KR100427614B1 - 덕트 내부의 능동 소음 제어용 스마트 폼 및 그것을구비한 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원형의 튜브내에 용이하게 장착할 수 있으면서 특히, 실제 유체의 유동이 존재하는 덕트내에서 보다 향상된 소음제어를 가능케 한 덕트 내부의 능동 소음 제어용 스마트 폼 및 그것을 구비한 조립체에 관한 것이다.

본 발명의 덕트 내부의 능동 소음 제어용 스마트 폼은, 탄성 다공성 합성수지 폼재를 일정길이 환형으로 형성한 외측환(52); 상기 외측환(52)의 내측에 삽입되는 탄성 다공성 합성수지 폼재로 된 내측환(54); 상기 외측환(52)과 내측환(54) 사이에 개재되며 그 외면과 내면에 도전성 물질층(62)이 형성되어서 음을 방사하는 환형의 PVDF 필름(60); 및 상기 PVDF 필름(60)의 외면과 내면의 도전성 물질층(62)에 서로 다른 극으로 연결되어 전압을 인가함으로써 PVDF 필름(60)의 음 방사를 가능케 하는 리이드선(64);을 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 환형 스마트 폼을 구비한 덕트 내부의 능동 소음 제어용 조립체는, 탄성 다공성 합성수지 폼재를 일정길이 환형으로 형성한 외측환(52)과, 이 외측환(52)의 내측에 삽입되는 탄성 다공성 합성수지 폼재로 된 내측환(54)과, 상기 외측환(52)과 내측환(54) 사이에 개재되며 그 외면과 내면에 도전성 물질층(62)이 형성되어서 음을 방사하는 환형의 PVDF 필름(60)과, 상기 PVDF 필름(60)의 외면과 내면의 도전성 물질층(62)에 서로 다른 극으로 연결되어 전압을 인가함으로써 PVDF 필름(60)의 음 방사를 가능케 하는 리이드선(64)으로 이루어지는 환형 스마트 폼(50); 및 내측에 상기 환형 스마트 폼(50)이 수납되는 수납홈(72)을 갖춘 제1연결부(74)와, 이 제1연결부(74)로부터 상기 수납홈(72)보다 작은 내경으로 연장되는 제2연결부(76)로 이루어져서 상기 제1연결부(74)와 제2연결부(76)에 각각 덕트가 연결되는 홀더(70); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 덕트 내부의 소음을 능동 및 수동 제어함으로써 기존의 탄성 다공성 물질만을 이용한 수동 소음 제어의 단점을 극복할 수 있으며, 특히 종래에 풀러에 의해 제안된 플러그형 스마트 폼은 덕트 단면을 가로 막는 단점을 가지고 있기 때문에 실제 유체의 유동이 있는 덕트 내부에 적용이 불가능하였으나, 본 발명에 따른 환형 스마트 폼은 가운데 구멍이 뚫려 있는 환형의 탄성 다공성 합성수지 폼에 PVDF 엑츄에이터를 삽입한 환형 스마트 폼을 제공함으로써 실제 유체의 유동이 있는 덕트 내에 설치가능하면서 그의 소음 제어 성능도 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 환형 스마트 폼과 홀더로 이루어지는 조립체를 통하여는 소음제어를 필요로 하는 원형의 덕트내에 용이하게 장착할 수 있으면서, 유체의 유동에 변화를 주거나 방해를 주지 않으므로 보다 효과적인 소음제어가 가능하다.

Description

덕트 내부의 능동 소음 제어용 스마트 폼 및 그것을 구비한 조립체{SMART FOAM FOR ACTIVE NOISE CONTROL IN A DUCT AND AN ASSEMBLY PROVIDED WITH THE SAME}

본 발명은 덕트 내부의 능동 소음 제어용 스마트 폼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원형의 튜브내에 용이하게 장착할 수 있으면서 특히, 실제 유체의 유동이 존재하는 덕트내에서 보다 향상된 소음제어가 가능하도록 한 덕트 내부의 능동 소음 제어용 스마트 폼에 관한 것이다.

각종 기계장치에 부착되어 사용되고 있는 덕트 내부의 소음 문제는 소음에 대한 중요성이 증가 되면서 중요한 문제로 부각되고 있다. 지금까지 덕트 내부의소음 제어에는 차음재나 흡음재를 적용하거나 공명기와 같은 장치를 부착하여 해결하여 왔다. 그러나 이러한 방법들은 전자의 경우 감소되는 주파수 대역폭은 넓으나 저주파 영역에서의 감소정도가 낮으며 후자의 경우 제어 가능한 주파수 영역이 제한 되는 단점을 가지고 있다.

또한, 일반적으로 탄성 다공성 물질은 입사 된 음파의 에너지를 프레임을 이루고 있는 고체상과 다공 속에 들어 있는 유체(공기)상의 커플링과 관련된 마찰을 통해 소산 시킴으로써 소음을 감소 시킨다. 탄성 다공성 물질을 이용한 수동 소음 제어는 단지 소음원과 수음점 사이에 탄성 다공성 물질을 장착하여 흡음하는 방법인데, 이 방법은 구조가 간단하고 장착이 용이하여 비교적 저렴한 비용으로 설치할 수 있으면서 소음 감소 주파수 대역폭이 비교적 넓어 종래에 많이 사용되고 있기는 하나, 저주파 소음에 대해서는 거의 제어하지 못하는 단점을 가지고 있다.

이에 따라 새로운 개념의 소음 제어 방법이 요구되었고, 능동 소음 제어(ANC:active noise control)가 연구되었다. 능동 소음 제어의 기본 원리는 1936년 독일의 파울 루에그(Paul Lueg)에 의하여 제안되었으며, 이는 소음에 대하여 크기가 같고 위상차가 180도가 되는 제어음을 발생시킴으로써 소음을 감소시키는 것을 기본으로 하고 있다.

능동 소음 제어를 위해서는 제어 음원이 필요하며 보통의 경우에는 스피커가 많이 사용되고 있다. 그러나 스피커의 부착을 위해서는 덕트의 모양을 변경하거나 덕트의 일부분을 스피커를 장착하기 위한 공간으로 확보 해야 하는 제약이 생기게 된다.

풀러는 이러한 문제를 해결하기 위하여 기존의 탄성 다공성 폼에 PVDF필름(Polyvinylidene fluoride film)을 삽입하여 제어음을 발생시킬 수 있는 스마트 폼을 제안하였다. 삽입된 PVDF필름은 제어음을 발생시키기 위한 엑츄에이터 역할을 하게 되며 탄성 다공성 폼의 유체상과 고체상에 변형을 가하여 음을 발생시킨다. 따라서 스마트 폼은 기존의 탄성 다공성 물질이 가지는 수동 소음 제어의 장점과 능동 소음 제어의 장점 모두를 가지게 된다.

첨부도면 도 1 내지 도 2에는 Fuller에 의해 제안된 스마트 폼의 구성을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이 풀러의 스마트 폼(이하, '플러그형 스마트 폼'이라 칭함)은 원형의 탄성 다공성 합성수지 폼(Elastic porous synthetic resin foam)으로 된 상부 폼부재(10)와 하부 폼부재(20)의 대향면에 연속적인 반원 모양의 파상면(12)(22)을 형성하고, 그 파상면(12)(22) 사이에 음의 방사가 가능한 파상의 PVDF 엑츄에이터(30)를 개재시켜 접착제 등의 수단을 이용하여 고정시킨 구조로 되어 있다.

상기 PVDF 엑츄에이터(30)는 양면에 은(Ag)등의 도전성 물질층(34)이 균일하게 코팅된 파상의 PVDF필름(32)을 마련하고, 이 파상형 PVDF필름(32)의 반원과 반원 사이에서 상기 도전성 물질층(34)을 박리선(36) 형태로 벗겨내어 전기적으로 절연시킴으로써 4개의 서로 다른 독립적인 셀(Cell)을 이루도록 한 구조로 되어 있다.

이러한 플러그형 스마트 폼은 상,하부 폼부재(10)(20)로 이루어지는 탄성 다공성 물질에 반원 모양의 PVDF 엑츄에이터(30)를 장착하여 이웃하는 셀과 반대방향으로 전압을 가해 스피커와 같은 형태의 음이 방사되도록 함으로써, 저주파 영역에서는 PVDF 엑츄에이터(30)를 이용하여 능동 소음 제어를 가능케 하고, 고주파 영역에서는 탄성 다공성 물질에 의하여 수동 소음 제어가 가능하도록 한 것이나, 도시된 바와 같이 덕트(Duct)의 단면을 가로막는 형태이므로 실제 유체의 흐름을 가지는 덕트의 소음 제어에는 적용이 불가능한 단점을 가지고 있으며, 나아가 양 끝단을 고정(배플, Baffle)시켜주지 않을 경우 쌍극자(dipole)처럼 음이 방사하기 때문에 자유음장(Free field)에서 음방사효율이 급격히 떨어지는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 가운데 구멍이 뚫려 있는 라이닝 모양의 환형 탄성 다공성 폼에 PVDF 엑츄에이터를 삽입한 환형 스마트 폼(Ring type smart foam)을 제공함으로써 유동이 존재하는 덕트내에서의 능동 및 수동 소음제어에 이용할 수 있고, 음 방사 특성상 배플 되어 있지 않아도 단극자(Monopole)와 비슷하게 음을 방사하기 때문에 자유음장에서도 음방사 효율이 뛰어난 능동 소음 제어용 스마트 폼을 제공하데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 환형 스마트 폼을 원형의 덕트내에 용이하게 장착할 수 있는 구조로 된 스마트 폼을 구비한 덕트 내부의 능동 소음 제어용조립체를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 풀러가 제안한 플러그형 스마트 폼의 분리 사시도

도 2는 종래의 풀러가 제안한 플러그형 스마트 폼의 측면도 및 그의 PVDF 엑츄에이터 구성을 나타내는 도면

도 3은 본 발명에 의한 스마트 폼의 구성을 나타내는 분리 사시도

도 4는 본 발명에 의한 스마트 폼의 구성을 나타내는 단면도

도 5는 본 발명에 의한 스마트 폼과 이를 포함하는 조립체의 단면도

도 6은 스마트 폼의 소음 제어 성능 시험을 위한 시험장치를 나타내는 도면

도 7은 종래의 풀러가 제안한 플러그형 스마트 폼의 단일 주파수에서의 소음 제어 결과를 나타내는 그래프

도 8은 종래의 풀러가 제안한 플러그형 스마트 폼의 대역 주파수에서의 소음 제어 결과를 나타내는 그래프

도 9는 본 발명에 의한 스마트 폼의 단일 주파수에서의 소음 제어 결과를 나타내는 그래프

도 10은 본 발명에 의한 스마트 폼의 대역 주파수에서의 소음제어 결과를 나타내는 그래프

<도면의 부요 부분에 대한 부호의 설명>

50 : 환형 스마트 폼 52 : 외측환

54 : 내측환 60 : PVDF 필름

62 : 도전성 물질층 64 : 리이드 선

70 : 홀더 72 : 수납홈

74 : 제1연결부 76 : 제2연결부

78,80 : 나사부

상술한 목적을 실현하기 위하여 본 발명에 따른 덕트 내부의 능동 소음 제어용 스마트 폼은, 탄성 다공성 합성수지 폼재를 일정길이 환형으로 형성한 외측환; 상기 외측환의 내측에 삽입되는 탄성 다공성 합성수지 폼재로 된 내측환; 상기 외측환과 내측환 사이에 개재되며 그 외면과 내면에 도전성 물질층이 형성되어서 음을 방사하는 환형의 PVDF 필름; 및 상기 PVDF 필름의 외면과 내면의 도전성 물질층에 서로 다른 극으로 연결되어 전압을 인가함으로써 PVDF 필름의 음 방사를 가능케 하는 리이드선;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 스마트 폼을 구비한 덕트 내부의 능동 소음 제어용 조립체는, 탄성 다공성 합성수지 폼재를 일정길이 환형으로 형성한 외측환과, 이 외측환의 내측에 삽입되는 탄성 다공성 합성수지 폼재로 된 내측환과, 상기 외측환과 내측환 사이에 개재되며 그 외면과 내면에 도전성 물질층이 형성되어서 음을 방사하는 환형의 PVDF 필름과, 상기 PVDF 필름의 외면과 내면의 도전성 물질층에 서로 다른 극으로 연결되어 전압을 인가함으로써 PVDF 필름의 음 방사를 가능케 하는 리이드선으로 이루어지는 환형 스마트 폼; 및 내측에 상기 환형 스마트 폼이 수납되는 수납홈을 갖춘 제1연결부와, 이 제1연결부로부터 상기 수납홈보다 작은 내경으로 연장되는 제2연결부로 이루어져서 상기 제1연결부와 제2연결부에 각각 덕트가 연결되는 홀더; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면을 참조하여 보다 상세허게 설명한다.

첨부도면 도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 스마트 폼(이하, '환형 스마트 폼'이라 칭함)의 구성을 나타내는 것이다.

본 발명은, 종래에 덕트 내부에 통상적으로 구비하는 합성수지 폼상의 흡/차음재가 라이닝(Lining) 형태로 적용되는 것으로부터, 이의 라이닝 모양의 합성수지 폼 사이에 PVDF필름을 삽입한 형태의 환형 스마트 폼을 제공한다.

도시된 바와 같이 본 발명의 환형 스마트 폼(50)은 합성수지 폼재, 바람직하게는 폴리우레탄 폼을 일정길이의 환형으로 형성한 외측환(52)이 갖추어지고, 이 외측환(52)의 내측에 삽입되는 합성수지 폼재, 바람직하게는 폴리우레탄 폼을 환형으로 형성한 내측환(54)이 갖추어지며, 상기 외측환(52)과 내측환(54) 사이에 개재되며 그 외면과 내면에 도전성 물질층(62), 바람직하게는 은(Ag) 도금층이 형성되어서 음을 방사하는 환형의 PVDF 필름(60)이 갖추어지고, 상기 PVDF 필름(60)의 외면과 내면의 도전성 물질층(62)에 서로 다른 극으로 연결되어 전압을 가함으로써 PVDF 엑츄에이터(60)의 음 방사를 가능케 하는 리이드선(64)이 갖추어진 구조로 이루어진다.

본 발명에서는 상기와 같은 환형 스마트 폼(50)에서 PVDF 필름(60)의 외면과 내면을 서로 다른 극으로 연결함으로써 음의 방사가 가능해진다.

첨부도면 도 5는 본 발명의 환형 스마트 폼을 실제적인 덕트에 보다 쉽게 장착하여 보다 효과적으로 제어할 수 있도록 한 조립체를 나타낸다.

이 조립체(100)는, 내측에 상기 환형 스마트 폼(50)이 수납되는 수납홈(72)을 갖춘 제1연결부(74)와, 이 제1연결부(74)로부터 상기 수납홈(72)보다 작은 내경으로 연장되는 제2연결부(76)로 이루어져서, 상기 제1연결부(74)와 제2연결부(76)에 양측의 덕트(2)(4)가 각각 연결되는 홀더(70)를 포함하여, 이의 홀더(70)의 수납홈(72)에 상기 환형 스마트 폼(50)이 수납(삽입)되어 구성된다.

바람직하게, 상기 환형 스마트 폼(50)의 내경과 상기 홀더(70)의 제2연결부(76) 내경은 동일한 직경으로 이루어지도록 하고, 보다 바람직하게는 상기 환형 스마트 폼(50)의 내경과 상기 홀더(70)의 제2연결부(76) 내경 및 덕트의 내경이 모두 동일한 직경으로 이루어지도록 하여, 덕트 내부의 단면 변화로 인한 유동의 불균일 및 음장의 불규칙한 변화를 최소화하여 정확한 제어가 가능토록 한다.

한편, 상기 홀더(70)의 제1연장부(72) 및 제2연장부(74) 외주에 덕트(2)(4)와 결합되기 위한 나사부(78)(80)가 갖추어져서, 상기 덕트(2)(4)측의 나사부(2a)(4a)와 나사결합되도록 하고 있다.

이러한 본 발명의 조립체(100)는 연속되는 덕트의 일중간을 분리하여 상기 홀더(70)의 양측단을 연결하는 것으로 간편하게 설치할 수 있다.

이하, 상기와 같이 이루어진 본 발명의 『환형 스마트 폼』과 풀러가 제시한 종래의 『플러그형 스마트 폼』을 비교하기 위하여 덕트 내부의 소음제어 성능을 실험한 시험예를 설명한다.

<시험예>

(가) 시편

(가)-1. 플러그형 스마트 폼

플러그형 스마트 폼은 풀러가 제안한 형태를 그대로 재현하여 제작하였으며, 그의 전체적인 형태는 앞서 도 1 및 도 2를 통하여 설명한 바와 같다.

본 시험에서는 단면의 지름이 10cm, 폭 4cm인 탄성 다공성 폴리우레탄 폼에 연속적인 반원 모양의 가공을 하여 그 사이에 PVDF 필름을 장착하였다. 폼의 고체상과 PVDF 필름의 커플링을 보다 크게 하기 위해 반원 모양의 크기는 폼의 두께가 허용할 수 있는 범위 내에서 큰 값으로 정하였고 반지름이 약 1.3 cm가 되도록 하였다. 엑츄에이터 구동 시 가해지는 높은 전압에 견딜 수 있도록 균일하게 은(Ag)이 입혀진 두께 28㎛의 PVDF 필름을 사용하였다.

탄성 다공성 폴리우레탄 폼 사이에 삽입된 PVDF 엑츄에이터의 형상은 앞서 설명한 도 2에 도시된 바와 같은 모양을 적용하였다. 즉, 필름(32)의 위 아래면에 입혀진 은(Ag)을 박리선(36)을 통해 전기적으로 절연시켜 4개의 독립적인 셀 구조를 갖게 하였다. 여기에 이웃 하는 셀(cell)과 반대 방향으로 전압을 가해 주어 쌍극자 형태의 음원 방사 특성을 피하게 되어 음의 상쇄 없이 효율적인 음의 방사가가능하면서 탄성 다공성 폴리우레탄 폼에 반원 모양의 형태로 장착되어 스피커와 같은 형태의 음의 방사가 가능케 된다.

PVDF 필름과 전선은 전도성을 가지는 구리 테잎을 사용하여 연결 하였으며 전압의 효율적인 전달을 위하여 전도성 잉크를 발라주었다. 발생된 음이 탄성 다공성 폴리우레탄 폼에 흡수되어 감소되는 것을 방지하고 탄성 다공성 폴리우레탄 폼의 고체상과 PVDF 필름의 커플링이 잘 이루어지도록 하기 위하여 접착제를 이용하여 고정시켰다.

(가)-2. 환형 스마트 폼

본 발명에 의한 환형 스마트 폼은 이미 도 3 및 도 4에서 설명된 것과 동일한 형태의 스마트 폼으로서, 탄성 다공성 폴리우레탄 폼으로 된 외,내측환(52)(54)과 PVDF 필름(60)을 포함하는 환형 스마트 폼으로서, 스마트 폼으로 인한 단면 변화와 이로 인한 음장의 변화를 작게 하기 위하여 환형 스마트 폼의 내부 직경이 10cm가 되도록 제작하였으며, 폭은 4cm로 전술한 플러그 형 스마트 폼과 동일하게 제작하였다. PVDF 엑츄에이터의 형상은 필름의 윗면과 아래면을 서로 다른 극으로 연결한 형태로 적용하였다.

(나) 실험 장치

전체적인 실험 장치 구성은 첨부도면 도 6과 같다.

앞서 기술한 형태로 만들어진 두 가지 모양의 스마트 폼을 덕트 내부에 위치시켜 소음 제어를 해보았다. 실험에 사용된 덕트는 BK 임피던스 측정 튜브(Type 4206)를 기본으로 하여 동일한 직경을 가진 여러 개의 튜브를 조합하여 길이를 연장한 내경 10cm인 원형 덕트이다. 길이의 연장을 위해 사용된 튜브는 매끄럽게 표면이 처리 되어 표면 거칠기로 인한 음장의 변화를 최소화 하였다. 환형 스마트 폼을 이용한 소음 제어시에는 스마트 폼을 덕트 내부에 장착하기 위하여 도 5를 통하여 이미 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 특별히 제작된 샘플 홀더를 이용하였으며, 샘플 홀더의 내경이 10cm가 되게 하여 단면 변화로 인한 영향을 최소화 하였다. 샘플 홀더로 인한 길이 변화는 튜브를 적절히 조합하여 덕트의 전체적인 길이가 동일하도록 조절하였다. 덕트의 첫번째 고차모드에 대한 차단 주파수(cut-off frequency)는 약 1620 Hz이고 음향학적으로 단단하다고 가정하였다. 덕트의 한쪽 단은 주소음원이 되는 스피커가 달려 있어 막혀(closed) 있고, 다른 쪽 단은 열린(Open) 형태이다. 주소음을 발생시키기 위한 스피커는 선형성을 유지하는 범위에서 작동시켰으며 이에 필요한 신호는 퍼스널 컴퓨터에서 발생시켰다. 주소음 발생용 스피커와 제어 음원 사이의 거리는 110 cm이며 오차 마이크로폰은 제어 음원으로부터 충분히 떨어진 210 cm에(주소음 발생용 스피커에서 오차 마이크로폰 까지 거리) 위치시켰다.

덕트 내부의 소음 제어 실험은 우선 단일 주파수 소음 제어를 통하여 소음 가능성을 확인하였다. 그러나 대부분의 소음이 여러 주파수가 혼재한 대역 주파수 소음이므로 실질적인 성능 검증을 위하여 대역 주파수 소음 제어도 수행하였다.

각각의 실험에서 제어효과의 비교는 오차 마이크로폰에서 측정된 음압의 파워 스펙트럼의 변화를 기준으로 하였다. 스마트 폼을 장착하지 않은 상태에서 주 소음만 작동하였을 경우 오차 마이크로폰에 측정된 음압의 파워 스펙트럼을 측정하여 이를 기준으로, 스마트 폼을 장착하고 제어를 하였을 때와 제어를 하지 않았을 경우의 오차 마이크로폰의 음압 파워 스펙트럼의 변화를 측정하여 비교하였다. 단 환형 스마트 폼의 경우 스마트 폼을 장착하지 않았을 경우에는 단면 변화가 생기므로 제어 전후의 효과만을 고려하였다.

덕트 내부의 소음 제어를 위해 최소 자승 오차법(Filtered-x LMS Algorithm)을 이용한 적응 제어 방법이 적용되었다. 제어 과정은 퍼스널 컴퓨터에 장착된 dSPACE사의 ds1103 보드를 사용하여 수행하였으며, 이를 통하여 실험 데이터의 수집과 주소음 및 제어 신호를 발생시켰다. 탐지 마이크로폰은 사용하지 않았으며 기준 신호는 제어 주파수 영역을 발생시키기 위해 사용된 신호를 PC로부터 직접 받아 사용하였다. 최소 자승 오차법을 구현함에 있어서 제어 신호와 오차 마이크로폰에서 측정되는 제어음 신호 사이의 관계 규명이 선행되어야 하는 바, 이를 상쇄 경로(Cancellation Path)라고 하며 이의 추정은 LMS 방법을 이용하여 오프 라인상에서 추정하였다.

(다) 플러그형 스마트 폼을 이용한 덕트 내부의 소음 제어 시험 결과

앞서 설명한 바와 같이, 풀러에 의해 제안된 스마트 폼과 동일한 형태의 스마트 폼을 제작하고 이를 덕트 내부의 소음 제어에 적용하여 보았다. 단일 주파수와 대역 주파수를 발생시키고 오차 마이크로폰 위치에서 소음 제어를 통하여 스마트 폼의 소음 제어 가능성을 살펴 보았다.

(다)-1. 단일 주파수 소음 제어 결과

스마트 폼의 소음 감소 성능을 검증해 보기 위하여 저주파와 고주파 각각의 경우에 대하여 실험을 하였다. 저주파 영역은 300 Hz와 400 Hz에서, 고주파 영역은 750 Hz와 1500 Hz에서 각각 실험 하였다.

도 7은 플러그형 스마트 폼의 단일 주파수에서의 소음 제어 결과를 나타내고 있다. 단순히 탄성 다공성 폼을 이용한 수동 소음 제어의 경우 저주파에서는 그 효과가 거의 없었으며, 고주파 영역의 경우 약 5 dB 정도의 소음 감소를 보이고 있다. 그러나 스마트 폼을 이용한 능동 소음 제어의 경우에는 약 10~ 40 dB정도의 소음 감소를 보이고 있다. 이를 통하여 플러그형 스마트 폼을 이용하여 단일 주파수의 소음 제어가 가능함을 확인 할 수 있었다.

(다)-2. 대역 주파수 소음 제어 결과

중심 주파수가 600 Hz이고 밴드폭이 100 Hz인 대역 소음과 중심 주파수가 900 Hz이고 밴드폭이 200 Hz인 대역 소음을 이용하여 플러그형 스마트 폼의 대역 주파수 소음 제어 성능을 검증하여 보았다.

이에 대한 소음 제어 결과는 도 8과 같다.

소음 제어 결과를 살펴보면 관심 주파수 영역을 중심으로 소음감소가 이루어 졌으며 약 10 ~40 dB 정도의 소음 감소를 보이고 있다. 전체적으로 주소음에 비해음압이 감소되고 있으며 국부적인 영역에서 약간의 음압 상승이 있으나 상승치가 주소음보다 작으므로 능동 소음 제어로 인한 성능 감소는 무시할 수 있다고 생각된다. 이상의 결과들을 통하여 스마트 폼을 이용한 덕트 내부 능동 소음제어가 가능함을 확인 할 수 있었다.

(라) 환형 스마트 폼을 이용한 덕트 내부의 소음 제어 시험 결과

유체의 유동이 있는 실질적인 덕트 내부의 소음 제어를 위하여 제안된 본 발명의 스마트 폼에 대한 소음 제어 성능을 알아 보기 위하여 앞선 플러그형 스마트 폼과 동일한 조건으로 실험을 수행하였다.

덕트 내부에 환형 공간을 만들기 위하여 앞서 설명한 바와 같이 특별히 제작된 샘플 홀더가 사용되었으며, 샘플 홀더로 인한 길이 변화는 없도록 하였다. 샘플 홀더만을 장착하여 주소음 신호만을 측정하였을 경우에는 스마트 폼이 위치하는 부분에서 단면 변화가 생기므로 정확한 주소음의 음압 측정이 불가능 하였다. 따라서 환형 스마트 폼의 경우에는 탄성 다공성 폼을 이용한 수동 제어와 스마트 폼을 이용한 능동 소음 제어 결과의 비교를 통하여 스마트 폼의 덕트 내부 소음 제어 성능을 확인하여 보았다.

(라)-1. 단일 주파수 소음 제어 결과

도 9는 환형 스마트 폼의 단일 주파수에서의 소음 제어 결과를 보여 주고 있다. 환형 스마트 폼을 이용한 능동 소음 제어의 경우 수동 소음 제어 보다 저주파와 고주파 영역 모두에서 약 20~ 50 dB정도의 소음 감소 효과가 있음을 보여 주고 있다. 환형 스마트 폼의 경우 제작된 스마트 폼이 플러그형 스마트 폼보다 저주파 영역에서 음의 가진 효율이 좋았기 때문에 저주파 영역에서 좀더 나은 소음 감소 효과를 얻을 수 있었다. 또한 주소음 신호가 단일 주파수이므로 적응 필터를 통하여 충분히 예측 가능하였기 때문에 위와 같을 결과를 얻을 수 있었다. 시스템 모델링 필터에는 300차, 상쇄 경로 필터에는 50차의 FIR 필터를 사용하였다. 이는 덕트 양단에서의 음의 반사(음향 궤환,acoustic feedback)로 인한 오차 신호의 변화와 제어 입력에 의한 스마트 폼의 임피던스 변화 등으로 인한 영향들이 시스템 모델링 필터에 반영되어 필터의 차수가 보통의 경우보다 큰 값이 필요하게 되었다. 수렴상수는 수렴속도와 안정도를 고려하여 조정하였으며, 일반적으로 수렴계수가 크면 수렴속도가 빨랐으나, 너무 큰 값(0.1 < μ< 1)은 시스템의 불안정을 유발하기도 하였다.

(라)-2. 대역 주파수 소음 제어 결과

환형 스마트 폼의 대역 주파수 소음 제어 성능 검증에는 중심 주파수가 500 Hz이고 밴드폭이 100 Hz인 대역 소음과 중심 주파수가 900 Hz이고 밴드폭이 200 Hz인 대역 소음을 이용하였다.

이에 대한 소음 제어 결과는 도 10과 같다.

플러그형 스마트 폼의 소음 제어 결과처럼 관심 주파수 영역을 중심으로 소음감소가 이루어 졌으며 약 10 ~ 20 dB 정도의 소음 감소를 보이고 있다. 관심 주파수 영역이 대역 주파수이므로 이에 대한 예측은 앞의 단일 주파수의 경우보다 어렵다. 또한 앞서 언급한 음향 궤환과 스마트 폼의 제어 과정 중의 임피던스 변화도 고려되어야 한다. 따라서 이런 것들이 충분히 반영되려면 필터 계수의 차수가 증가하여야 할 것이다. 그러나 ds1103보드의 실시간 처리 능력한계로 인하여 대역 주파수 소음제어에는 시스템 모델링 필터에 500차, 상쇄 경로 필터에는 100차의 FIR 필터를 사용하였다. 이로 인하여 대역 주파수 소음 제어의 결과는 단일 주파수 소음 제어보다 소음 감소 폭이 작았다. 국부적인 영역에서는 수동 소음 제어의 경우보다 약간의 음압 상승이 됨을 볼 수 있었다. 그러나 플러그형 스마트 폼의 실험 결과를 통하여 확인하였듯이 음압의 상승이 주소음의 음압보다 크지 않으며 상승 폭이 전체적인 소음 감소 폭보다 작음을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 덕트 내부의 소음을 능동 및 수동 제어함으로써 기존의 탄성 다공성 물질만을 이용한 수동 소음 제어의 단점을 극복할 수 있으며, 특히 종래의 플러그형 스마트 폼은 덕트 단면을 가로 막는 단점을 가지고 있기 때문에 실제 유체의 유동이 있는 덕트 내부에 적용이 불가능하였으나, 본 발명에 따른 환형 스마트 폼은 가운데 구멍이 뚫려 있는 환형의 탄성 다공성 합성수지 폼에 PVDF 엑츄에이터를 삽입한 환형 스마트 폼을 제공함으로써 실제 유체의 유동이 있는 덕트 내에 설치가능하면서 그의 소음 제어 성능도 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 환형 스마트 폼과 홀더로 이루어지는 조립체를 통하여는 소음 제어를 필요로 하는 원형의 덕트내에 용이하게 장착할 수 있으면서, 유체의 유동에 변화를 주거나 방해를 주지 않으므로 보다 효과적인 소음제어를 가능케 한다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 탄성 다공성 합성수지 폼재를 일정길이 환형으로 형성한 외측환(52)과, 이 외측환(52)의 내측에 삽입되는 탄성 다공성 합성수지 폼재로 된 내측환(54)과, 상기 외측환(52)과 내측환(54) 사이에 개재되며 그 외면과 내면에 도전성 물질층(62)이 형성되어서 음을 방사하는 환형의 PVDF 필름(60)과, 상기 PVDF 필름(60)의 외면과 내면의 도전성 물질층(62)에 서로 다른 극으로 연결되어 전압을 인가함으로써 PVDF 필름(60)의 음 방사를 가능케 하는 리이드선(64)으로 이루어지는 환형 스마트 폼(50); 및

   내측에 상기 환형 스마트 폼(50)이 수납되는 수납홈(72)을 갖춘 제1연결부(74)와, 이 제1연결부(74)로부터 상기 수납홈(72)보다 작은 내경으로 연장되는 제2연결부(76)로 이루어져서 상기 제1연결부(74)와 제2연결부(76)에 각각 덕트가 연결되는 홀더(70); 로 구성되는 것을 특징으로 하는 환형 스마트 폼을 구비한 덕트 내부의 능동 소음 제어용 조립체.
5. 제4항에 있어서,

   상기 환형 스마트 폼(50)의 내경과 상기 홀더(70)의 제2연결부(76) 내경은동일한 직경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 환형 스마트 폼을 구비한 덕트 내부의 능동 소음 제어용 조립체.
6. 제4항에 있어서,

   상기 환형 스마트 폼(50)의 내경과 상기 홀더(70)의 제2연결부(76) 내경 및 덕트의 내경이 모두 동일한 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 환형 스마트 폼을 구비한 덕트 내부의 소음 제어용 조립체.
7. 제4항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 홀더(70)의 제1연장부(72) 및 제2연장부(74) 외주에 덕트와 결합되기 위한 나사부(78)(80)가 갖추어지는 것을 특징으로 하는 환형 스마트 폼을 구비한 덕트 내부의 능동 소음 제어용 조립체.