1. 서론
BSR은 진동으로 발생한 국부적인 소음을 말하며, 버즈(Buzz), 스퀵(Squeak), 래틀(Rattle)을 포괄적으로 나타낸 것이다. 먼저 버즈는 구조물의 면진동에 의해 국부적으로 발생하는 소음으로 접촉 없이 자체적으로 발생한다. 스퀵은 두 개 이상의 부품이 접촉 마찰에 의해 서로 미끄러지면서 발생하며 날카로운 소음이 발생한다. 마지막으로 래틀은 두 개 이상의 부품이 서로 부딪히면서 발생하며 접촉 타격음이 발생한다.

글 / 류수정 (브이피코리아 )
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 5월호

BSR은 이음이라고도 하며, 최근 NVH(Noise, Vibration, Harshness)분야의 품질 문제로서 점차 중요성이 강조되고 있다. 특히 진동에 의한 미세한 국부 타격 또는 점착 마찰(Stick-Slip)에 의해 발생하며, 부품간의 간극의 변동과 접촉 마찰 특성의 변화로 인해 발생 여부을 예측하기 어려운 현상이다.

BSR 소음은 여러 부품들로 구성된 구조물이 반복적으로 진동하는 시스템에서 발생하며 특히 일상 생활과 밀접하게 관련된 가전, 사무기기, 자동차 등에서 주로 관찰되어 최근 들어 원인 분석 및 개선 방법에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. BSR은 제품의 작동과 성능보다는 제품의 감성품질에 영향을 미친다. 따라서 앞으로 여러 산업분야에서 제품 설계를 위해 성능, 효율성, 안전성뿐 만 아니라 감성품질의 주요 인자로 BSR
품질을 고려해야 한다. 특히 자동차 업계에서는 이미 중요성이 대두되고 있으며, 이는 차량 운행 중에 항상 엔진에 의한 반복 하중을 받으며, 여러 도로 조건에 따라 다양한 가진에 의해 구조물이 진동되기 쉽기 때문이다. 또한 흡차음재 성능 등 NVH 성능 향상 및 전기자동차의 출현으로 인해 자동차의 주변 소음이 작아진 것도 그 원인이 될 수 있다.

2. BSR 품질 문제 현황
전세계적으로 발생한 최근 3개월의 필드 클레임 중에서 BSR과 관련된 소음의 영향도 및 동향을 분석해 본 결과 대륙별로 소음이 비중의 큰 순서대로 북미 > 내수 > 유럽 > 기타 순으로 나타났고 특히 미국과 캐나다 등 북미 소비자들의 소음에 대한 불
만 건수가 많이 나오는 것을 확인하였다.

특히 차량 사용자와 가장 근접한 부위에서 소음이 발생하는 부품으로 칵핏 모듈을 생각할 수 있으며 그림 >은 칵핏 모듈에서 BSR이 발생하는 부분을 시험 평가로 검출하여 보여주고 있다. 그림에서 주로 BSR이 발생하는 부분은 자동차 계기판, 글로브 박스, 에어 벤트 등 별도로 구성된 어셈블리가 조립되는 부분임을 알 수 있다.

자동차는 현실적으로 적게는 2~3년 이상 많게는 10년 이상 지속되는 엔진 및 도로에 의한 진동을 받으며, 자외선∙습도∙온도 변화에 그대로 노출되어 운행된다. 현재 칵핏 모듈을 개발하는 과정에서 제조업체들은 실차 장착 전 모듈 단계에서 실차조건과 유사한 여러 요인을 부가하여 평가를 수행하고 있다.

그 방법으로 계절과 환경의 요인에 해당하는 온도와 습도 조건을 항온항습 시험기에서 구현하여 노면 특성이 반영된 주파수 가진에 의한 진동 시험을 수행할 수 있다. 자동차의 부품 모듈 단위의 BSR 평가 과정으로는 모듈 가진시 BSR 발생여부에 대한 시험 평가를 실시하고, 실차 주행평가를 실시하고 있다.

모듈 단위의 진동 시험은 지그를 제작하여 완성차에 장착 되었을 때와 유사한 조건을 구성하여 수행한다. 그림 2에 도어, 시트, 헤드라이닝의 BSR 시험 수행을 위해 지그를 장착한 상태를 나타내고 있다.

3. 내장재 진동 해석
이상과 같이 자동차에서 발생하는 BSR에 대해서 전통적으로 시험적으로 확인/검증하는 프로세스가 이루어 졌으며 이는 이미 완성된 제품이 개발되어 향후 제품 양산에 있어서 패드나 부직포를 이용한 후처리의 방식을 통하여 BSR 품질을 개선하였다. 하지만 이러한 방법들은 추가 공정 및 생산 비용이 발생하기 때문에 최근에는 설계 단계에서 해석 및 검증을 통하여 BSR 성능 향상을 위한 방법을 고안하고 있다.

BSR 해석 평가를 위해서는 그림 3과 같이 실제 칵핏 모듈의 유한요소 모델을 구성하며, 시험과 동일한 지그 부착 상태에서 가진입력에 의한 주파수 응답 해석을 수행한다.

구조 진동에 의한 BSR을 관찰하기 위하여 관심 주파수까지 주파수 응답해석을 수행하고 주요 주파수에서 제품의 변형 거동을 관찰한다. 또한 현재해석 기술의 정확도는 <그림 4>와 같은 해석 결과와 가속도 센서를 이용한 시험결과의 상호 비교를 통하여 시험 해석 상관성을 검증하여 입증하고 있다.

4. BSR 해석 예측
앞에서와 같이 시험 및 해석 상관성이 입증된 모델의 주파수 응답 해석 결과에서 서로 부딪히거나 마찰이 일어나는 접촉 파트와 그때의 주파수를 선별하여 BSR을 예측할 수 있다. 이는 서론에서 서술한 바와 같이 스퀵과 래틀이 두 개의 파트 사이에서 접촉에 의해서 발생하는 현상이기 때문이다.

스퀵과 래틀의 각각의 메커니즘은 그림 5와 같이 표현할수 있으며, 그림과 같이 변형된 시스템에서 y방향의 가진력이 들어오면 시스템은 진동에 의해 x’방향으로의 마찰에 의한 스퀵과 y’방향으로의 부딪힘에 의한 래틀이 발행하며, 이 둘은 시스템 변형 상태 및 가진 방향에 따라 동시에 발생할 수도 있다.

스퀵 및 래틀 메커니즘에 따라 주파수 응답 해석 결과를 분석하면 BSR을 예측할 수 있고, 그 결과를 시험과 비교할 수 있다. 특히 칵핏 모듈 해석 결과 BSR 검출 사례에서 100Hz까지의 주파수 범위에서 세 지점, 시험 결과에서 두 지점을 검출하여 둘의 결과가 유사함을 관찰해 보았으며, 특히 해석에서 저주파수의 BSR 검출에 용이함을 알 수 있다.

각 주파수에서 발생한 BSR의 위치를 검출하고 도시화 하여 종합하면 전체적으로 BSR이 발생한 위치를 확인할 수 있으며, 이를 검토함으로써 BSR 성능 및 품질이 향상된 제품을 설계하는데 도움을 줄 수 있다. 이또한 음향 카메라를 이용한 시험적인 방법을 통하여 BSR 위치를 검출하고 도시화함으로써 시험 해석 비교분석이 가능하다.

그림 6은 시험에서 검출한 BSR 발생 위치와 함께 동일 모델, 동일 지그 조건 및 동일 가진 조건하의 해석에서 검출한 BSR 발생 위치를 비교하여 둘의 상관성을 검증할 수 있다.
이와 같이 각 주파수 및 접촉 위치에서 검출된 BSR의 크기를 시험에서는 음압을 비교하여 가시화하며, 해석에서는 접촉되거나 미끄러지는 마찰력의 크기를 확인할 수 있다. 이를 이용하여 각 위치에서 발생하는 BSR의 크기를 종합적으로 판단하고 차량 전체 시스템의 품질에 BSR이 영향을 미치는 정도를 판단할 수 있다.

다만 시험에서는 음압을 이용하여 BSR을 검출하기 때문에 소음이 방사되기 위한 일정한 거리에서 BSR을 측정하게 되며, 복잡한 구조물의 표면이 아닌 내부에서 발생한 메커니즘까지 관찰할 수 없는 반면, 해석에서는 내부 메커니즘의 작동 및 변형 형상을 직접 관찰함으로써 직접적으로 BSR 유발 위치를 판별하여 설계 변경 및 모델 구성에 보다 직접적인 방법을 제시할 수 있는 차이점이 있다.

5. 결론
지금까지 여러 산업 분야 중에서 특히 자동차에서 주요 품질 문제로 대두되고 있는 BSR 품질을 개선하는 방법을 살펴보았다. 전통적인 방법으로는 실물을 이용한 시험적인 평가를 이용하여 패드나 부직포를 덧대는 방법으로 문제 해결이 이루어졌다. 최근에는 BSR의 메커니즘을 관찰하고 시험 결과와 비교하여 정합된 모델을 이용하여 해석적인 방법으로 예측하는 기술의 개발이 이루어졌으며, 이는 다시 시험적인 방법으로 평가한 BSR 발생 주파수 및 위치와 비교하여 그 상관성을 검증하였다. 향후에는 이러한 방법을 이용하여 시험 평가 없이 설계단계에서 해석적인 방법을 통하여 BSR 품질을 향상하는데 많은 진전이 있을 것으로 생각된다.