양들의 침묵
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : Noise-Canceling 기술을 응용한 층간소음 저감장치
영문 : Interlayer noise prevention device using Noise-Canceling technology
과제 팀명
양들의 침묵
지도교수
장서일 교수님
개발기간
2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 20168900** 성**(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 20168900** 김**
서울시립대학교 환경공학부 20168900** 장**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 본 프로젝트의 목표는 층간소음 문제의 해결을 위해, 부착형 노이즈 캔슬링 장치를 개발하는 것을 목표로 한다. ◇ 본 과제는 7 dB 이상 저감, 기존의 차음재보다 저렴한 가격, 안정성, 탈부착 용이성을 목표로 한다. 이를 위해, 소음저감도, 가격, 안정성, 감당소음구간, 유효범위, 탈부착 용이성을 평가항목으로 정하였다. ◇ 개발을 위해 C++언어를 사용하는 아두이노 프로그램을 사용하여 푸리에 급수를 계산하는 코드를 입력한다. 계산 회로로 내장형 시스템(Embedded system) 중 하나인 아두이노 우노 보드를 활용한다. ◇ 마케팅 전략은 SWOT 분석을 통해 세운다. 소형공동주택 위주의 홍보와 제품 가격 최적화를 목적으로 한다. ◇ 위의 과정을 통해 네트워크의 간섭을 받지 않으며, 설치와 A/S에 용이한 제품이 완성될 것을 기대한다. 또한, 가격, 공간효율성, 탈부착 용이성 등의 편의성으로 소비자에게 큰 수요가 있을 것으로 보인다.
개발 과제의 배경 및 효과
<개발 과제 배경>
◇ 전국의 아파트 가구수는 2000년부터 2016년까지 꾸준한 증가세를 보여왔다(한국정책신문).
도표 . 연도별 주택 유형 추이<한국정책신문>
도표 . 2018 인구주택 총조사<통계청>
도표 . 연도별 층간소음 관련 전화상담 건수(국가소음정보시스템)
위의 도표 1에 따르면 아파트 주택이 2000년에는 전체 주택유형 중 47.8%의 비율을 보였으나 2016년
에는 60.1%까지 증가했다.(도표 2) 연도별 층간소음 문제 또한 증가세를 보여, 2018년 기준 28,231건의 전화상담 요청이 있었다. 이는 아파트 주택이 증가함에 따라 층간소음이 사회문제로 대두되고 있음을 보여준다. 우리 팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방법으로 본 과제에서 현재 실용화가 활발해지는 있는 노이즈 캔슬링 기술을 이용한 층간소음 저감장치를 개발하기로 한다.
<개발 과제의 효과>
◇ 층간소음 절감으로 인한 사회문제 해결 ◇ 기존의 방음대책보다 우수한 가격 대비 효과 ◇ 공사 없이 간단한 층간소음 대책 제공 다. 개발 과제의 목표와 내용
◇ 7dB 이상 저감 ◇ 기존의 차음재보다 저렴한 가격 ◇ 안정성 ◇ 탈부착의 용이성
개발 과제의 목표와 내용
◇ 7dB 이상 저감 ◇ 기존의 차음재보다 저렴한 가격 ◇ 안정성 ◇ 탈부착의 용이성
관련 기술의 현황
State of art
(1) 내장형 시스템(Embedded system) 내장형 시스템(Embedded system)은 기계나 기타 제어가 필요한 시스템에 대해, 제어를 위한 특정 기능을 수행하는 컴퓨터 시스템으로 장치 내에 존재하는 전자 시스템이다. 즉, 임베디드 시스템은 전체 장치의 일부분으로 구성되며 제어가 필요한 시스템을 위한 두뇌 역할을 하는 특정 목적의 컴퓨터 시스템이다. 이에 비해 개인용 컴퓨터와 같은 특정되지 않는 일반적인 목적을 수행하는 컴퓨터 시스템과 대조된다. 특정 목적을 수행하는 컴퓨터 시스템이므로 목적을 설정하고 이를 수행하는 프로그램 코드를 작성하여 메모리에 기록하고 이를 읽어 동작 시키는 방법이 일반적이다.
표 1. 산업별 임베디드 시스템 시장 규모(출처 : Radiant Insights)
전자 하드웨어와 기계 부분을 포함하는 전체 장치의 일부로 내장되었다는 의미에서 임베디드 단어가 사용되었다. 내장형 시스템은 오늘날 일상생활에 쓰이는 많은 장치들을 제어하고 있다. 앞으로 글로벌 임베디드 시스템 시장이 가파르게 성장할 것으로 보인다. 시장조사기관인 Radiant Insights가 발표한 보고서에 따르면, 2013년 1,403.2억 달러였던 내장형 시스템 시장은 연간 5.6%씩 성장하면서 2023년에는 2,587.2억 달러에 이를 전망이다. 이러한 성장 배경에는 최근 출현한 사물인터넷에 힘입어 자동차와 의료 분야에서 임베디드 시스템에 대한 수요가 급증할 것으로 전망되기 때문이다.
현재 내장형 시스템은 정보가전제품(디지털 TV, 인터넷 냉장고), 정보단말기기(휴대폰, PDA), 통신 장비, 항공/군용 장비, 물류/금융 기기(POS 단말기, ATM 단말기), 차량/교통 분야, 게임기 등등 많은 분야에서 널리 사용되고 있다.
(2) 아두이노(Arduino) 아두이노는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러로 완성된 보드와 관련 개발 도구 및 환경을 말한다. 아두이노는 하드웨어에 익숙지 않은 학생들을 대상으로 자신들의 디자인 작품을 손쉽게 제어할 수 있게 하기 위해 고안되어 AVR(AC 전원일 때 자동적으로 전압을 안정화시켜주는 기계)을 기반으로 만들어졌으며, 현재는 아트멜 AVR계열의 보드가 가장 많이 판매되고 있다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어 낼 수 있다. 임베디드 시스템 중의 하나로 쉽게 개발할 수 있는 환경을 이용하여 장치를 제어할 수 있다.
(3) Noise-Canceling 노이즈 캔슬링(Active Noise Canceling, ANC)이란, 마이크로 소리를 수음하고 이를 디지털 데이터화한 뒤, 역 위상의 파장을 만들어내서 소리를 내는 스피커에서 쏘아내는 장치이다. 외부 소리를 상쇄하는 역파장을 만들기 위해서는, 들려오는 소리가 마이크에 닿자마자 마이크에서 소리를 디지털 데이터화해야 한다. 그리고 이 소리의 역파장의 소리를 연산하고 튜닝된 것에 맞춰서 도로 스피커로 내보내야 한다. 이 ANC 기술은 피드백 방식과 피드포워드 방식, 그리고 두 방식을 모두 이용한 하이브리드 방식으로 구분할 수 있다. 외부 소음을 감지하는 마이크의 위치에 따른 구분으로, 마이크가 유닛 안에 내장되어 있다면 피드 백 방식, 이어컵 외부에 있다면 피드 포워드 방식으로 구분할 수 있다. 피드 백 방식의 경우에는 정밀하고 높은 성능의 소음 차단이 가능하며, 피드 포워드 방식의 경우에는 음질에 미치는 영향이 적고 보다 컴팩트한 설계가 가능하다. ANC 방식은 소음의 차폐로 잡아내지 못하는 저음역대의 연속적인 사운드 예를 들어, 자동차 혹은 비행기의 엔진음에 효과적이다. 이는 조용한 청취 환경으로 이어진다. 또한, 외부 소음으로 손실되는 사운드를 듣기 위해 볼륨을 올리다가, 과도한 음압 노출로 인한 청력 손상도 막아준다는 점에서 큰 메리트를 가진다.
(4)방음재
방음을 목적으로 하는 재료이다. 공학적인 정적인 방음 기재로서 크게 흡음재와 차음재로 나뉜다. 능동적인 소음 제거를 꾀하는 액티브 노이즈 캔슬링과는 차이가 있으며 방음막 설치를 통해서 소리를 차단하여 방음 효과를 꾀하는 것이다.
방음재의 종류는 흡음재와 차음재로 나눌 수 있고, 흡음재는 소음과 진동을 흡수하는 효과를 가지며 차음재의 경우 소음을 차단하여 투과되는 소음을 감소시키는 특징이 있다. 간단하게 말하면 에너지를 흡수하느냐, 반사하느냐의 차이이다. 시공하는 장소에 따라 다르지만 보통 차음재와 흡음재를 함께 시공해야만 최대의 방음 효과를 얻을 수 있다. 차음재를 먼저 붙인 다음 그 위에 흡음재를 붙여야 차음재에서 반사, 산란 또는 투과되어 힘이 약해진 소리를 흡음재에서 흡수하여 효과적인 방음시공이 되는 것이다. 차음재는 소리를 반사시키는 역할도 하지만, 반사되지 않고 차음재와 벽을 동시에 투과한 소리가 에너지를 잃게 만드는 완충재 구실도 한다.
1. 흡음재
스펀지나 합성섬유로 만든 솜과 같은 재질을 사용하며, 간혹 목재 섬유를 사용하는 경우도 있다. 음파를 흡수하여 열에너지로 전환하는 원리이다. 보통 회절성향이 강한 중고음역대를 흡음하며 결과적으로 반사를 억제하는 효과가 있다. 굴곡이 클수록 흡음 효과가 커지기 때문에 계란판모양이나, 블럭을 불규칙적으로 쌓은 모양 등이 많이 쓰인다. 또한 부직포도 흡음재로써의 능력을 갖고 있으며, 그 외에도 흡음재를 판 모양으로 가공하여 사용하는 경우도 있다.
2. 차음재
밀도가 높은 재질을 사용하며 아스팔트 재질이 많으며 그 외 돌 가루 같은 것을 판 모양으로 성형한 것을 사용한다. 음파를 직접적으로 차단하고 반사하는 역할을 한다.
차음재가 막아주는 소음의 양은 흡음재보다 훨씬 높다. 밀도를 이용한 차음효과로 소리를 막거나 튕겨내기도 하고, 벽에 붙이는 고무판 재질의 차음재는 진동 자체를 줄여 소리 에너지를 죽이기 때문에 흡음재 효력까지 배가시켜 준다.
기술 로드맵
특허조사
특허전략
◇ 노이즈 캔슬링 기능을 내장형 시스템에 코딩하여 독립적으로 소리를 받아들이고 파형을 바꿔 방출하는, 탈부착이 가능한 층간소음 감소장치를 특허출원 한다. ◇ 현재 가장 문제가 되는 부분은 발명의 용이성을 피해갈 수 있는지에 대한 여부이다. 현재 특허출원을 한 사례들을 살펴보면 소음감소장치를 연속적으로 연결시켜 모든 면을 커버하는 것을 목표로 하지만 이번 프로젝트에서 만들고자 하는 장치는 하나의 장치가 넓은 면을 커버할 수 있도록 만든다는 점에서 다른 사례들과 차이를 보인다.
관련 시장에 대한 분석
경쟁제품 조사 비교
◇흡음재: 두께 50mm일 때 흡음피크가 500~630hz이고, 이 때 유리섬유의 경우 흡읍계수 0.80 이상의 효율을 보인다. 폴리에스터, 폴리우레탄, 불연멜라민의 경우 배후에 공기층을 두거나 표면 마감처리를 해주면 0.80 이상의 흡음계수를 보인다. ◇노이즈 캔슬링 : 75~80dB 기준으로 보통 약 20dB정도의 소음을 줄일 수 있다. ◇ 흡음계수=1-반사되는소리E/입사하는소리E 이므로 흡음계수 0.8이면 기존 소음대비 20%로 감소시킨다는 것이다. 이를 데시벨로 환산하면 약 7dB감소하는 것이므로 20dB 감소시키는 노이즈 캔슬링이 우위에 있다고 볼 수 있다. ◇ 시중에서 판매되는 방음재(G마켓 랭킹1위)와 같은 면적을 시공하는데 드는 비용을 비교해 보았을 때 방음재의 경우 4m*4m크기의 방을 덮는데 1개당 가격 3320원인 600*600사이즈 방음판 7*7개를 사용하여 162,680원이 들었고, 본 제품의 경우 1개당 예상가격 46,320원으로 2*2개가 필요해 185,280원이 들 것으로 예상된다. 최종비용은 본 제품이 비슷하거나 약간 비쌀 것으로 예상된다.
마케팅 전략
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 내장형 시스템을 이용하므로 주파수로 정보교류가 있는 와이파이나 다른 네트워크에 간섭이 없다. ◇ 건물에 탈부착이 가능한 구조로 만들어 손쉬운 설치와 A/S가 가능할 것으로 기대된다. ◇ 내장형 시스템을 이용하여 운영체제와 롬이 결합된 형태이므로 음파에 대한 역파형 계산시간과 신호 전달 속도를 높일 수 있다. ◇ 최종적으로 7dB 이상의 소음저감효과가 될 것으로 기대된다.
경제적 및 사회적 파급효과
◇ 일반 흡음재에 비해 공간을 덜 차지하고 일상생활에 지장이 없어 소비자들이 사용하기 용이하다. ◇ 높지 않은 가격과 손쉬운 탈부착으로 소음대책방안의 대중화가 가능하다. ◇ 흡음재와 가격 대비 성능에서 월등한 효율을 보인다.
구성원 및 추진체계
가. 개발 일정
나. 구성원 및 추진체계
◇구성원 김종훈 - 특허 조사 및 경쟁력 평가 성연후 - 서류 작성 및 자료 정리 장훈성 - 노이즈 캔슬링 기술 조사 및 적용
◇추진체계 2019/09/06 ~ 2019/10/04 주제 선정 및 과제제안서 작성/제출 2019/10/04 ~ 2019/10/11 경쟁력 분석 2019/10/11 ~ 2019/10/18 개념설계 2019/10/18 ~ 2019/11/29 상세설계 및 코딩 2019/11/29 ~ 2019/12/13 포스터 및 최종보고서 작성/제출, 프로토타입 제작
설계
설계사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
조립도
조립도
내용
조립순서
내용
부품도
내용
제어부 및 회로설계
내용
소프트웨어 설계
내용
자재소요서
내용
결과 및 평가
완료작품 소개
프로토타입 사진
내용
포스터
내용
특허출원번호 통지서
내용
개발사업비 내역서
내용
완료 작품의 평가
내용
향후평가
내용
부록
참고문헌 및 참고사이트
내용
관련특허
내용
소프트웨어 프로그램 소스
내용
