스펙토그램을 활용한 자동차 엔진의 배기음 분석

 

개요

영상 속 슈퍼카나 현실에서 우연히 볼 수 있는 슈퍼카들의 엔진 소리와 배기음은 차종에 따라 천차만별이다.
멀리서 들으면 비슷한 듯하지만, 그래도 차이점은 분명히 존재한다.

 

그렇다면 엔진의 형태를 보면 큰 차이가 없어 보이는데, 왜 차종과 엔진 종류에 따라 소리에 차이가 발생하는 것일까?

 

이번 글에서는 이러한 의문에 대해 오디오 파일을 활용해 스펙트로그램을 통한 소리의 파형을 분석하고, 그 차이의 원인에 대해 어느 정도 해결해보고자 한다.

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엔진의 작동 방법

엔진은 생각보다 간단하게 작동한다.

흡입, 압축, 폭발, 배기 순서이다.

https://ko.bisongenerator.com/Blog/2-stroke-vs-4-stroke.html

 

위 과정을 매우 간단하게 설명하면 아래와 같다.

흡입: 흡입 과정에서는 실린더 내부에 산소와 연료 혼합물이 들어온다.
압축: 압축 과정에서는 피스톤이 연료 혼합물이 있는 공간을 압축해서 온도와 밀도를 높혀 폭발 효율을 증가시킨다.
폭발: 압축된 혼합물에 점화 플러그가 불꽃을 일으켜서 연료를 연소시키며 피스톤을 아래로 밀어 동력을 생산한다.
배기: 피스톤이 다시 올라오며 연소 후의 가스를 실린더 밖으로 내보낸다.

 

이 일련의 과정을 계속 반복해서 엔진이 동력을 생산하게 된다.

 

 

위에서 설명한 방식은 4행정 엔진이라 하며, 피스톤이 4번의 행정(위아래 움직임) 동안 흡입, 압축, 폭발, 배기 과정을 각각 완료하기 때문에 이러한 이름이 붙었다.

또한, 2행정 엔진도 존재하는데, 이 방식에서는 피스톤이 두 번의 행정(한 번 올라가고 내려감) 동안 흡입, 압축, 폭발, 배기 과정을 동시에 진행하여 한 사이클을 완료하기 때문에 이러한 이름이 붙었다.

 

추가로, 엔진에서 피스톤은 크랭크축이라는 부품에 연결되어있다.

이 크랭크 축이 회전하며 피스톤이 상하 운동을 할 수 있게 한다.

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%81%AC%EB%9E%AD%ED%81%AC%EC%B6%95

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계산 방법

계산 방법은 간단하다.

 

주파수(Hz) = ( RPM / 60 ) x ( 실린더 수 / 점화 주기 )

 

위 식에서 사용되는 변수들은 다음과 같다.

RPM : Revolutions Per Minute의 약자로, 1분당 엔진이 회전하는 수

실린더 수 : n기통 할 때 기통이 실린더 수를 의미

점화 주기 : 2행정, 4행정 등 엔진의 점화 주기를 의미

 

위에서 RPM을 60으로 나누는 이유는 RPM 자체가 분당 회전수를 의미하지만, Hz는 초당 진동수를 의미하기 때문이다.

그렇기 때문에 시간을 분에서 초로 통일하기 위함이다.

 

또한 점화 주기는 다음과 같이 계산된다.

4행정의 경우 한 번의 점화를 위해 크랭크축이 두 번 회전하기 때문에 2이다.

2행정의 경우엔 한 번의 점화를 위해 크랭크축이 한번 회전하기 때문에 점화 주기가 1이다.

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분석 실습

분석에 사용할 프로그램은 Audacity라는 프로그램이며, 이 프로그램을 사용해서 스펙토그램 기능을 이용할 것이다.

다운로드는 아래 링크에서 진행할 수 있으며, 무료이다.

https://www.audacityteam.org/

 

사용할 예시는 V-8엔진으로 4행정이며, 5000RPM 을 가진 사운드를 분석에 활용하였다.

사운드 에셋은 아래 링크에서 확인할 수 있다.

https://www.soundsnap.com/porsche_cayenne_i_4_8_v8_engine_5k_rpm_loop_mono

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프로그램 사용에 앞서 간단한 계산을 진행하겠다.

먼저 위에서 제시된 조건인 엔진의 실린더 개수, 행정 수, RPM이 모두 확인되었기 때문에 앞으로 분석할 오디오의 특징을 유추할 수 있을 것이다.

 

위에서 제시되었던 식을 통해 주파수를 계산하면 다음과 같다.

 

주파수(Hz) = ( RPM / 60 ) x ( 실린더 수 / 점화 주기 )

= ( 5000 / 60 ) x ( 8 / 2 )

= 83.333... x 4

= 333.3...

즉 333Hz임을 알 수 있다.

 

 

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모두 준비가 되었다면 오디오 파일을 Audacity에 넣는다.

 

그 후 Ctrl + A를 통해 전체 클립을 선택 후 분석->스펙토그램 도식화를 눌러서 스펙토그램 기능을 활성화 한다.

 

그럼 아래와 같은 창이 뜰텐데, 사실상 변수들을 조정할 필요는 없으며, 스펙토그램에서 가장 Peak인 부분을 확인하면 된다.

가장 Peak인 부분은 324Hz로 확인된다.

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결론

위 스펙토그램을 보면 5,000 RPM으로 작동하는 V-8 엔진 소리가 324Hz에서 가장 강하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

결론적으로, 이전에 계산했던 333Hz와 유사한 결과를 확인할 수 있다.
다만, 계산값과 실제 분석값 사이에는 어느 정도 차이가 있는데, 이는 배음, 배기 시스템, 점화 간격, 머플러의 유무, 엔진 구조 등의 요인에 의해 달라질 수 있기 때문이다.