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음향카메라 탐지·진단 원리- 소리로 고장을 찾는 기술
평범한 낭만 여행 일기
2025. 11. 25. 17:28
산업현장에서 보이지 않는 문제들이 있습니다. 압축공기 누설, 고전압 설비의 부분방전, 베어링 마모, 전기 패널의 접촉 불량... 이런 문제들은 초기에는 눈에 보이지 않지만, 모두 특정한 소리를 냅니다. 음향카메라는 바로 이 소리를 포착하여 문제의 위치를 찾고, 원인까지 진단하는 혁신적인 장비입니다.
1. 음향카메라란 무엇인가?
기본 개념
**음향카메라(Acoustic Camera)**는 소리를 시각화하는 장비입니다. 열화상 카메라가 온도를 색상으로 보여주듯이, 음향카메라는 소리의 크기와 위치를 색상 지도로 표현합니다.
핵심 구성
┌─────────────────────────────────┐
│ [일반 카메라 렌즈] │ ← 실제 영상
│ │
│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │ ← 마이크 어레이
│ ○ ○ │ (16~128개)
│○ ○ │
│ ○ ○ │
│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │
│ │
│ [신호처리 유닛] │ ← 빔포밍 연산
└─────────────────────────────────┘3가지 핵심 요소:
- 마이크 어레이: 16~128개의 고감도 마이크
- 일반 카메라: 실제 측정 대상 촬영
- 신호처리 소프트웨어: 빔포밍 + 주파수 분석
두 가지 핵심 기능
기능목적결과
| 탐지 | 어디서 소리가 나는가? | 소음 위치 시각화 |
| 진단 | 왜 그런 소리가 나는가? | 고장 원인 파악 |
2. 탐지 원리: 소음의 위치를 찾는 과정
2.1 핵심 원리: 도달 시간차 (Time of Arrival)
소리는 공기를 통해 전파되므로, 거리에 따라 도달 시간이 달라집니다.
기본 예시
[소음원]
↓
소리
/ | \
/ | \
↓ ↓ ↓
M1 M2 M3
(마이크들)
M1 도착: 0.000초
M2 도착: 0.002초 ← 0.68m 더 멂
M3 도착: 0.005초 ← 1.70m 더 멂계산:
- 음속: 약 340 m/s
- 시간차 0.002초 = 거리차 0.68m
- 시간차 0.005초 = 거리차 1.70m
역산: 각 마이크의 도달 시간차를 분석하면 → 소음원의 정확한 위치를 계산할 수 있습니다.
2.2 마이크 어레이 (Microphone Array)
어레이 구조
음향카메라는 정밀하게 배치된 다수의 마이크를 사용합니다.
일반적인 배치 방식:
[평면 배열 예시 - 48개 마이크]
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
○ ○ ○ ○
○ ○
○ [카메라] ○
○ ○
○ ○ ○ ○
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○배치 특징:
- 중앙: 일반 카메라 렌즈
- 주변: 동심원 또는 나선형 배치
- 간격: 파장의 1/2 이하 (공간 앨리어싱 방지)
마이크 개수에 따른 성능
마이크 개수공간 분해능SNR 개선용도
| 16개 | 보통 | 12 dB | 간단한 소음 점검 |
| 32개 | 양호 | 15 dB | 일반 산업 진단 |
| 64개 | 우수 | 18 dB | 정밀 분석 (권장) |
| 128개 | 매우 우수 | 21 dB | 연구용, 고급 진단 |
핵심: 마이크가 많을수록 더 정확하지만, 비용과 계산량도 증가합니다.
2.3 빔포밍 (Beamforming) 기술
빔포밍의 원리
빔포밍은 여러 마이크 신호를 조합하여 특정 방향의 소리만 강조하는 기술입니다.
과정 설명:
1단계: 각 마이크 신호 입력
M1: ～～～～
M2: ～～～～ (약간 지연)
M3: ～～～～ (더 지연)
2단계: 시간차 보정 (위상 정렬)
M1: ～～～～
M2: ～～～～ (보정 완료)
M3: ～～～～ (보정 완료)
3단계: 신호 합산
합산: ≈≈≈≈ (진폭 3배!)
결과: 특정 방향 소리 강화 ✅
빔포밍의 효과
방향별 신호 처리:
방향위상합산 결과효과
| 목표 방향 | 일치 | 보강 간섭 | 신호 강화 ⬆️ |
| 다른 방향 | 불일치 | 상쇄 간섭 | 신호 억제 ⬇️ |
| 배경 소음 | 무작위 | 부분 상쇄 | 노이즈 감소 ⬇️ |
수학적 표현:
N개 마이크 → 신호 N배 증폭
→ 노이즈 √N배만 증가
→ SNR 개선: 10·log₁₀(N) dB2.4 시각화 과정
컬러 맵 생성
빔포밍으로 계산된 음압레벨(SPL)을 색상으로 변환합니다.
[색상 스케일]
90 dB ██████ 빨강 (매우 강함)
80 dB █████ 주황
70 dB ████ 노랑
60 dB ███ 초록
50 dB ██ 파랑
40 dB █ 보라 (약함)오버레이 (Overlay)
실제 카메라 영상 위에 음향 지도를 겹쳐 표시합니다.
[최종 화면]
┌─────────────────────────────┐
│ │
│ [기계 설비 사진] │
│ │
│ ○ ← 소음원 위치 │
│ ███ (빨간색 표시) │
│ │ │
│ 85 dB │
│ │
└─────────────────────────────┘실시간 처리:
- 초당 10~30 프레임 업데이트
- 움직이는 소음원도 추적 가능
- 직관적 문제 파악
2.5 탐지 정확도에 영향을 미치는 요인
요인영향최적화 방법
| 마이크 개수 | 많을수록 정확 | 64개 이상 권장 |
| 어레이 크기 | 클수록 분해능 향상 | 0.5~1.5m |
| 측정 거리 | 가까울수록 정확 | 1~10m |
| 주파수 | 높을수록 분해능 향상 | 2 kHz 이상 |
| 배경 소음 | 낮을수록 좋음 | 조용한 환경 선택 |
| 반사음 | 적을수록 좋음 | 흡음재 활용 |
3. 진단 원리: 소리의 원인을 분석하는 과정
위치를 찾았다면, 다음은 **"왜 이런 소리가 나는가?"**를 판단하는 단계입니다.
3.1 진단의 3가지 핵심 요소
1) 음압 레벨 (SPL, Sound Pressure Level)
정의: 소리의 크기, 단위는 dB
정상 레벨과의 비교:
- 정상: 60 dB
- 측정: 85 dB
- 차이: +25 dB ← 이상 징후!2) 주파수 스펙트럼 (Frequency Spectrum)
정의: 소리를 주파수별로 분해한 그래프
[스펙트럼 예시]
dB
│
│ ▲ (피크)
│ ╱ ╲
│ ╱ ╲
│ ───┘ └────
└───────────────── Hz
1k 5k 10k 20k
피크 위치와 형태로 고장 유형 판단
3) 시간 패턴 (Temporal Pattern)
정의: 시간에 따른 소리의 변화
[패턴 유형]
연속형: ───────────── (누설)
펄스형: ─ ─ ─ ─ ─ ─ (부분방전)
주기형: ∿∿∿∿∿∿∿∿∿ (회전 결함)3.2 누설 (Air/Gas Leak) 진단
발생 원리
압축공기나 가스가 작은 틈으로 빠져나갈 때 **난류(Turbulence)**가 발생하며, 이는 초음파 대역에 강한 에너지를 생성합니다.
음향 특성
특성값설명
| 주파수 대역 | 30~60 kHz | 초음파 영역 |
| 신호 형태 | 연속 신호 | 끊김 없이 지속 |
| 스펙트럼 | 광대역 노이즈 | 화이트 노이즈 특성 |
| 음압 변화 | 일정 | 시간에 따라 일정 |
주파수 스펙트럼
[누설 스펙트럼]
dB
│ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓ ← 초음파 대역 강함
│ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓
│ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓
│ ███
│ ██
└──────────────── Hz
1k 10k 40k
특징: 30~60 kHz 평탄하고 강한 신호진단 기준
✅ 누설 의심 조건:
- 초음파 대역(30~60 kHz) SPL > 60 dB
- 연속적이고 일정한 신호
- 광대역 화이트 노이즈 패턴
- 위치가 배관 연결부, 밸브, 이음새
실제 사례
Case: 공장 압축공기 배관
- 증상: 컴프레셔 가동률 증가
- 측정: 밸브 연결부에서 75 dB (40 kHz)
- 진단: 3mm 크랙으로 인한 누설
- 조치: 밸브 교체
- 결과: 연간 에너지 비용 15% 절감
3.3 부분방전 (Partial Discharge, PD) 진단
발생 원리
고전압 설비에서 절연체가 열화되면 미세한 전기적 방전이 발생합니다. 이 방전은 매우 짧은 펄스 형태의 초음파를 발생시킵니다.
음향 특성
특성값설명
| 주파수 대역 | 20~100 kHz | 광대역 초음파 |
| 신호 형태 | 펄스/임펄스 | 매우 짧은 지속 시간 |
| 발생 주기 | 불규칙 | 전압 사이클과 관련 |
| 청음 | 치직, 딱딱 | 단속성 소리 |
시간 신호 패턴
[부분방전 시간 신호]
진폭
│ ▲ ▲ ▲ ▲
│ │ │ │ │
│──┘─────┘────────┘────┘───
└─────────────────────────── 시간
불규칙한 펄스들
특징: 짧고 강한 충격파주파수 스펙트럼
[PD 스펙트럼]
dB
│ ▓▓▓▓▓▓▓▓ ← 광대역에 걸쳐 존재
│ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓
│ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓
│ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓
│▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓
└──────────────── Hz
10k 40k 80k
특징: 넓은 주파수에 걸친 임펄스 성분진단 기준
부분방전 의심 조건:
- 불규칙한 펄스 신호
- 광대역 초음파 (20~100 kHz)
- "치직", "딱딱" 같은 단속성 소리
- 전기 설비 근처에서 발생
- 야간(무부하)보다 부하 시 증가
심각도 판정
레벨SPL조치
| 정상 | < 30 dB | 정기 모니터링 |
| 주의 | 30-45 dB | 월 1회 점검 |
| 경고 | 45-60 dB | 주 1회 점검, 정비 계획 |
| 위험 | > 60 dB | 즉시 정비 또는 교체 |
실제 사례
Case: 22.9kV 변전실 GIS
- 증상: 없음 (예방 점검)
- 측정: 부싱 부근 52 dB 펄스 신호
- 진단: 절연체 내부 보이드에서 PD 발생
- 조치: 부싱 긴급 교체
- 결과: 대형 정전 사고 예방
3.4 베어링·모터·기계 설비 결함 진단
발생 원리
회전 기계의 결함은 주기적 충격이나 비정상적 마찰음을 발생시킵니다.
주요 결함 유형
1) 윤활 부족
특성:
- 고주파 노이즈 증가 (5~15 kHz)
- 연속적인 마찰음
- 온도 동반 상승
[윤활 부족 스펙트럼]
dB
│ ▓▓▓▓ ← 고주파 증가
│ ▓▓▓▓▓
│ ▓▓▓▓▓▓
│ ████▓▓▓▓▓▓
│ ████████████▓▓
└──────────────── Hz
1k 5k 15k
2) 베어링 스폴링 (Spalling)
특성:
- 일정 주기의 충격음
- 베어링 통과 주파수 (BPFO, BPFI)
- 시간이 지날수록 악화
[베어링 결함 시간 신호]
진폭
│ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲
│ │ │ │ │ │
│─┘───┘───┘───┘───┘───
└───────────────────── 시간
일정한 간격의 충격
주기 = 1 / (회전수 × 베어링 계수)
3) 축 정렬 불량 (Misalignment)
특성:
- 저주파 진동 증가 (< 1 kHz)
- 1X, 2X, 3X 회전 주파수 성분
- 방사형/축방향 진동
[정렬 불량 스펙트럼]
dB
│
│ ▓▓
│ ▓▓ ▓
│ ▓▓ ▓ ▓
│ ▓▓ ▓ ▓
└──────────────── Hz
1X 2X 3X
(회전 주파수의 배수)진단 비교표
결함 유형주파수 대역패턴청음 특징
| 윤활 부족 | 5~15 kHz | 연속 | 끽끽, 삐걱 |
| 베어링 스폴링 | 500 Hz ~ 5 kHz | 주기적 충격 | 덜컹, 탁탁 |
| 정렬 불량 | < 1 kHz | 1X, 2X, 3X | 웅웅, 떨림 |
| 불평형 | 회전 주파수 (1X) | 순수 사인파 | 웅-- |
| 루즈니스 | 광대역 | 불규칙 | 덜렁덜렁 |
실제 사례
Case: 펌프 베어링 결함
- 증상: 운전 중 진동 증가
- 측정: 7 kHz 주기적 피크 (0.5초 간격)
- 계산: 회전수 1800 RPM, BPFO 일치
- 진단: 외륜 스폴링
- 조치: 베어링 교체 (예상 수명 90% 도달)
- 결과: 갑작스런 고장 예방, 다운타임 최소화
3.5 전기 패널·차단기 이상 진단
발생 원리
전기적 접촉 불량이나 루즈 커넥션은 **미세한 아크(Arc)**나 스파크를 발생시킵니다.
음향 특성
결함 유형주파수 특성패턴원인
| 루즈 커넥션 | 20~80 kHz | 펄스 | 접촉 저항 증가 |
| 부하 불균형 | < 500 Hz | 진동성 | 전자기력 |
| 스파크 | 광대역 초음파 | 불규칙 임펄스 | 절연 파괴 |
| 과열 | 저주파 증가 | 연속 | 열팽창 소음 |
진단 프로세스
[전기 패널 진단 순서]
1단계: 열화상 + 음향 카메라 동시 측정
→ 과열 부위 = 접촉 불량 의심
2단계: 초음파 대역 분석
→ 펄스 신호 = 스파크/아크
3단계: 부하 조건 변화
→ 부하 증가 시 소음 증가 = 불량 확인
4단계: 상간 비교
→ R상 정상, S상 정상, T상 이상 = T상 문제실제 사례
Case: 분전반 차단기 단자
- 증상: 간헐적 트립
- 열화상: T상 단자 68°C (R상 42°C)
- 음향: 75 dB 펄스형 초음파
- 진단: 단자 체결 불량 → 접촉 저항 → 아크 발생
- 조치: 단자 재체결
- 결과: 온도 45°C로 정상화, 초음파 소멸
4. 진단 프로세스 종합
4.1 단계별 진단 흐름도
[음향카메라 진단 프로세스]
1단계: 탐지 (Detection)
↓
빔포밍으로 소음원 위치 특정
↓
2단계: 음압 측정
↓
SPL 값 확인 (정상 범위와 비교)
↓
3단계: 주파수 분석
↓
스펙트럼 패턴 확인
├─ 초음파 대역 연속 → 누설
├─ 펄스형 광대역 → 부분방전
├─ 주기적 충격 → 베어링 결함
└─ 저주파 증가 → 정렬/불평형
↓
4단계: 시간 패턴 분석
↓
연속/펄스/주기 판별
↓
5단계: 종합 진단
↓
고장 유형 확정
↓
6단계: 조치 권고
↓
수리/교체/모니터링4.2 결함별 진단 요약표
결함 유형주파수SPL패턴청음긴급도
| 에어 누설 | 30~60 kHz | 60~80 dB | 연속 | 쉬익- | ⚠️ 중 |
| 부분방전 | 20~100 kHz | 40~70 dB | 펄스 | 치직 | 🚨 높음 |
| 베어링 스폴링 | 1~10 kHz | 50~75 dB | 주기 충격 | 덜컹 | 🚨 높음 |
| 윤활 부족 | 5~15 kHz | 55~70 dB | 연속 | 끽끽 | ⚠️ 중 |
| 정렬 불량 | < 1 kHz | 60~80 dB | 1X, 2X | 웅웅 | ⚠️ 중 |
| 루즈 커넥션 | 20~80 kHz | 45~65 dB | 펄스 | 따닥 | 🚨 높음 |
5. 실무 활용 가이드
5.1 측정 환경 최적화
환경 조건
요인최적 조건문제 시 대응
| 배경 소음 | < 50 dB | 야간 측정, 설비 격리 |
| 바람 | < 3 m/s | 윈드스크린 사용 |
| 온도 | 10~30°C | 온도 보정 계수 적용 |
| 습도 | 30~80% | 감쇠 계수 고려 |
| 반사음 | 최소화 | 흡음재, 측정 각도 조정 |
측정 거리
[최적 측정 거리]
설비 유형 권장 거리 이유
─────────────────────────────
압축기/펌프 2~5 m 근접 정밀 측정
전기 패널 1~3 m 안전거리 + 분해능
배관 누설 1~10 m 접근성에 따라
대형 설비 5~20 m 전체 스캔 필요
5.2 주파수 대역 설정
대상별 최적 주파수
측정 대상주파수 범위이유
| 압축공기 누설 | 30~60 kHz | 난류 초음파 |
| 부분방전 | 20~100 kHz | 전기적 펄스 |
| 베어링 | 500 Hz ~ 10 kHz | 기계적 충격 |
| 회전 불평형 | 10~500 Hz | 저주파 진동 |
| 전기 소음 | 50 Hz, 150 Hz | 전원 주파수 배수 |
5.3 데이터 해석 팁
Tip 1: 베이스라인 비교
항상 정상 상태 데이터를 먼저 측정:
1. 신규 설비 설치 시 정상 데이터 기록
2. 정기 점검 시 이전 데이터와 비교
3. +10 dB 이상 증가 → 주의
4. +20 dB 이상 증가 → 즉시 조치Tip 2: 상대 비교
동일 조건의 다른 설비와 비교:
- 같은 모델 모터 4대 중 1대만 75 dB
→ 해당 모터 집중 점검
- R, S, T 3상 중 T상만 +15 dB
→ T상 회로 문제
