법은 차량의 음향적 특성으로 인해 특정한 r/min 구간에서 엔진음 음향레벨이 과도하게 낮아질 경우 부가음(complementary sound)을 발생시켜 그 음향레벨을 일정 수준의 크기로 유지시키는데 사용될 수 있다. 이 ASE 기법은 기존의 엔진음을 증강하기 위해 오더별 r/min의 목표 음향레벨이 설정된 타겟프로파일(target profile)을 기반으로 목표레벨을 추종하도록 엔진음 위에 차량의 스피커 등을 이용해서 추가로 음향을 발생시키게 된다. 그래서, ASE 알고리듬은 기존 엔진음의 부족한 음향레벨만큼 부가음을 만들어내어 주행 시의 엔진음 음질을 능동적으로 개선시키게 된다. 특히, ASE 알고리듬에 의해 발생되는 이 부가음은 기존의 엔진음과 조화를 이뤄야 하고 아울러 제어의 실시간성과 자연스러움 그리고 고급감이나 박진감, 스포티감 등과 같은 고객의 취향에 맞는 주관적 음향의 품질도 상업적 측면에서 중요하다.

이 연구에서는 차량의 엔진음 음질을 향상시키기 위한 ASE 시스템을 실차를 대상으로 구현하였다. 우선적으로 ASE 시스템을 구현하기 위한 알고리듬을 고안하였고 이를 제어용 디지털신호처리기(digital signal processor, DSP) 보드에 맞도록 포팅 (porting)하였다. 그리고 측정된 가속 시의 차량 실내의 엔진음을 분석하여 요구되는 음질을 충족하는 타겟프로 파일을 정의하였으며, 이를 ASE 알고리듬이 구현된 제어용 DSP 보드에 탑재하였다.

그 후 실시간 ASE 제어 실험에서 측정된 음압레벨(SPL) 결과와 타겟프로파일을 비교하여 각각의 오더 별로 그 성능을 평가하였다.

이 논문은 다음과 같이 구성되었다. 2장에서는 적응 피드포워드(adaptive feedforward) FxLMS 기반의 ANC 알고리듬에 대한 리뷰와 함께 ASE 알고리듬의 이론적 배경에 대해 논의하였다. 3장에서는 실제 차량에 ASE 시스템을 탑재하기 위한 실험 장치의 셋업에 관해 언급하였으며, 4장에서는 실시간 ASE 제어 실험을 통해 얻어진 결과를 스펙트로그램(spectrogram)과 오더 별 음압레벨의 그래프로 도시하였고, 제어 이전의 성능과 비교하며 분석하였다. 마지막으로 5장에서는 이 연구의 결론을 서술하였다.

 

2. 능동음향증강(ASE) 기법

2.1 개요

ANC 및 ASE 기법을 포함한 능동음향제어의 관점에서 차량 실내공간의 엔진음 음질 향상에 대한 개념을 Fig. 1에 나타내었다. 이 Fig. 1은 임의의 오더에 대하여 엔진 r/min에 따른 차량 실내의 음향레벨 변화를 보여주는데, 실선은 제어 전 해당 오더의 엔진음 음향레벨이고 점선은 그 오더의 음질 향상을 목표로 설정된 엔진음 타겟프로파일의 음향레벨을 나타낸다.

Fig. 1Conceptual description of ANC and ASE for improving engine sound quality inside a passenger car

Fig. 1은 낮은 r/min 구간에서는 제어 전 엔진음의 음향레벨이 주로 부밍 등에 기인해 타겟 레벨에 비해 높은 소음레벨을 보이고 있으며, 높은 r/min 구간에서는 엔진음의 음향레벨이 타겟 레벨에 비해 부족함을 보여 주고 있다. 즉, 타겟 레벨을 추종하려면 낮은 r/min 구간에서는 소음을 저감시키는 ANC 동작이 요구되고 높은 r/min에서는 음향을 증강시키는 ASE 동작이 필요함을 보여준다.

이 연구에서는 ANC에 대해서는 구현하지 않았으며, 단지 능동적 제어기법에 기반한 ASE 시스템을 통한 음향 증강만을 구현하였다.

2.2 적응피드포워드 FxLMS 기반 ANC

ASE 알고리듬과의 비교를 위해 차량 실내 엔진소음을 저감하기 위한 FxLMS 알고리듬 기반의 ANC 시스템 블록선도를 Fig. 2와 같이 나타냈다. 점선 내부는 DSP 내에서 처리되는 과정이며, 점선 외부는 실제 물리 시스템에서 이루어지는 과정이다. 참조신호(reference signal) r(n)은 차량의 CAN(controller area network) OBD 단자를 통해 수신되는 엔진의 r/min 신호이고 이것을 기반으로 제어하고자 하는 엔진 오더에 대응하는 sine파형 x(n)이 아래의 식과 같이 생성된다.

여기서 f0는 r(n)의 엔진 회전의 첫 번째 오더 성분인 C1(component 1)에 해당하는 주파수, fs는 샘플 레이트(sample rate), i는 해당 엔진 오더 그리고 n은 이산 시간변수이다.

Fig. 2Block diagram of the adaptive feedforward FxLMS ANC algorithm for a passenger car

제2 경로 모델(secondary path model)인 Ŝ(z) 을 통과한 x(n)은 이 되어 ADC로 입력된 오차신호(error signal) e(n)와 함께 적응필터(adaptive filter) W(z)의 계수 업데이트에 사용된다. ANC 시스템에서 일반적으로 적용되고 있는 FxLMS 알고리듬의 계수 업데이트 방정식은 아래와 같다(4).

여기서 α 는 수렴계수를 나타내며, 은 의 신호벡터이다. 이 알고리듬은 순시적인 e(n)의 자승 평균이 최소가 되도록 작동되므로 제어신호(control signal) y(t)는 d(t)와 크기가 같고 위상이 정반대인 신호에 근접하게 된다.

한편, W(z)으로 부터 출력된 u(n)은 DAC와 실제 제2경로(secondary path) S(s)를 지나 y(t)가 된다. y(t)는 교란신호 (disturbance signal) d(t)와 상쇄 동작하며, 그 결과인 오차신호 e(t)가 생성된다.

2.3 ASE 알고리듬

Fig. 3은 ASE 알고리듬의 블록 다이어그램을 나타낸 것인데, 이 시스템에서 사용되는 참조신호와 sine 파형의 기호는 ANC 시스템의 r(n)과 x(n)으로 동일하다. 하지만 교란신호로 정의된 d(t)는 ANC 관점에서 제거되어야 할 대상인 반면, 인공음을 부가하는 ASE 관점에서는 그대로 보존되어야 할 대상으로써 제어 전 엔진음으로 취급된다.

Fig. 3Block diagram of the feedforward ASE algorithm for a passenger car

x(n)은 해당 r/min에서의 목표 음압레벨을 갖는 타겟프로파일 신호 p(n)을 생성하는데 사용된다. 은 제어필터 p(n)을 통과하여 출력신호 u(n)이 되는데, 여기서 W(z)은 p(n)과 사전 측정된 d(t)를 음압레벨의 측면에서 비교하여 부족한 음향을 보상하도록 한다.

그래서 실제의 제2경로 S(s)를 통과한 y(t)는 탑승자의 귀 위치에서 제어 전 엔진음 d(t)와 중첩되어 제어 후의 달성된 엔진음(achieved signal) a(t)가 되는데, 이것은 아래 식과 같이 표현된다.

ASE는 차량의 r/min을 참조신호로 사용하고 다수의 제어스피커를 통해 출력하는 알고리듬이므로 단일입력 다중출력(single input multiple output)으로 구현되는 알고리듬이다.

한편, 이산형태로 표현된 a(n)와 p(n)의 차이를 의미하는 이산 편차신호(deviation signal) e(n)은 다음과 같이 정의된다.

제어 이후 a(n)은 ASE 알고리듬에 의해 p(n)과 같아지도록 동작이 이루어진다(즉, e(n) = 0.).

 

3. 실험 장치 셋업

실시간으로 동작하는 ASE 시스템이 4기통 엔진 차량에 구현되었다. Fig. 4(a)에 나타낸 것처럼 차량에 장착되어 있는 4개의 도어스피커(spk1, 2, 3, 4)와 트렁크에 위치한 1개의 서브우퍼(spk5)가 제어신호 출력을 위해 사용되었고, 교란신호(제어 전 실내 엔진음) d(t)와 달성신호(제어 후 실내 엔진음 + 부가음) a(t)를 측정하기 위한 마이크로폰(PCB 377B02 1/2˝)이 운전자 좌측 귀 위치에 설치되었다.

Fig. 4ASE system

이 ASE 알고리듬은 dSPACE DS1401 제어기에 구현되었고, 엔진의 r/min을 실시간으로 측정하기 위해차량의 OBD 단자를 통해 CAN 신호를 수신하였으며, CAN 신호의 r/min은 참조신호 x(n)의 생성에 이용되었다.

제어기로부터 출력된 신호는 reconstruction 저역 통과필터를 거친 뒤 전원증폭기를 통과하여 5개의 제어 스피커로 각각 출력되었다.

 

4. 실험 및 결과 분석

실제 차량 실내에서 제어 전 엔진음 d(t)와 제어 후 엔진음 a(t)의 측정은 차량이 정지된 상태에서 진행되었고, 기어가 N(neutral) 모드일 때 r/min이 정상상태(idle)로부터 최대 r/min까지 7초간 스윕(sweep)되는 가속 조건 하에서 수행되었다.

먼저 d(t)를 측정하여 4.1절에 스펙트로그램으로 나타내며 그 특징을 기술하였다. 이를 토대로 설계된 타겟프로파일에 대해 4.2절에 서술하였다. 그리고 타겟프로파일에 따른 ASE 제어 실험을 수행하였고, 제어 후 엔진음 a(t)에 대한 측정 결과를 4.3절과 4.4절에 각각 스펙트로그램과 오더별 음압레벨 및 목표치와 달성치의 차이인 편차의 관점에서 분석하였다.

4.1 Before ASE

실험 차량 운전자 귀의 좌측에서 측정된 제어 전엔진음 d(t)의 스펙트로그램을 Fig. 5에 제시하였다. 이 그림에서 C2 오더가 가장 선명히 나타났는데, 이는 r/min에 따른 C2의 음압레벨이 다른 오더들의 음압레벨에 비해 상당히 크다는 것을 의미한다. 즉, 운전자가 듣는 N 모드 가속 시의 엔진음은 주로 부밍에 기인한 C2가 가장 지배적임을 의미한다.

Fig. 5Spectrogram of the engine sound before ASE

그 뒤를 이어 C4와 C6가 순서대로 큰 부분을 차지하였으며, 이외의 다른 오더들의 영향은 위의 3가지 오더에 비해 상대적 작게 나타났다.

가속 시 엔진음의 발진감 및 박력감(powerfulness)은 대표적인 엔진음의 음질 평가 요소인데, 이 엔진음의 주오더(main order)인 C2는 부밍으로 인한 발진감을 주는 것으로 알려져 있다. 그리고 주오더 및 조화오더(harmonic order)와 반오더(half order) 간의 음량(volume) 비율은 럼블(rumble) 및 거친 음색의 박력감에 영향을 미친다(2). 즉, Fig. 5에서 제어 전 가속시 엔진음의 음질 특징은 C2의 부밍에 의한 발진감은 존재하나, 조화오더 및 반오더의 음량이 상대적으로 낮아 박력감이 부족한 것으로 판단되었다.

그리고 스펙트로그램 상에서 나타나는 r/min에 따른 음량의 연속성이 고급감(luxuriousness)의 측면에서 음질 향상의 요인이 된다(7). Fig. 5에서는 대부분 오더들의 SPL이 r/min의 증가에 따라 고저를 반복하며 불연속적으로 나타났고 이것이 불규칙하게 반복되어 음질저하가 유발되고 있음을 보여 준다.

4.2 타겟프로파일 설정

4.1절에서 언급된 제어 전 엔진음에서 부족한 박력감을 향상시키기 위해 주오더 및 조화오더와 반오더 사이의 음량 비율을 증가시키고, 또한 r/min의 증가에 따른 음압레벨의 연속성을 유지하도록 Fig. 6과 같이 타겟프로파일이 설정되었다. 이의 세부 설정과정은 이 논문에서 다루는 범위가 아니므로 제외한다.

Fig. 6Target profiles of some orders with respect to r/min

이 타겟프로파일에는 C2와 C6 사이의 총 9개(0.5 오더 간격)의 오더가 엔진음 음질 개선을 위해 설정되었는데, 이 9개의 오더중에서 일부 오더의 제한된 r/min 구간에 대해서만 Fig. 6에 나타내었다.

참고로, 엔진음 중 제어 전의 C2는 다른 오더에 비해 높은 음압레벨을 가지고 있을 뿐 아니라 특정 r/min 구간에서 부밍현상을 보이고 있기 때문에 음질개선 측면에서 C2의 타겟 음압레벨은 이보다 낮게 설정되었다. 이 C2 오더에 대해서는 소음저감을 위한 ANC 기능이 요구되므로 본 연구에서는 이 오더에 대한 제어를 고려하지 않았다.

이와 달리 다른 오더들의 타겟 음압레벨은 제어전의 음압레벨 보다 대부분 높게 설정되었다.

4.3 After ASE - 스펙트로그램 분석

4.2절에서 정의된 타겟프로파일을 적용한 ASE 제어 알고리듬이 Fig. 3을 기반으로 dSPACE 1401에 구현되어 Fig. 4와 같이 실차를 대상으로 실험이 이루어졌다. 앞서 4.2절에서는 타겟프로파일에서 정의된 제어대상인 9개의 오더중에서 ANC 기능이 요구되는 C2 오더를 제외한 4개의 조화오더(C3, C4, C5, C6) 및 4개의 반오더(C2.5, C3.5, C4.5, C5.5)들에 대해서만 ASE 제어가 수행되었다. 그 결과 ASE 제어 후 엔진음 a(t)는 Fig. 7의 스펙트로그램과 같이 나타났다.

Fig. 7Spectrogram of the engine sound after ASE

C2 오더에 대해서는 어떠한 제어도 이루어지지 않았으므로 제어 전후의 결과 차이는 없다. Fig. 7의 조화오더 및 반오더 8개에 대한 ASE 제어 이후의 스펙트로그램은 Fig. 5의 제어 이전과는 상당히 다른 특징을 보여 준다. 특히 조화오더와 반오더 간의 음량비율 측면에서 개선되었는데 이로써 가속 시 엔진음의 박력감이 증강되었음을 알 수 있다(2). 또한 r/min의 증가에 따른 8개의 오더들의 연속성이 확보됨에 의해 고급감이 증대될 것으로 기대된다.

이상과 같은 분석을 통해서 ASE 제어 이후에 박력감 및 고급감의 측면에서 음질의 개선이 구현되었음을 확인할 수 있었다.

4.4 After ASE - order 별 분석

Fig. 8은 제어대상인 9개의 엔진오더 중에서 4개의 엔진오더 C3, C4.5, C5 및 C5.5에 대한 가속 시 r/min에 따른 타겟프로파일(target profile, 대시선) p(n), 측정된 제어 전 엔진음(before ASE, 점선) d(n), 측정된 제어 후 엔진음(after ASE, 실선) a(n)의 음압레벨들을 상호비교하며 나타낸 그림이다. 이 그림에는 2개의 조화오더(C3와 C5) 및 2개의 반오더(C4.5와 C5.5)의 결과들을 보여 주고 있다.

Fig. 8Comparison of the measured SPLs before and after controls for engine orders

그리고 Fig. 9는 타겟프로파일에 설정된 음압레벨을 기준(0 dB)으로 제어 전 및 제어 후 각각의 엔진음 음압레벨과의 편차(deviation)를 비교하여 보여주는 그림이다.

Fig. 9Comparison of the deviations of the SPLs before and after controls against the target profiles

C3의 경우, Fig. 8(a)에서 보는 것과 같이 타겟프로파일은 제어전의 음압레벨보다 r/min에 따라 약 10 dB ~ 18 dB를 더 증강시키도록 설정되었는데, Fig. 9(a)의 편차비교 그림에서 보여지는 바와 같이 r/min에 따라 -2 dB ~ 0 dB의 편차를 가지는 추종 성능을 보여 주었다. 이 추종 결과는 Fig. 7의 제어 후 스펙트로그램에도 나타나듯이 이 연구의 ASE 알고리듬에 의해 C3 성분 엔진음이 제어 전인 Fig. 5에 비해서 연속적이며 뚜렷하게 증강되었음을 보여준다.

C5의 경우, Fig. 8(c)에서 보여지는 것처럼 타겟프로파일은 r/min의 변화에도 큰 변화가 없이 일정한 크기로 유지되도록 설정되었는데 이는 제어 전 음압 레벨과 비교해서 10 dB ~ 23 dB 가량의 음향증강이 요구된 것이다. 제어 후 음압레벨은 Fig. 9(c)에서와 같이 최대 약 -2 dB의 편차를 나타내는 추종성능을 보여 주었다.

그리고 음질의 중요요소인 럼블 및 박력감을 확보하기 위해서는 조화오더와 반오더 간의 비율이 중요하므로, 반오더인 C4.5 및 C5.5는 조화오더인 C3 및 C5에 비해 상대적으로 타겟프로파일이 낮게 설정되었음이 Fig. 8에서 명확히 보여 주고 있다.

Fig. 8(b) 및 (d)에 나타낸 바와 같이 C4.5 및 C5.5의 타겟프로파일은 제어전 음압레벨에 비해서 각각 약 4 dB ~ 14 dB 및 약 1 dB ~ 10 dB를 각각 증강시키도록 설정되어 있는데, 제어 후 결과는 Fig. 9(b) 및 (d)에서 보는 것처럼 타겟프로파일과의 편차가 C4.5와 C5.5 모두 최대 약 ±2 dB 가량의 추종성능을 나타내었다.

아울러 Fig. 8과 9에서 제시되지 않은 C4, C6의 조화오더와 C2.5, C4.5의 반오더에 대해서도 ASE 제어를 통해 음향증강이 이루어졌으며 다른 오더의 결과들과 유사한 추종성능을 보여 주었다.

이상과 같은 실험 결과 및 분석을 통해서 본 ASE 시스템은 제어 후의 달성신호 a(n)가 타겟프로파일 p(n)을 작은 편차범위 내에서 실시간으로 추종하는 성능검증을 통해서 제어 전 엔진음의 부족한 럼블, 박력감 및 고급감 요소의 개선에 능동적 음향 증가 기법이 적용될 수 있음을 확인하였다. 이는 차량 실내공간에서 가속 시 엔진음의 능동적 기법하에서 음질 향상을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

 

5. 결 론

이 연구에서는 자동차 실내의 엔진음 음질을 향상시키기 위한 실시간 능동음향증강(ASE) 시스템을 구현하였으며 실차에 대한 제어실험 결과를 아래와 같이 요약할 수 있다.

- ASE 제어 후 r/min에 따라 각 엔진 오더의 음압레벨이 증강되어 ±2 dB 이내의 편차를 가지고 타겟프로파일을 추종하였다.

- 이로써 일부의 오더에 대해 미흡한 엔진음 음질을 가진 차량에서 럼블, 박력감 및 고급감이 ASE 제어를 통해 전반적으로 증대되어 음질 향상을 기대할 수 있음을 확인하였다.