철도차량은 다양한 진동, 소음원이 존재한다. 특히, 곡선부를 주행하는 차륜과 레일의 접촉으로 인해 발생하는 차륜의 고주파 진동/소음은 차륜의 공진과 연관되어 순음 성분의 높은 매우 큰 소음이 발생한다. 도심을 주로 운행하는 전동차의 특성상 주변 거주민들에게 소음피해가 발생할 수밖에 없는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 기존에는 도유기, 방음차륜 등이 연구되었다. 하지만, 도유기는 철로 주변의 환경오염 문제가 발생할 수 있으며, 방음차륜은 차륜의 안전성의 문제로 인하여 실용적인 사용의 어려움이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 방안으로, 본 연구에서는 압전 분기회로를 활용하여 철도차량 차륜의 진동과 소음을 저감하기 위한 적용방안을 제안하였다. 압전재료는 기계-전기 연성 효과가 있는 물질로 에너지 변환이 우수하여 센서, 액추에이터 등으로 널리 사용되고 있다. 이러한 원리를 활용한 압전 분기회로는 구조물의 진동 에너지를 열에너지로 소산시키는 과정을 통해 구조물의 진동을 제어할 수 있다. 압전 분기회로는 크기가 작고 비용이 저렴하며 제어가 비교적 쉬워 소형 구조물에 적용된 연구가 활발하게 진행되어왔다. 그러나, 압전 분기회로는 대형 구조물의 복잡한 형상에 대한 최적 부착 위치 결정의 어려움과 대형 구조물과 압전재료의 질량 차이로 인한 낮은 진동 저감량 등으로 인하여 대형 구조물에 적용된 사례가 드물다.
본 연구에서는 압전 분기회로가 대형 구조물에 적용되어 대형 구조물인 차륜에서 발생하는 소음과 진동 저감 가능성을 확인하기 위하여 연구를 수행하였다. 압전 분기회로의 진동제어 성능을 향상시키기 위해서는 압전재료의 압전성능이 높아야 하고, 구조물에 대한 압전재료의 부착 위치, 크기 등이 적절하게 적용되어야 한다. 또한, 압전 분기회로의 인덕턴스가 정확하게 튜닝이 되어야 구조물의 진동을 효과적으로 저감할 수 있다.
압전재료의 에너지 변환효율을 높이기 위하여 외팔보에 대한 압전재료의 최적 부착 위치를 수식과 수치해석으로 검토하였다. 구조물에 부착되는 압전재료의 압전성능은 부착 위치에 따라 성능이 변화하므로, 이에 대한 영향 인자들을 검토하였다. 이를 통해, 구조물에 부착된 압전재료의 전압생산량과 분기회로의 진동 저감량을 평가하여 스트레인 에너지, 결합계수에 따른 압전 분기회로의 진동 저감 성능을 분석하였다.
또한, 철도차량 차륜의 진동과 소음을 저감하기 위하여 철도차량의 곡선부에서 발생하는 주요 주파수 대역을 파악한 후, 유한요소해석을 이용하여 모드형상과 스트레인 에너지를 분석하였다. 이를 통해, 압전재료의 최적 부착 위치를 결정하고 해당 위치에 대한 결합계수 분석을 통해 압전 분기회로의 최적 튜닝값을 결정하였다. 또한, 실험적으로 차륜의 진동과 소음을 재현하기 위하여 압전재료의 역압전효과를 활용하여 차륜을 고유진동수로 가진하였다. 차륜의 고유진동수에서 발생한 진동을 저감하기 위하여 부착된 압전재료는 공진 분기회로와 연결되어 차륜의 고주파 소음과 진동을 효과적으로 저감하였다.
마지막으로, 압전 분기회로의 저감 성능을 향상하기 위해서는 압전재료의 압전성능이 우수해야 한다. 하지만, 높은 압전성능을 갖는 PZT는 취성이 높아 곡면의 구조물에 적용이 어려운 한계를 지닌다. 이러한 PZT의 단점을 보완하기 위하여 구조적인 변경을 통해 유연 구조를 갖는 압전재료를 제안하였다. 압전재료를 적절한 크기로 분절하고 상, 하부의 전극을 유지하여 차륜의 곡면부인 웹에 부착하였다. 웹에서 발생하는 진동과 소음은 공진 분기회로와의 연결을 통해 소음과 진동 저감을 실험적으로 확인하였다.

Railway vehicles have various vibration and noise sources. In particular, the high-frequency vibration/noise of the wheel generated due to the contact between the wheel running on the curved part and the rail is related to the resonance of the wheel, so that a very loud noise with a high pure sound component is generated. Due to the trains that operate mainly in downtown areas, noise damage to surrounding residents is inevitable. In order to solve this problem, lubricators and resilient wheels have been researched. However, the oil lubricator may cause environmental pollution problems around the railway, and the resilient wheel has difficulties in practical use due to the safety problem of the wheel.
As a new method to solve this problem, this study proposes an application method to reduce the vibration and noise of the wheel of a railway vehicle by using a piezoelectric shunt. A piezoelectric material is a mechanical-electrical ductility effect and is widely used in sensors and actuators because of its excellent energy conversion. The piezoelectric shunt using this principle can control the vibration of the structure through the process of dissipating the vibration energy of the structure into thermal energy. The piezoelectric shunt is small in size, low in cost, and relatively easy to control, so studies applied to small structures have been actively conducted. However, the piezoelectric shunt is rarely applied to large structures due to the difficulty of determining the optimal attachment position for the complex shape of large structures and low vibration reduction due to the difference in mass between the large structure and the piezoelectric material.
In this study, the piezoelectric shunt was applied to a large structure to confirm the possibility of reducing noise and vibration generated by the wheel, which is a large structure. In order to improve the vibration control performance of the piezoelectric shunt, the piezoelectric performance of the piezoelectric material must be high, and the position and size of the piezoelectric material attached to the structure must be appropriately applied. In addition, the vibration of the structure can be effectively reduced only when the inductance of the piezoelectric shunt is precisely tuned.
In order to increase the energy conversion efficiency of the piezoelectric material, the optimal attachment position of the piezoelectric material to the cantilever beam was studied by numerical analysis and equations. Since the piezoelectric performance of the piezoelectric material attached to the structure changes depending on the location of the attachment, the factors affecting it were reviewed. Through this, the voltage production amount of the piezoelectric material attached to the structure and the vibration reduction amount of the shunt were evaluated, and the vibration reduction performance of the piezoelectric shunt according to the strain energy and coupling coefficient was analyzed.
In addition, in order to reduce the vibration and noise of the wheels of the railroad car, the main frequency bands generated in the curved part of the railroad car were identified, and the mode shape and strain energy were analyzed using finite element analysis. Through this, the optimal attachment position of the piezoelectric material was determined and the optimal tuning value of the piezoelectric shunt was determined through the coupling coefficient analysis for the position. In addition, in order to experimentally reproduce the vibration and noise of the wheel, the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric material was used to excite the wheel at a natural frequency. In order to reduce the vibration generated at the natural frequency of the wheel, the attached piezoelectric material is connected to the resonance shunt to effectively reduce the high-frequency noise and vibration of the wheel.
Lastly, in order to improve the reduction performance of the piezoelectric shunt, the piezoelectric performance of the piezoelectric material must be excellent. However, PZT with high piezoelectric performance has a limitation in that it is difficult to apply to curved structures due to its high brittleness. In order to compensate for these shortcomings of PZT, a piezoelectric material having a flexible structure was proposed through structural changes. The piezoelectric material was segmented into an appropriate size, and the upper and lower electrodes were maintained and attached to the web, which is the curved surface of the wheel. Vibration and noise generated from the web were experimentally confirmed to reduce noise and vibration through the connection with the resonance shunt.