음향 모니터링이란?

소리는 일반적으로 공기나 물과 같은 매질을 통해 전달되는 압력파로 구성됩니다. 음파는 음향파의 한 종류로, 주로 주파수 또는 음높이(헤르츠, Hz 단위)와 진폭 또는 음량(데시벨, dB 단위)로 표현됩니다. 이러한 특성은 모니터링 응용 분야에서 소리의 특성과 강도를 정량화하는 데 도움을 줍니다. 음향 센서로 모니터링하고 장비가 내는 소리를 분석하면 예상치 못한 음향 특성을 발견하여 사람이 검토할 수 있습니다. 

^{그림 1: 음향 센서}

음향 모니터링에는 여러 종류의 센서가 일반적으로 사용됩니다.

마이크로폰—이 센서는 음향 모니터링에 가장 흔히 사용되며, 공기 중의 음파를 직접 포착합니다. 소리 조건에 따라 다이어프램 또는 미세전자기계 시스템(MEMS) 마이크로폰과 초음파 마이크로폰이 음향 모니터링에 더 적합할 수 있습니다. 마이크로폰 배열은 장비 위나 주변에 설치되어 소리를 모니터링하며, 위상 정보를 통해 소음 원점을 정확히 찾는 데 사용됩니다.

가속도계—가속도계는 주로 진동 모니터링에 사용되지만, 기본적으로 마이크로폰을 보완하여 장비 케이스나 벽과 같은 고체를 통해 전달되는 구조 전달 음을 측정할 수 있습니다.

수중 음향 센서(하이드로폰)—하이드로폰은 수중 음압 신호를 포착하도록 설계되었습니다. 그들의 부식 방지 설계 덕분에, 수중 테스트, 모니터링 및 측정을 포함한 산업 및 과학 분야에 이상적입니다.

^{그림 2: 음향 모니터링의 원리}

대부분의 기계 및 산업 공정들은 정상 작동 시 일정한 소리 특성을 가집니다. 이 기준 사운드와의 편차는 결함이나 고장의 징후일 수 있습니다. 음향 모니터링 시스템은 일반적으로 센서, 유연한 데이터 수집(DAQ) 하드웨어 플랫폼, 그리고 특수 분석 소프트웨어를 포함하여 음향 신호를 포착, 변환, 디지털화 및 분석하여 이상징후를 탐지합니다. 분석 결과에 따라 유지 보수 일정을 계획하고, 컴포넌트을 수리하거나, 문제가 심각해지기 전에 프로세스를 조정할 수 있습니다.

음향 모니터링은 장비 수명을 연장하고 안전성을 향상시키면서 비용이 많이 드는 수리를 예방하는 예측 유지 보수를 가능하게 합니다. 일반적인 데이터 수집 구성에는 다음과 같은 시스템 유형이 포함됩니다.

유선 시스템—센서는 와이어나 케이블로 DAQ 디바이스 및 컴퓨터에 연결되어 높은 신뢰성과 리얼타임 데이터 전송을 제공합니다. 다음과 같은 단점이 있습니다. 유선 시스템은 설치가 어렵고 케이블이 손상되기 쉽습니다. 넓은 지역에 분산된 시스템을 유선으로 연결하기 어렵습니다.

무선 시스템—센서는 데이터를 무선으로 전송하여 어려운 위치에도 쉽게 배치할 수 있습니다. 하지만 무선 시스템은 배터리 수명, 신호 전송 거리, 정보 보안 등 고려사항이 있습니다.

연속(온라인) 모니터링—유선과 무선 모두 일반적으로 연속적이거나 빈번한 데이터를 제공하여 음향 상태를 리얼타임으로 감시합니다. 연속 모니터링은 더 많은 리얼타임 데이터를 제공하지만, 결함이 장기간 서서히 발생하는 경우 이렇게 많은 데이터를 캡처할 필요가 없을 수 있습니다.

주기적(오프라인) 검사—기술자가 휴대용 기기를 사용해 주기적으로 소리 수준을 측정하며, 유연하지만 순간적인 데이터만 제공합니다. 주기적 검사는 순간적 이벤트를 포착하지 못할 수 있지만 장기적 추세 파악에는 효과적입니다. 

음향 모니터링은 사람의 귀에 들리는 소리와 저주파 음파를 포착·분석하는 반면, 초음파 모니터링은 사람 청각 범위를 초과하는 고주파 음파를 대상으로 합니다. 초음파 모니터링은 주로 물질 내 신호 전송과 내부 결함이나 구조 손상에 의한 변화를 감지하며, 재료 검사에 주로 사용되어 활성 상태 모니터링보다는 내부 결함을 확인합니다.

음향 데이터 분석은 소리 정보를 검토하고 해석하는 과정으로, NI LabVIEW와 같은 소프트웨어를 사용해 맞춤형 분석 애플리케이션을 구축하는 경우가 많습니다. 다음은 음향 데이터 분석의 주요 분석 기법입니다.

주파수 스펙트럼 분석—빠른 푸리에 변환(FFT) 등을 사용해 소리를 구성 주파수로 분해하여 특정 결함 유형을 식별합니다.

시간-주파수 분석—웨이브렛 분석 같은 방법으로 시간에 따른 주파수 변화를 조사하며, 과도음 분석에 유용합니다.

차수 분석—회전 기계와 연관된 고조파 변화를 분석하는 데 사용됩니다. 이는 특히 시스템 내 소음을 모터 속도와 연관시켜 엔진이나 모터의 작동 변화를 모니터링할 때 유용합니다.

패턴 인식 및 AI—기계 학습 알고리즘이 점점 더 이상 징후 탐지와 알려진 문제와 관련된 소리 분류를 자동화합니다. 식별된 문제는 검토용으로 표시하거나, 중요 임계값 초과 시 알람이나 종료 같은 자동 조치를 트리거할 수 있습니다. AI를 음향 모니터링에 활용하는 데 어려움은 AI 모델이 무엇을 찾아야 하는지 알 수 있도록 충분한 데이터, 특히 실패 데이터를 학습시키는 것입니다. 

음향 모니터링은 다양한 장비, 컴포넌트 및 공정에 적용됩니다:

• 회전 기계
• 베어링
• 모터
• 펌프
• 밸브
• 유압 시스템
• 기어
• 압축기
• 파이프라인
• 전기 시스템

음향 모니터링은 다음과 같은 잠재적 장비 및 컴포넌트 문제를 식별할 수 있습니다.

• 베어링 마모 또는 손상
• 기어 마모
• 부정렬
• 과열
• 막힘
• 균열
• 누수
• 과다 또는 윤활 부족(초음파)
• 전기적 이상

음향 모니터링은 다음과 같은 중요한 이점을 제공합니다.

• 조기 결함 감지를 통해 중대한 고장 및 가동 중단을 예방
• 예측 유지보수와 에너지 낭비 누출 탐지로 비용 절감
• 위험한 상태를 감지하여 안전성 강화
• 음향 시그니처 검증을 통한 품질 향상
• 소리 분석을 통한 공정 최적화

음향 측정은 제품 설계, 검증 및 시험 단계에서 매우 중요합니다. 엔지니어들은 NI TestStand 같은 도구로 테스트 시퀀스를 자동화하며, 소음, 진동, 불쾌감(NVH) 시험을 수행해 소음 배출 표준을 충족시키고 불필요하거나 과도한 소음의 원인을 식별 및 완화합니다. 엔지니어는 컴포넌트의 음향 성능을 검증하고 개발 및 내구성 시험 중 결함을 감지할 수도 있습니다.

NI는 정교한 음향 모니터링과 분석을 위한 견고한 플랫폼을 제공합니다. NI CompactDAQ, NI PXI, NI CompactRIO 하드웨어는 마이크 및 가속도계와 직접 연결됩니다. NI의 소리 및 진동 입력 모듈은 신호 컨디셔닝, 필터링, 높은 동적 범위, 그리고 동적 신호 수집 기본 사항 준수 등 정확한 음향 측정을 위한 기능을 제공합니다.

또한, NI는 강력한 소프트웨어 도구인 NI LabVIEW 그래픽 프로그래밍 환경을 제공하여 맞춤형 시스템 개발 및 분석을 지원합니다. NI FlexLogger™ 같은 설정 기반 소프트웨어는 데이터 로깅을 간소화하고, NI DIAdem은 대규모 데이터 세트 관리, 분석 및 보고에 고급 기능을 제공합니다. NI 하드웨어와 소프트웨어는 함께 맞춤형 음향 모니터링 솔루션을 가능케 하여 소리 데이터를 실행 가능한 인사이트로 전환합니다.

NI 음향 모니터링 솔루션은 다른 방법 대비 여러 장점을 지닙니다:

• 다양한 응용 분야에서 쌓은 오랜 측정 경험 덕분에 NI 장비를 사용한 측정은 상태 모니터링 전용 하드웨어보다 높은 품질을 보장합니다. NI 제품은 더 정확하며, 더 안정적인 타이밍과 신뢰할 수 있는 측정을 제공합니다.
• NI 플랫폼은 모듈형 설계를 기반으로 구축되어, 시스템 설계 효율성을 높이고 애플리케이션 수명 동안의 유지 관리를 용이하게 합니다. 고정된 퍼스낼리티 시스템과 달리, 모듈 추가로 새로운 채널이나 측정을 쉽게 확장할 수 있습니다.
• NI 고속 시스템은 주기적 데이터뿐 아니라 모든 데이터를 캡처할 수 있습니다. 이를 통해 다른 시스템이 놓치는 이벤트도 기록할 수 있습니다.