비라우드니스 기반 로드노이즈 능동음질제어 기법 = Road Noise Active Sound Quality Control Method Based on Specific Loudness

국문 초록 (Abstract)

전 세계적으로 환경 문제에 대한 인식과 산업 기술 발전으로 인해 자동차 업계는 전동화를 적극적으로 추진하고 있다. 동력원으로 엔진이 아닌 모터를 사용하게 되면서 기존에 엔진 소음에 마스킹 되었던 다양한 부품의 작동 소음, 로드노이즈, 윈드노이즈 등이 부각되기 시작하였다. 이러한 소음은 제품의 감성 품질에 지대한 영향을 끼치고 사용자가 불편함을 느끼게 하거나 시장에서의 경쟁력을 떨어트린다. 이와 같은 다양한 소음을 저감하는 방법에는 대표적으로 흡·차음재를 사용하는 방법이 있으나 공간적 제약으로 인해 한계가 있거나 중량 증가로 인해 연비 저하를 유발한다. 따라서 많은 차량 제조사들은 기존에 엔진 소음에 국한되었던 능동소음제어를 로드노이즈에도 적용하기 시작하였다. 능동소음제어는 소음을 완전히 제거하는 것을 목표로 한다. 하지만 최근 일부 사용자들이 발산으로 인한 불편함을 겪거나 과도한 소음 저감으로 인해 오히려 귀에 압박감이나 이질감을 느끼는 사례가 보고되고 있다. 때문에, 완전한 소음 저감이 아닌 소음을 듣기 좋게 조절하는 것이 새로운 연구 방향으로 대두되고 있으며 이를 능동음질제어라고 부른다. 이에 본 논문에서는 로드노이즈에 대한 완전한 소음 저감이 아닌 심리 음향 관점에서의 능동음질제어 알고리즘을 제안한다. 능동소음제어 시스템에서 가장 널리 사용되는 Filtered-x LMS 알고리즘은 적응형 필터 길이가 길어질수록 연산 효율이 떨어지고 기준 신호 스펙트럼의 다이내믹 레인지가 클수록 수렴 성능이 저하된다는 단점이 있다. 차량 내 제어 시스템은 하드웨어적 제약과 신호의 변동성으로 인해 이러한 연산 효율과 수렴 성능은 중요하게 고려되어야 한다, 따라서 해당 부분을 개선한 저지연 부밴드 FxLMS 알고리즘을 기반으로 능동음질제어 알고리즘을 설계하였다. 또한 선행 연구에서 추출한 로드노이즈 최적 비라우드니스 선도를 기반으로 음질 필터를 개발하여 능동음질제어 알고리즘에 적용하였으며 성능 검증을 위해 해당 연구에서 제안하였던 주관적 음질 평가를 통해 선호도와 상관관계를 가지는 객관적 평가 인자를 정량적으로 계산하였다. 그 결과 음질 측면에서 유의미한 개선 성능과 향후 사용자가 원하는 방향으로의 음질 개선 가능성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The automotive industry is actively pursuing electrification due to rising global environmental awareness and advancements in industrial technology. With the shift from internal combustion engines to electric motors as power sources, various component operating noises, road noise and wind noise – previously obscured by the masking effect of engine noise – have become more prominent. These noises significantly impact the emotional quality of the product, causing user discomfort and reducing market competitiveness. While passive methods using sound-absorbing and insulating materials are typically employed to attenuate these noises, they face limitations due to spatial constraints and can degrade fuel efficiency by increasing vehicle weight. Consequently, many vehicle manufacturers have begun applying active noise control (ANC), previously limited to engine noise, to road noise. Traditional ANC aims to completely eliminate noise. However, recent reports indicate that some users experience discomfort due to system divergence or feel a sense of pressure and unnaturalness caused by excessive noise reduction. As a result, modulating noise to be more pleasant rather than completely silencing it has emerged as a new research direction, known as active sound quality control (ASQC). This paper proposes an ASQC algorithm for road noise from the perspective of psychoacoustics. The Filtered-x LMS algorithm, widely used in ANC systems, suffers from reduced computational efficiency as the adaptive filter length increases and degraded convergence performance when the reference signal spectrum has a large dynamic range. Given the hardware constraints and signal variability of in-vehicle systems, addressing computational complexity and ensuring convergence are critical. Therefore, the proposed ASQC algorithm is designed based on the Delayless Subband FxLMS algorithm to improve these aspects. Furthermore, a sound quality filter was developed based on the optimal specific loudness curve of road noise derived from previous research and applied to the ASQC algorithm. For performance verification, objective evaluation factors correlating with preference, as established in the subjective evaluations of the previous study, were quantitatively calculated. The results confirmed significant performance improvements in terms of sound quality and demonstrated the potential for tuning sound quality in directions preferred by users in the future.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목표 및 내용 3
• 제 2 장 저지연 부밴드 능동음질제어 4
• 2.1 능동소음제어 4
• 2.1.1 적응형 필터와 알고리즘 5
• 2.1.2 FxLMS 11
• 2.1.3 DS-FxLMS 14
• 2.1.3.1 필터뱅크 설계 19
• 2.1.3.2 신호 분해 23
• 2.1.3.3 서브밴드 별 필터 업데이트 28
• 2.1.3.4 광대역 필터 업데이트 28
• 2.1.3.5 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 성능 검증 32
• 2.2 능동음질제어 36
• 2.2.1 타겟 스펙트럼 추종 능동음질제어 알고리즘 37
• 2.3 DS-FxLMS 기반 능동음질제어 알고리즘 성능 평가 40
• 제 3 장 음질 필터 개발 48
• 3.1 라우드니스 48
• 3.1.1 Moore-Glasberg 모델 (ISO 532-2/ANSI S3.4-2007) 51
• 3.2 로드노이즈의 최적 비라우드니스 선도 59
• 3.2.1 노면 별 로드노이즈 음질 정량화 인자 59
• 3.2.2 최적 비라우드니스 선도 64
• 3.3 최적 비라우드니스 선도 기반 음질 필터 개발 67
• 3.3.1 최적 비라우드니스 선도를 추종하는 음원 스펙트럼 추출 67
• 3.3.2 최적 음원 스펙트럼 기반 음질 필터 개발 73
• 제 4 장 로드노이즈 능동음질제어 77
• 4.1 시뮬레이션 조건 77
• 4.2 2차 경로 모델링 79
• 4.3 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 성능 검증 및 분석 82
• 4.3.1 Case 1 82
• 4.3.2 Case 2 86
• 4.3.3 Case 3 92
• 제 5 장 결론 96
• 참고문헌 99
• ABSTRACT 104
• 감사의 글 106