KR100408156B1 - 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통상의 방음벽 위에 바닥면이 수평지게 설치되고, 복수개의 날개가 일정간격을 유지하면서 방음벽의 길이 방향으로 상기 바닥면 위에 입설되는 것을 특징한다.

본 발명에 의하면, 통상의 방음벽의 구조 개선으로 다중 회절효과와 간섭효과를 이끌어 내어 각종 소음, 특히 교통 소음을 혁신적으로 저감할 수 있는 것이다.

Description

광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조{Noise abatement device using interference method for wide continuous frequency range}

본 발명은 교통 소음이 발생되는 도로 등에 설치된 방음장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통상의 방음벽의 구조 개선으로 다중 회절효과와 간섭효과를 이끌어내어 각종 소음, 특히 교통 소음을 저감할 수 있도록 하는 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조에 관한 것이다.

교통량이 증가함에 따라 도로 주변지역의 소음 레벨은 일반적으로 증가한다. 최근 외국에서 행해진 지역 소음 조사에 따르면 소음 레벨은 매년 1dB에 가까운 비율로 증가하고 있으며, 이러한 증가의 주요원인은 교통량 증가에 기인한 것으로 보고 있다.

따라서, 교통량이 급속하게 증가하고 있는 우리 나라의 경우도 신도시 건설이나 신설도로의 주요 환경 파라메터(parameter)로서 교통 소음을 고려하여야 한다. 기존 도로변 지역에 대한 교통 소음 저감대책도 적극적으로 강구해야 할 실정이다.

교통 소음의 저감을 위해 교통 소음이 어떻게 발생ㆍ전파되어 영향을 미치는지에 따라 반사형 방음벽, 흡음형 방음벽, 간섭형 방음벽, 공명형 방음벽 등을 선택적으로 사용하고 있으나, 이러한 방음벽은 회절음파를 허용할 수밖에 없어 방음효과가 낮다.

본 발명은 통상의 방음벽의 구조 개선으로 다중 회절효과와 간섭효과를 이끌어 내어 각종 소음, 특히 교통 소음의 저감을 극대화할 수 있도록 하는 광대역 소리저감을 위한 방음벽 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 두 날개 사이 위치에서의 음압 변화에 따른 주파수 특성도이다.

도 2a,2b는 30 cm 간격에 28 cm 깊이에서 삽입손실이 가장 큰 240 Hz 주파수에서 음장의 분포와 인텐시티(intensity) 분포도이다.

도 3은 간섭에 의한 효과와 다중회절에 의한 효과를 비교하는 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 방음장치의 구조를 보인 부분 절개 사시도이다.

도 5는 도 4에서의 바닥면의 일 예를 나타낸 사시도이다.

도 6은 도 4에서 날개의 개수에 따른 삽입손실 상태를 보인 그래프이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

1 : 방음벽 2 : 바닥(면)

3 : 날개

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광대역 소리저감을 위한 방음벽 구조는, 통상의 방음벽 위에 바닥면이 수평지게 설치되고, 복수개의 날개가일정간격을 유지하면서 방음벽의 길이 방향으로 상기 바닥면 위에 입설되는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의한 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조에 있어서, 상기 바닥면이 상기 날개에 의해 형성된 깊이가 서로 다른 값을 갖도록 경사진 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 의한 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조에 있어서, 상기 바닥면의 경사가 평면 경사 또는 곡면 경사인 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 의한 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조에 있어서, 상기 날개에 의해 경사진 바닥면에 의해 형성된 깊이가 최소 1 cm, 최대 19 cm 인 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 의한 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조에 있어서, 상기 바닥면의 경사가 도로와 나란한 방향으로 경사지게 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 의한 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조에 있어서, 상기 바닥면의 경사가 80∼120 cm, 특히, 100 cm 간격마다 반복되는 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 의한 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조에 있어서, 상기 바닥면 또는 날개의 재질이 음파를 흡음할 수 있는 음향적으로 소프트(soft)한 재질의 흡음성이 높은 흡음체 인 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 의한 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조에 있어서, 상기 날개가 5개 이상, 특히 5 개 인 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면들과 함께 상세히 설명하기로 한다.

참고로, 본 발명을 설명하는데 있어 이해를 돕기 위해 전체적인 설명을 도 4의 도면부호를 적절히 기재하여 설명한다.

본 발명은 도로 위의 차량, 공사현장, 공장지역 등에서 발생되는 각종 소음에 적용될 수 있지만, 특히 교통 소음을 주요 대상으로 한다.

소음원의 크기가 적정하다면 소음 저감의 가장 이상적인 방법으로는 음원을 완전히 밀폐시키는 것이다. 하지만, 교통 소음과 같은 대상은 방음벽을 활용하여 소음을 차단하는 방법에 의존한다. 소음 차단수단으로서의 방음벽은 회절음파를 허용할 수밖에 없다는 특징을 갖는다.

일반적으로 간섭을 이용하는 장치들은 몇 개의 특정 주파수에 초점을 맞추어 고정되어 있다는 특징을 갖는다.

본 발명은 다중회절효과와 복수의 날개들 사이에서의 전파경로차이에 의한 간섭현상을 이용하고, 간섭현상을 유도하여 소음을 저감시키기 위한 주파수 적용대역이 광대역에 걸쳐 연속적으로 분포하도록 설정하는 방법을 적용한 것이다.

방음장치에서 간섭을 이용하는 방법으로 사용하는 방법은 상단 직진음파와 바닥반사파 사이의 간섭이다. 간섭을 소음 저감에 활용하기 위해서는 간섭 발생 주파수 특성을 파악하여야 한다.

본 발명은 음향학적 성능을 파악하기 위하여 이론적으로는 경계 요소법을 사용하였다.

위의 경계 요소법은 헬름홀츠 방정식을 적분형으로 푼 헬름홀츠 적분방정식을 수치적으로 풀도록 고안된 방법으로서 진행중인 음파 주위의 음향학적 조건들이 계산에 고려되어, 실험에 견줄 수 있는 해석결과를 제공한다.

도 1은 반사하는 음파가 직진음파와 상쇄간섭을 일으키도록 유도한 상태에서 얻어진 음압 변화에 따른 주파수 특성도이다.

도 1에서 화살표로 표시된 주파수의 파장을 계산하여 보면, 계산 시 주파수 분해능을 10 Hz로 설정한 점을 고려할 때 깊이가 1/4 파장과 정확히 일치하는 것을 확인할 수 있다. 이는 음파가 바닥(2)에서 완전 반사되고 있다는 판단을 갖게 해준다.

물론, 바닥(2)을 완전 반사체로 가정한 경우이지만, 음파가 수직입사 및 바닥 수직반사의 경로를 가진다는 의미이다.

경계 요소법으로 계산한 유효 깊이를 관찰해 보면, 실제의 깊이보다 어느 경우에서나 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 음파가 바닥(2)에서 반사하되, 방음벽(1)의 날개(3) 끝은 마치 더 높은 곳에 있는 것처럼 작용함을 제시한다.

통상적으로 파이프에서 자유 음장으로 나온 음파가 파이프의 끝이 마치 실제보다 더 나와 있는 곳에 음향 중심(acoustic center)이 있는 것으로 작용하는 현상과 유사한 현상으로 해석할 수 있음을 알 수 있다. 이를 끝 보정(end correction)이라고 한다.

도 2a,b는 30 cm 간격(여러 겹의 날개(3) 사이의 거리를 말하며, 이하 '간격'이라 한다)에 28 cm 깊이(바닥면(2)과 바닥면(2) 위에 서 있는 날개(3)의 상단과의 거리를 말하며, 이하 '깊이'라고 한다)에서 삽입손실이 가장 큰 240 Hz 주파수에서 음장(sound field)의 분포와 인텐시티(intensity) 분포도로서, 음압이 최소가 되는점이 날개(3)의 7.4 cm 상부에 존재함을 보여준다.

상기의 주파수는 삽입손실(insertion loss)이 크게 향상된 간섭 주파수로서, 방음벽의 높이가 실제보다 높게 작용한다는 것을 뒷받침하고 있다.

본 발명에서 기본적으로 사용한 음파진행상의 특성은 바닥반사에 의한 간섭을 유도할 때 날개(3) 사이의 공간에서 음파의 진행을 수직 방향만 고려할 수 있으며, 반사는 바닥면(2)에서 일어나고 주파수 계산 시 날개(3)의 실제 높이에 끝 보정이 부여되어야 한다.

간섭의 활용에서 가장 중요한 점은 간섭 주파수의 튜닝 원리이다. 상쇄 간섭은 주파수에 따라 특징이 결정되는데, 주어진 기하학적 형태에 있어서 상쇄간섭 뿐만 아니라 반드시 보강간섭이 일어나는 것은 자연적인 현상이다.

이 보강간섭 문제를 해결할 수 있는 것이 다중회절이다. 즉 상쇄간섭에 의한 효과는 방음장치의 성능향상에 좋은 역할을 하지만, 보강간섭 또한 피할 수 없는 현상이므로 전 주파수 대역에서 효과가 있는 회절을 활용하는 것이 적절하다.

특히, 회절에 의한 소음 저감효과는 고주파일수록 커지므로 상쇄간섭보다 보강간섭이 높은 주파수에서 발생하므로 비교적 고무적인 전략이라 볼 수 있다.

도 3은 간섭에 의한 소음 저감 및 다중회절에 의한 소음 저감 효과를 비교하는 그래프로서, 상쇄간섭과 보강간섭에 의한 긍정적 및 부정적인 효과가 다중회절 효과를 중심으로 발생함을 보여준다.

다시 말하면, 간섭장치의 효과를 내기 위해 튜닝한 주파수보다 2배 이상의 높은 주파수에서 보강간섭이 발생하는데, 회절효과는 고주파에서 우수해지므로 부정적인효과가 적어지는 것을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 방음장치를 보인 부분 절개 사시도로서, 통상의 방음벽(1) 위에 바닥면(2)이 수평지게 설치되어 있고, 다시 바닥면(2) 위에 여러 겹의 날개(3)가 일정 간격을 두고 방음벽(1)의 길이 방향으로 서 있다.

본 발명의 방음장치는 날개(3)의 간격과 개수에 구애받지 않지만, 한정된 공간이라면 날개(3)의 간격을 줄이고 날개(3)의 개수를 증가시켜도 가능하다. 바람직하게는 공간에 제한을 받지 않을 때에는 날개(3)의 개수를 최소 5개 이상으로 한다.

또한, 날개(3) 간격에 대한 제한은 없으며 되도록 많은 수의 날개를 부착하는 것이 바람직하다. 날개(3)의 개수가 적을수록 소음저감 효과는 감쇠된다. 바닥면(2)이나 날개(3)의 재질은 딱딱한 재질보다는 음향학적으로 소프트(soft)한 재질(즉, 흡음성이 높은 재질)일수록 좋은 효과를 가진다.

바닥면(2)과 여러 겹의 날개(3)의 결합구조는 방음장치를 통과한 음파와 바닥면(2)에서 반사한 음파가 간섭을 일으킬 수 있도록 구성된 것으로서, 바닥면(2)은 평면보다는 경사진 것이 적절하다. 즉, 간단한 구조 변경이지만 바닥면(2)의 깊이를 연속적으로 변화시켜 광대역에 걸친 간섭 주파수를 나타낼 수 있다.

날개(2)와 함께 날개(2)에 의해 형성된 공간의 깊이(즉, 바닥면(2)의 경사)가 도로와 나란한 방향으로 경사지게 하여 연속적으로 간섭 주파수가 분포하도록 한다.

이 경우 도로에 직교한 방향으로 소음이 전파하여 갈 때 소음의 통과하는 경로상의 깊이가 달라 간섭 주파수가 공간에 따라 다른 현상이 있으나, 80 cm∼120 cm, 바람직하게는 100 cm 간격으로 경사를 반복시킴으로써 공간상의 간섭 주파수 이질화 현상을 제거할 수 있다.

더불어 음파의 진행 방향으로 날개(3)에 의해 형성되는 공간을 반복시켜 소음의 저감 효과를 극대화할 수 있음은 당연하다. 또한, 다중회절효과도 최대로 살릴 수 있는 것이다.

도 5에서 보이는 바와 같이, 바닥면(2)은 평면 경사와 곡면 경사가 모두 가능한데, 소음의 주파수 특성에 따라 깊이 뿐만 아니라 경사의 형태도 결정할 수 있다. 또한, 경사진 바닥면(2)에 의해 우천 시 원활한 배수가 가능하다.

경사진 바닥면(2)에 의해 형성된 날개(3)의 깊이는 끝 보정 효과를 고려하여 최대깊이 19 cm, 최소깊이 1 cm로 하게 되면, 500 Hz이상의 소음 영역에서 간섭주파수를 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명에서 날개의 개수에 따른 소음의 저감효과를 나타낸 것으로서, 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 소음의 저감효과를 나타낸다.

5개의 날개를 갖으면 전체 방음벽의 높이를 20 cm 만큼 올리고도 3∼4 dB의 소음을 감소시킬 수 있으며, 7개의 날개를 사용하면 그 효과가 훨씬 증가하여 7 dB 정도의 효과를 얻을 수 있다. 3 dB의 소음 저감효과는 교통량을 절반으로 줄인 것과 같으며, 7 dB의 소음 저감효과는 80 %의 교통량을 줄인 효과와 마찬가지다.

본 발명에 의하면, 통상의 방음벽의 구조 개선으로 다중 회절효과와 간섭효과를 이끌어 내어 각종 소음, 특히 교통 소음을 혁신적으로 저감할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (10)

1. 통상의 방음벽 위에 바닥면이 방음벽의 길이방향을 따라 상향 또는 하향으로 반복 경사지게 설치되고, 상기 바닥면 위에 5개 이상의 날개가 일정간격을 유지하면서 방음벽의 길이 방향으로 입설되되, 상기 바닥면과 상기 날개 상단과의 깊이는 1 내지 19 cm인 것을 특징으로 하는 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 바닥면의 경사가, 평면 경사인 것을 특징으로 하는 상기 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조.
4. 제1항에 있어서,

   상기 바닥면의 경사가, 곡면 경사인 것을 특징으로 하는 상기 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 바닥면의 경사가, 도로와 나란한 방향으로 경사지게 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조.
7. 제1항에 있어서,

   상기 바닥면의 경사가, 80∼120 cm 간격으로 반복되는 것을 특징으로 하는 상기 광대역 소리저감을 위한 방음장치 구조.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제