자동차는 과거 단순한 운송수단에서 현재는 생활 공간, 레저 공간으로 인식이 변화하고 있다. 과거엔 엔진 성능, 주행 성능, 내구 성능 등 성능 품질 중심이었다면 현재는 국민 소득 증대와 자동차 문화 발전, 소비 패턴 변화에 따라 승차감, 안락성, 편의성 등의 감성 품질 중심으로 변화하고 있다. 따라서 감성 품질을 향상시키기 위해서 NVH 성능을 향상시킬 수 있는 차량 부품들에 대한 연구와 상용화가 활발히 이루어지고 있다. 이에 휠·타이어의 공명음을 감소시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 현재는 흡음 타이어, 중공 흡음 휠 등이 개발되어 실차에 적용되고 있다. 하지만 흡음 타이어는 이는 일시적이고, 소모적인 기술에 불과하며, 중공 흡음 휠은 과다한 제조비용으로 일부 고급 차량에만 적용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 중량과 원가 상승을 최소화하기 위해 가볍고, 제조비용이 낮은 재질의 공명기를 개발하여 휠·타이어 공명음을 줄여 NVH 성능을 향상시키려 했다. 공명기는 소형차부터 대형 차종까지 사양 구분 없이 모든 차종과 휠에 적용 가능해야 하며, 흡음 타이어와 중공 흡음 휠과 비교해 이상의 흡음 성능을 가지는 것을 목표로 했다. 따라서 모든 차량에 보편적으로 적용할 수 있는 상용 기술로 발전시킬 수 있으며, 차량의 NVH 기술 수준을 한층 더 향상 시킬 수 있는 파급 효과를 지니고 있다.
연구의 진행은 업체별로 휠·타이어의 공명음이 발생한다고 알려진 주파수 대역을 조사하여 소음 저감을 위한 타겟 주파수 대역을 선정한다. 공명기는 헬름홀츠 원리를 이용한 헬름홀츠 공명기와 역위상의 음파 발생 원리를 이용한 1/4 파장 공명기 2가지를 각각 개발 모델로 선정한다. 헬름홀츠 공명기는 목의 길이, 목의 단면적 그리고 공동의 부피에 의해 흡음 주파수가 결정되며, 1/4 파장 공명기는 파장 공명기의 길이에 따라 흡음 주파수가 결정된다. 헬름홀츠 공명기와 1/4 파장 공명기는 휠에 장착하기 위해 휠 형상에 맞게 기본 설계하며, 흡음 주파수를 예측하기 위해 음향 해석 모델을 구성한다. 음향 해석 모델은 네모난 덕트와 공명기로 구성되어 덕트의 중앙에 공명기를 장착하고, 덕트의 입구부에서 일정한 크기의 백색 소음을 인가한다. 덕트의 입구부와 출구부의 음압을 각각 측정하여 투과 손실량을 계산함으로써 헬름홀츠 공명기와 1/4 파장 공명기에 의해 흡음되는 주파수를 확인한다. 해석 모델의 검증을 위해 해석 모델과 동일한 조건의 실험 모델을 구성하여 음향 실험 및 해석 결과를 비교해 해석 모델의 유효성을 검증한다. 또한, 해석 모델의 추가 검증을 위해 헬름홀츠 공명기와 1/4 파장 공명기 각각을 쿼터카와 실차에 적용하여 소음 저감 효과를 확인한다.
헬름홀츠 공명기는 휠의 빠른 회전으로 발생하는 원심력과 휠-타이어 조립 시 공명기에 작용하는 압축력에 의해 일부 공명기에 구조 변형이 발생하였다. 따라서 압축력과 원심력에 대해 강성이 증가된 공명기의 형상을 재설계함이 요구된다. 구조 해석과 음향 해석을 이용해 기존 공명기 모델의 흡음 성능은 유지하되 강성이 증가된 공명기 형상을 재설계한다.
1/4 파장 공명기는 파장 공명기의 길이에 의해 공명 주파수가 결정되어 이론식과 실험, 해석 결과가 비교적 잘 일치한다. 반면에 헬름홀츠 공명기는 목의 길이와 단면적 그리고 공동의 부피에 의해 공명 주파수가 결정되지만, 이론식에 의해 계산된 공명 주파수와 실험 및 해석 모델에 의해 예측된 공명 주파수가 큰 오차를 보인다. 따라서 헬름홀츠 공명기의 형상 정보를 고려한 보정값을 추가로 유도하여 소음을 줄이고자 하는 타겟 주파수가 변경되더라도, 유도된 관계식으로부터 형상 설계 변수들의 값을 결정할 수 있다. 그러므로 보정식을 이용해 소형부터 대형 차종까지 공명음이 발생하는 주파수 대역에 맞게 헬름홀츠 공명기를 쉽게 설계할 수 있다.
헬름홀츠 공명기와 1/4 파장 공명기의 흡음 성능을 증가시키기 위해 설계 변수를 선정하여 정해진 설계 가능 범위 내에서 형상 최적 설계를 실시한다. 실험계획법에 기초한 반응표면 분석법을 이용해 회귀 모형 함수를 추정하고, 이를 풀어냄으로써 흡음 성능이 향상된 헬름홀츠 공명기와 1/4 파장 공명기를 설계할 수 있다.