인텔의 공동 창업자인 고든 무어(Gordon Moore) 가 2년마다 트랜지스터 수를 두 배로 늘리는 법칙을 자신의 이름을 딴 법칙으로 지정한 이후로 전자 장치의 계산 능력은 극적으로 향상되었습니다. 컴퓨팅 성능에 대한 수요 증가와 함께 구성 요소 크기 감소로 인해 안전한 작동 온도를 유지하기 위해 최적화되고 고급 냉각 구성이 필요한 전력 밀도가 더욱 높아졌습니다. 이번 블로그에서는 향상된 전자 성능의 결과 중 하나인 소음에 대해 이야기 하고자 합니다.
여름에 사무실에서 일하는 사람이라면 병렬로 실행되는 애플리케이션 수가 증가할 때 컴퓨터나 노트북의 팬이 회전하는 것에 익숙할 것입니다. 또는 더 재미있게 고급 전산유체역학(CFD)을 실행하기 시작하거나 유한요소법(FEM) 시뮬레이션이 시작할 때 팬 소음은 단순히 피할 수 없는 불편함이라고 생각되지만 팬 자체와 팬이 생성하는 공기 흐름 사이의 복잡한 상호 작용의 결과입니다. 이러한 이유로 흐름 유발 소음 또는 공력소음이라고도 합니다.
현대 노트북의 비좁은 패키지 공간에서 이러한 모든 전자 부품을 적절하게 냉각해야 함에도 불구하고 사람들은 노트북에서 발생하는 소음이 방해가 되지 않을 것으로 기대하게 되었습니다. 소음 제거 헤드폰이 도움이 될 수 있지만 더운 여름날에는 이상적인 솔루션과는 거리가 멀습니다. 또한, 음향 성능은 팬의 부드러운 웅웅거림과 좋아하는 음악을 재생하는 깨끗하고 생동감 넘치며 잘 배치된 스피커 세트를 결합하여 고품질 노트북 브랜드의 가장 중요한 지표 중 하나가 되었습니다.
이는 이러한 시스템을 개발하는 엔지니어에게 많은 부담을 줍니다. 최첨단 음향 시뮬레이션 도구가 전담 엔지니어가 음향 성능을 더 빠르고, 더 빠르고, 더 안정적으로 예측하는 데 어떻게 도움이 되는지 알아봅시다.
피할 수 없는 '나쁜' 소리…
팬의 소음 특성을 분석할 때 그림 1에 표시된 것처럼 일반적으로 음조와 광대역 소음이라는 두 가지 구성 요소가 있습니다. 음조는 유입되는 공기와 팬 블레이드(파란색 원)의 주기적인 상호 작용으로 인해 더 높은 음압 수준으로 명확하게 표시될 수 있습니다. ). 광대역 소음 구성 요소는 난류 유입이나 경계층 발달(녹색 선) 등으로 인해 발생할 수 있는 블레이드의 무작위 부하력으로 인해 발생합니다.
팬 소음이 공기 역학적 흐름과 음파 전파 사이의 상호 작용의 결과라는 점을 고려하면 공기 흐름과 음향을 모두 시뮬레이션 해야 합니다. 음파 전파는 설계의 냉각 성능을 평가하는데 이미 사용된 CFD 시뮬레이션에 직접 포함될 수 있지만 이는 상당한 문제를 야기할 수 있습니다. 이러한 문제는 주로 음파와 흐름 사이의 길이 스케일의 상당한 차이로 인해 발생합니다. 이는 고차 물리 방식과 예외적으로 긴 계산 시간이 필요하므로 이 접근 방식이 항상 실현 가능한 것은 아니라는 것을 의미합니다.
이에 대응하여 소리의 생성과 전달을 분리하는 하이브리드 접근 방식이 개발되었습니다. CFD 데이터는 흐름 효과로 인한 음원을 재구성하는 데 사용되는 반면, 음향 시뮬레이션 모델은 이러한 소스로 인해 발생하는 음파를 전파하는 데 사용됩니다. 이는 보다 효율적인 저차 흐름 시뮬레이션을 허용하고 효율적인 음향 솔버 기술을 활용할 수 있다는 이점을 제공합니다.
그림 2는 노트북 주변 공기의 유한 요소 메시(2A), 내부 메시(2B), 내부와 외부 사이의 연결, 통풍구(2C) 및 랩톱 아래의 입구 그리드(2D). 음향 분석의 다음 단계는 소스 영역을 정의하는 것입니다. 이는 CFD에서 또는 테스트 데이터에서 직접 얻을 수 있습니다.
등가 음향 소스는 Simcenter 3D를 사용하여 계산되고 FE 모델에 도입됩니다. 문제가 해결되면 노트북 내부에서 생성되고 노트북에서 방출되는 음장을 분석할 수 있습니다. Simcenter 3D를 사용하면 음향 엔지니어는 소리가 노트북에서 어떻게 이동하는지, 각 방향은 물론 주변 환경의 반사도 이해할 수 있습니다.
노트북 OEM은 냉각 아키텍처에서 발생하는 소리를 이해하고 후면 콘센트를 통해 사용자로부터 소음을 멀리하는 등 사용자에게 미치는 영향을 최소화하는 방법을 조사해야 합니다. 또한 사운드 엔지니어는 노트북 화면이 다양한 화면 각도와 사용자 위치에서 소음을 차단하는 방법은 물론 도킹되거나 다른 모니터에 연결된 경우 닫힌 위치에서도 소음을 차단하는 방법을 이해할 수 있습니다.
원하는 "좋은" 사운드를 얻으려면?
서문에서 언급했듯이 노트북의 음질은 브랜드 품질이 높다는 지표로 간주됩니다. 따라서 엔지니어는 스피커의 동작과 노트북 섀시 내에서 스피커가 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 중요합니다. 사용자를 위한 사운드를 최적화하고 품질을 최대화하기 위해 엔지니어는 독립형 노트북 라우드스피커부터 시작하여 실제 사용자 환경에서 노트북의 동작까지 노트북 섀시에 통합하는 과정을 거쳐야 합니다(그림 3 참조).
모든 시뮬레이션과 마찬가지로 스피커 수준에서는 FE 모델이 생성되고 메시되는 형상이 정의됩니다. 스피커의 이러한 구조적 진동 모델은 스피커 멤브레인 근처의 작은 공기량과 결합됩니다. 원거리 음향 방사 특성을 예측할 수 있도록 특정 음향 방사 조건이 외부 표면에 적용됩니다. Thiele-Small 모델을 기반으로 하는 단순화된 1D 모델은 코일 부하에 대한 입력으로 사용됩니다. 이러한 모델에는 스피커 드라이버에 관련된 모든 전자기-기계적 결합 효과가 포함되어 있으며 입력 매개변수는 공급업체(또는 간단한 측정)로부터 쉽게 얻을 수 있습니다.
모델을 해석한 후 음향 방사를 분석하고 후처리하여 지향성 데이터, 임펄스 응답 및 왜곡 데이터를 제공할 수 있습니다. 그림 4는 이러한 일반적인 작업흐름을 그래픽으로 표현한 것입니다.
스피커 성능과 인식된 노트북 품질과의 연관성을 고려할 때 엔지니어는 음향 소스 강도와 스피커 음장의 균일성을 정량화하는 데 관심이 있을 것입니다. 그림 4의 맨 오른쪽 이미지는 방사되는 음파를 시각화합니다.
다음 단계는 스피커를 노트북에 통합하는 것이 음향 성능에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것입니다. 노트북에서 라우드스피커 동작은 스피커 멤브레인과 그 뒤에 있는 공기 볼륨의 결합 및 스피커를 먼지와 먼지로부터 덮고 보호하는 그릴에서 발생하는 점열 효과에 의해 크게 영향을 받습니다. 따라서 그림 4의 스피커 모델은 스피커 멤브레인의 뒷면도 포함하도록 확장되어 노트북 내부의 후면 공간과의 상호 작용, 그릴의 효과, 그림 5와 같이 그릴과 스피커 멤브레인 사이의 공기량을 모델링합니다.
그릴의 효과는 다음과 같이 명시적으로 시뮬레이션할 수 있습니다.
- 구멍 안의 유체를 모델링하고 특정 점열 유체 특성을 적용하거나
- 단순화된 등가 전송 허용 관계를 사용합니다.
그림 6은 노트북에 통합한 후 설치 조건이 스피커 성능에 미칠 수 있는 영향을 보여줍니다. 격리된 스피커의 경우 그림 6의 왼쪽 이미지는 스피커 소스 강도가 1kHz 이상에서 균일함을 보여줍니다. 이에 비해 그림 6의 오른쪽 이미지는 1kHz 이상에서 성능 저하를 보여줍니다. 4~6킬로헤르츠의 주파수 범위 사이에는 매우 낮은 소리 방사가 있으며 이는 스피커 멤브레인과 후면 공간에서 발견되는 공명 사이의 상호 작용으로 설명됩니다. 이는 노트북의 스피커 성능을 보다 현실적으로 평가하며 설계 엔지니어에게 제품을 더욱 최적화할 수 있는 귀중한 통찰력을 제공합니다.
프로세스의 마지막 단계는 노트북이 의도한 사용자 환경(예: 일반적인 사무실)에서 어떻게 작동할지 평가하는 것입니다. 그러나 유한 요소 모델을 사용하여 그렇게 하려면 상당한 계산 시간과 성능이 필요합니다. 또 다른 방법은 Simcenter 3D에서 사용할 수 있는 고급 음향 솔버 중 하나인 Ray Acoustics를 사용하는 것입니다. 이 기술은 광선 추적을 기반으로 하므로 유한 요소 또는 경계 요소 방법론보다 훨씬 빠르게 넓은 공간, 장거리 및 고주파수에서 소리 전파를 효과적으로 시뮬레이션할 수 있습니다.
모델 이산화 및 해결 시간은 주파수에 독립적이므로 형상이 음향 파장보다 큰 문제를 해결하는 데 적합합니다. Simcenter 3D는 이 솔루션의 출력으로 주파수 및 시간 영역 결과를 모두 제공합니다. 사무실 환경을 시뮬레이션하기 위해 Simcenter 3D 내에서 세 가지 주요 모델링 기능을 사용할 수 있습니다.
- 가장자리 및 표면 회절 – 사무실 환경 내의 일반적인 칸막이벽에 유용합니다.
- 곡률 효과 수정 - 불연속화되고 메시된 표면을 정확하게 캡처합니다.
- 흡수 - 표면 및 공기 흡수 모두
- 입자 추적 – 실내 환경에서 일반적으로 발생하는 늦은 반향 및 확산 반사 효과를 설명합니다.
광선 음향 시뮬레이션 모델은 잔향 시간, 선명도 값 또는 소리 전달 지수와 같은 음질 매개변수를 직접 계산할 수 있습니다. Simcenter 3D는 사람의 머리를 모델링할 필요 없이 음향 반응에 바이노럴 효과를 직접 통합할 수도 있습니다. 즉, 기본적으로 청취자의 왼쪽 및 오른쪽 귀가 경험하는 음압 수준을 얻을 수 있습니다.
그림 7(왼쪽)은 시뮬레이션 메쉬(회색 표면)를 사용하여 이산화된 모든 반사 또는 흡수 표면이 있는 일반적인 사무실 환경을 보여줍니다. 그림 7의 오른쪽 상단에서 볼 수 있듯이 노트북과 사람의 머리 근처에 있는 마이크 표면은 음장을 시각화하기 위해 정의됩니다. 광선 추적 모델은 다양한 스피커 조합이 사람의 귀에 어떻게 전파되는지에 대한 통찰력을 제공합니다. 이러한 광선 추적 시각화를 사용하면 사용자에게 방사되는 소리의 양과 다양한 표면에서 반사되는 소리의 양에 대한 명확한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
논의된 모든 시뮬레이션 단계는 제품 통합 및 실제 환경에의 통합을 통해 개별 구성 요소의 음향 성능에 대한 정량적, 시각적 정보를 제공합니다. 하지만 모든 소리에 있어서는 시뮬레이션 결과를 직접 들어볼 수 있는 것이 가장 좋지 않을까요?
Simcenter 3D Acoustics는 시뮬레이션 결과를 가져와 이를 음악과 같은 측정된 소리와 결합하여 들을 수 있는 음향 시나리오를 생성하는 음향 처리 및 청각화 도구를 제공합니다!
그림 8은 노트북의 세 가지 시나리오를 테스트할 수 있는 대화형 이미지입니다.
- 팬 시뮬레이션의 소음
- 저사양 스피커를 사용하여 사무실 환경에서 연주되는 음악
- 고급 스피커에서도 동일한 음악이 재생됩니다.
첫 번째 시나리오에서는 소음의 음조와 광대역 구성 요소가 모두 존재합니다. 이를 청각화하면 소리가 얼마나 큰지, 얼마나 짜증나고 산만한지 확인할 수 있습니다. 시나리오 2에서는 일부 음악이 어떻게 소리를 가릴 수 있는지 조사할 수 있습니다. 팬 소음은 마스킹되지만 음악의 일부 저주파 구성 요소가 누락됩니다. 시나리오 3에서는 음악에 훨씬 더 선명하고 풍부한 사운드를 제공하는 고급 스피커를 사용합니다.
Simcenter 3D Acoustics를 사용하면 전기 부품의 소리와 소음 품질을 이해할 수 있습니다. 이러한 기능을 사용하면 고유한 소음을 중심으로 디자인하고 제품 사용자에게 더욱 즐거운 청각 경험을 제공할 수 있습니다.
[출처] https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/acoustic-simulation-listen-to-the-music-not-the-noise/
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