한국내쇼날인스트루먼트는 매년 ‘버추얼 인스트루먼트 기술 고객 솔루션 콘테스트’를 개최한다. 2007 NIDays에서도 소개된 바 있는 다양한 수상작들을 총 5회로 소개하기로 한다.
버추얼 인스트루먼트 활용 사례 [5]
자료제공│한국내쇼날인스트루먼트
실시간 음향 카메라(SeeSV CAM)
- 소속 : 김영기 대표이사, 에스엠인스트루먼트
- 사용 솔루션 : PXI-8187 Controller, PXI-4472 Dynamic Signal Analysis Board, LabVIEW 8 (한글판), Sound and Vibration Tool Kit
음향카메라는 자동차, 전자제품, 일반 기계 등에서 발생하는 소음을 실시간으로 보여주는 장비이다. 현장에서 소음 문제 해결을 위해 소음원의 위치 및 전파 경로 등에 대한 측정 방법이 다양하게 요구된다. 실시간 음향 카메라는 마이크로폰 어레이 및 카메라 컨트롤러를 이용해 소음 발생을 실시간으로 모니터에 보여 줄 뿐만 아니라, 동영상의 녹화 및 스틸사진의 촬영이 가능한 장비이다. 특히 금번 개발된 실시간 음향 카메라는 소음원을 주파수 특성 및 음질 특성에 따라 분리하여 구별 표시할 수 있는 기능을 가지고 있어, 소음 제어에 활용성이 매우 뛰어나다.
그림 1. 실시간 음향 카메라의 구성
개발 배경
소음원의 가시화는 소음 제어를 위한 매우 중요한 과제로 알려져 왔다. 소음의 특성상 소음원 파악을 주로 귀에 의존하게 되므로, 이를 시각적으로 가시화하면, 현장에서의 소음제어에 큰 변화를 가져올 수 있다. 따라서 기존에 초기 개발된 음향카메라 기술에 더하여 소음원 시각화 방법의 가장 최근 기술을 결집할 필요가 있었다. 그 동안 Off-Line 형태로 시행되어 오던 소음원의 촬영을 실시간 온라인으로 할 필요가 있었다. 또한 신호 처리 기술을 이용하여, 소음을 주파수별 음질별로 구별하여 표시하는 기능을 추가하여 소음을 구별 표시할 필요가 있었다.
음향카메라는 다수의 마이크로폰의 신호 컨디셔닝 및 동시 샘플이 필요하다. NI사의 PXI 시스템 및 DSA 보드는 이러한 문제점에 대한 솔루션을 제공했다. 특히 NI-4472보드는 마이크로폰 사용을 위한 IEPE 신호 컨디셔닝을 제공하고, 24비트의 고해상도, 동시 샘플링 등 소음 진동 측정에 완벽한 솔루션을 제공한다. 또한 48개의 채널을 단일 섀시에 장착할 수 있어 이동도 편리하며, 가격적으로 강점을 갖는다.
소프트웨어 개발의 경우, LabVIEW를 이용하면 비전과 데이터 처리의 동시 접근이 가능하며, 데이터 속도 측면에서도 많은 향상을 가져올 수 있다.
그림 2. LabVIEW를 이용해 구성한 실시간 음향카메라 소프트웨어
측정 장비
측정 장비는 마이크로폰 어레이와 NI PXI로 구성된 데이터 측정장비와 컴퓨터로 구성된다. PXI 섀시에 Express Interface를 사용하여 노트북과 연결하였다. 이동성의 확보가 요구되므로 내구성이 좋은 PXI 장비와 노트북의 조합으로 견고한 장비의 구성이 가능하였다.
소프트웨어
NI LabVIEW를 이용해 개발된 음향카메라 소프트웨어는 비전과 데이터 처리를 실시간으로 구현하고 혼합하여 출력한다. LabVIEW의 IMAQ Module과 Sound and Vibration Module을 사용하여 처리 효율을 높임으로써 모든 처리 과정의 실시간화가 가능하였다.
적용 사례
- 소음윈의 구별 측정
귀에 거슬리는 소음만 찾아 내기 위해 음질 구분 알고리즘을 추가 하고 이를 시험하였다. 그림 3은 깡통에서 발생하는 Transient 소음과, 스피커에서 발생하는 순음 성분을 구별한 예이다.
그림 3. 음향카메라를 이용해 Transient Noise와 Stationary 소음을 구별 표시한 예
- 프린터 소음의 측정
레이저 프린터에서 발생하는 소음을 촬영하였다. 작동 메커니즘에 따라 소음원이 이동하는 것을 실시간 확인할 수 있다.
그림 4. 프린터 소음원의 실시간 표시
- 자동차 도어 및 시트의 이상 소음
소음 구별 기능을 이용하여 이상 소음만을 구별하여 표시할 수 있다. 그림 5는 자동차 도어 및 시트에서 발생하는 이상 소음을 표시한 예이다.
그림 5. 자동차 도어 및 시트의 이상 소음 발생 위치 구별 표시
결론
본 솔루션의 개발로 음향 카메라의 버전을 한 단계 상승할 수 있었다. 기존의 Off-Line 개념의 음향 카메라를 실시간 카메라로 인식할 수 있는 계기가 되었다. 또한 음질 구별 기능을 추가함으로써 음향카메라의 성능 및 활용도를 크게 향상할 수 있었다. 이러한 솔루션 개발은 NI의 IMAQ과 Sound and Vibration의 강력한 기능을 통해서 이루어 졌으며, 이러한 개발 편의성은 계속해서 음향카메라 기술의 발전을 이끌 것이다.
구조물 Crack Monitoring System
- 소속 : 김영기 대표이사, 에스엠인스트루먼트
- 사용 솔루션 : LabVIEW 8(한글판), Sound and Vibration Toolkit, CompactDAQ, PXI-8187, PXI-4472
터널과 같은 대형 구조물에서 균열(Crack)이 발생하면서 미세 진동(Micro Seismic Wave)이 발생하게 된다. 이 신호를 다수의 지반 진동용 가속도센서를 이용하여 측정하고 측정된 신호를 이용하여 균열의 발생 위치와 크기를 추정하고, 발생 빈도수를 측정하여 대형 구조물의 손상 진행 상황을 모니터링 할 수 있게 된다. 본 애플리케이션은 이러한 미세 진동을 실시간으로 측정하고 실시간으로 균열의 위치와 크기를 추정하는 시스템이다.
그림 1. 시스템의 구성
개발 배경
고속철도와 고속도로는 전국을 일일 생활이 가능하게 한 생활 혁명의 주역들이다. 유난히 산지가 많은 한국에서 이 고속철도와 고속도로를 만들기 위해 수 많은 터널과 교량을 건설하였다. 이 대형 구조물들에 많은 종류의 센서를 설치하여 구조물의 상태를 모니터링하지만 진행되고 있는 손상의 위치를 추정하기란 쉽지 않다.
외국의 경우, 대형 구조물의 손상 위치를 추정하기 위해 다수의 지반 진동용 센서를 설치하고 각 센서에서 측정된 신호의 시간 지연으로 신호의 발생 위치를 추정하는 기법을 이용하여 손상 위치를 추정하는 시스템이 상용화되어 있다. 하지만 국내의 경우에는 대부분을 수입하여 사용하고 있어 국내 상용화의 필요성이 대두되었고 에스엠인스트루먼트는 한국지질자원연구원의 위탁을 받아 이 시스템을 개발하게 되었다.
시스템의 구성
본 시스템의 구성은 그림 1과 같다. 지반 진동용 가속도계 12개를 측정하려는 구조물에 설치하고 시그널 컨디셔닝을 한 다음 CompactDAQ(또는 PXI, CompactRIO)를 이용하여 데이터를 획득한다. 데이터 획득은 진동이 발생했을 때를 트리거하여 측정을 시작하게 된다. 획득한 데이터는 그림 2와 같이 시간 지연을 가지고 있는데 이 시간 지연과 센서가 설치된 좌표로부터 진원과 진동의 크기를 계산하게 된다.
그림 2. 측정된 신호의 지연 시간
그림 3. 프로그램의 주 화면(검정색 점 : 센서, 빨간색 점 : 추정된 진원)
그림 4. 측정 화면
그림 5. 센서/측정 옵션/필터 옵션 설정
본 시스템은 측정 옵션과 트리거 레벨, 신호의 필터를 설정할 수 있다. 또한 센서를 좌표에 입력해야 하는데 이는 그림 6과 같이 표시하였다. 측정된 결과는 데이터베이스에 저장되고 이메일로 이벤트의 결과가 전송된다.
그림 6. 센서의 좌표 설정
결론
본 솔루션 개발 후 현장에 설치하여 시스템을 검증한 결과 비교적 우수하게 진원을 찾아 그 우수성 검증하였으며 시작품으로써 손색이 없음을 확인하였다. 따라서 한국지질자원연구원에서는 이 제품의 상용화를 위해 추진 중에 있다.
그림 7. 데이터베이스 설정
신호의 시간 지연으로부터 진원을 검출하는 방법은 지진의 진원지를 찾는 것과 같은 방법으로 이미 그 알고리즘은 널리 알려졌지만 그 방법을 이용하여 실시간으로 처리하여 상용화 한 것은 국내에서 처음이며 단기간에 복잡한 알고리즘을 모두 구현할 수 있었던 것은 LabVIEW를 사용했기에 가능하였다.