KR100503839B1 - 소음감축 확산기 - Google Patents

Abstract

가압된 가스가 노즐을 통하여 배출될 때 생성되는 음향에너지를 감소시키는 소음감축 확산기는 가스노즐의 유출구에 부착된 각각의 단부에 개구를 구비하는 긴 엔클로저로 이루어진다. 특히 소음원으로부터의 거리, 유효직경 및 길이 등의 엔클로저의 치수는, 음향에너지의 길이방향 성분의 일부를 증대된 방사상 성분으로 변환하여 변환된 방사상 성분이 긴 엔클로저의 벽에 반복하여 접촉함으로써 방산될 수 있게 하여 특정적으로 배출가스에 의해 발생되는 가청소음을 제거하도록 선택된다.

Description

소음감축 확산기

본 발명은 가스분배시스템의 노즐을 통하여 가스가 통과한 후와 같은 소음원에 의해 발생된 가청(可聽) 소음을 감축하는 장치 및 기술에 관한 것이다.

지하이거나, 수중에서, 고지대 또는 심지어 우주공간에서의 밀폐된 환경에서, 가스분배시스템은 종종 작은 배출 노즐을 통해 주변 환경으로 방출되는 가스를 수용하는 압력탱크로 구성된다. 상기 노즐은 1/12인치 이하의 직경을 가질 수 있다. 예를 들면 질소 또는 산소와 같은 가스의 흐름이 100psi(인치당 파운드) 이상의 탱크 내부압력에 의해 밀려나서 0 내지 약 14.7psi 사이의 외부 대기압으로 배출된다. 이러한 압력차는 초음속 기류를 발생시키게 되고, 가스가 노즐을 빠져나갈 때 경적음(whistling sound)을 야기하는 충격파 파괴음을 일으기게 된다. 사람의 귀에 가장 잘 들릴 수 있는 범위인 65∼8000Hz에서, 이 소음은 80dB 이상의 음량에 도달할 수 있다.

그러한 소음수준은 노즐 근처에 있는 사람이라면 누구에게나 정신을 산란시킨다. 또한, 소음원에서 감소시키지 않으면, 그 소음은 먼 거리로 전달되어 밀폐환경내의 다른 사람을 괴롭힐 수 있다. 따라서, 가스분배시스템의 소음원 또는 그 근거리 내에서 가스분배시스템과 관련한 소음수준을 감소시키기 위한 노력이 계속되어 왔다. 그러한 노력은 이제까지 완전한 성공을 거두지 못하고 있다.

종전의 시스템은 소음을 줄이는 노력으로서, 음파의 통로내부로 배플(baffle)이 연장하여 있는 머플러 등의 기법을 채택하였다. 음파가 상기 배플과 접촉하면, 배플은 진동을 통해 에너지를 방산(放散)하여 음파는 그 에너지의 일부를 잃게된다. 그러나 배플과의 에너지 교환은 매우 효율적이지 못하고; 또한 배플이 가청 주파수의 넓은 범위에 걸쳐 음향에너지와 효과적으로 상호작용하도록 배플의 치수를 변경하는 것은 어렵기 때문에, 머플러는 소음감축에 그다지 효과적이지 못하였고, 특히 불행하게도, 사람의 청각에 가장 고통을 주는 주파수 범위인 약 1250∼8000Hz의 가청범위인 고주파대에서 효과가 별로 없었다.

따라서, 가스분배시스템에서 일반적으로 발견되는 것과 같은 소음원에서 보다 효과적이고 즉각적으로 음향에너지를 감소시킬 필요성이 존재해 왔다.

가스분배노즐과 같은 소음원으로부터 전파되는 음파는 길이방향 성분, 방사상(횡단방향) 성분 및 접선방향 성분을 갖는다. 본 발명은 충격파에 의해 발생한 음향에너지의 대부분을 강제로 방사상 성분으로 변형시키고, 이어서 그 에너지는 엔클로저(enclosure)의 벽과의 다중 접촉을 통해 열에너지로서 방산될 수 있게 함으로써 그러한 음파와 관련된 소음을 감소시킨다.

음파가 엔클로저를 통하여 이동할 때, 그 엔클로저는 최소한 파장의 1/4(λ/4)의 유효직경을 가질 필요가 있고, 그렇지 않으면 음파는 왜곡될 것이다. 본 발명은 가스노즐과 같은 소음원의 하류에서 발생한 음파를 λ/4보다 작은 유효직경, 바람직하게는 λ/4보다 훨씬 작은 유효직경을 갖는 엔클로저 속으로 유도함으로써, 음파를 왜곡시키고 강제로 그 형태를 바꾼다. 또한, 엔클로저는 소음원으로부터 λ/4 이내의 거리에서 출발하여야 한다. 변형된 음파는 길이방향 성분이 감소하고 방사상 성분이 증가하여, 그 결과 음파가 엔클로저의 원격단에 도달하기까지 엔클로저 내면에 반복적으로 충돌하고, 엔클로저의 내벽면을 가열함으로써 엔클로저에서 배출될 때에는 그 에너지의 대부분을 상실하게 된다.

따라서, 본 발명은 소음원으로부터 발산되는 가청 음파에너지를 허용가능한 수준으로 감소시키는 장치를 제공한다. 상기 장치는, 음파에너지를 수용하는 위치에 배설되고, 상기 음파에너지의 길이방향 성분의 일부를 음파에너지의 증량된 방사상 성분으로 변형시키게 되어 있는 긴 엔클로저와, 음파에너지의 방사상 성분의 일부를 흡수하게 되어 있는 상기 긴 엔클로저용 벽을 포함한다.

본 발명의 특히 바람직한 적용에 있어서, 확산기(diffuser)는 배출가스가 발생하는 음향에너지를 최소화하기 위해 가스노즐의 바로 하류(최소화시키고자 하는 음파의 파장의 1/4 이내)에 배설할 수 있다. 확산기의 직경은 최소화시키고자 하는 음파의 파장의 1/4보다 작다. 확산기는 더 나은 음의 최소화를 위해 각을 이루거나 절곡될 수 있고, 또는 여러 개의 가스노즐이 동일 확산기를 공유할 수 있는 형상을 가질 수 있다.

본 발명은 또한 소음원으로부터 음파에너지의 일부를 흡수하는 방법을 제공한다. 그 방법은 음파에너지의 길이방향 성분의 일부를 증량된 방사상 성분으로 변형하는 단계를 포함한다. 다음에 본 발명에 의한 방법은 표면을 상기 음파에너지의 증량된 방사상 성분과 상호작용하도록 위치시켜서 그 에너지성분의 최소한 일부를 방산하는 단계를 포함한다.

본 발명은 소음 또는 많은 음파에너지의 소스와 관련된 다른 파열음을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 특히 바람직한 적용은 노즐을 통한 가스분배와 관련된 소음을 감소시키기 위한 것이다.

도 1은 질소 또는 산소와 같은 가스를 압력하에 수용할 수 있는 탱크(10)를 구비한 일반적인 가스 하우징을 나타낸다. 가압된 가스는 노즐(12)을 통하여 탱크로부터 유출될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시에를 나타내는 확산기(20)는 그 출구로부터 바로 하류(최소화시키고자 하는 음파의 파장의 1/4 이내)에서 노즐에 부착된다. 이 실시예에서 확산기는 긴 원통형 튜브의 형태로 되어 있어 노즐출구로부터 노즐을 빠져나가는 가스의 유출방향과 대체로 평행인 방향으로 연장한다. 확산기의 양단은 확산기를 통하여 가스가 유통하도록 개방되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 노즐출구에 바로 인접한 확산기의 일단(22) 즉 입구부(mouth)는 노즐의 가장 좁은 직경보다 넓다. 확산기의 유효직경은 정상적으로 노즐의 유효직경보다 넓어야 하고 그로써 노즐은 지속하여 가스 유속을 제어하고 충격 파손에 기인하는 소음의 소스로 잔존하게 된다. 확산기의 입구부의 위치는 유출가스에 의해 발생되는 음파가 온전히 확산기 내부로 향하도록 확실히 해준다. 음파가 그와 같이 유도되는 것을 보장하기 위해, 확산기의 입구부는 소음이 발생되는 위치인 노즐로부터 λ/4 이내의 거리에 위치해야 한다. 본 발명에서는 확산기를 노즐에 바로 인접하게 위치시키는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에서, 확산기는 도 3에 나타낸 바와 같이 노즐에 부착된다. 확산기는 포장재료(encasing material)(30)에 용접되어 정위치에 고정된다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 용접부(brazing)(32)는 엔클로저(20)의 외부표면상에 있다. 이와 같은 방식으로 확산기를 부착하는 것은 용접부가 유출가스의 질량 유속에 방해가 안되도록 보장한다. 현재로서 용접이 바람직하지만, 확고한 부착을 이루고 가스 흐름을 방해하지 않는 방법이면 어느 것이라도 허용될 수 있다. 다른 실시예에서, 확산기는 단일의 연결된 유닛을 형성하는 노즐자체의 일체형 부분으로서 결합될 수 있다. 충격 파손은 가스가 높은 탱크압력으로부터 낮은 주변압력으로 흐르는 곳에서 여전히 일어날 수 있으므로, 본 발명에 따라, 적합한 폭과 길이의 요구조건으로 변형하는 단일 노즐-확산기유닛은 소음레벨을 감소시킬 것이다.

확산기의 폭은 여러 가지로 고려되어야 한다. 확산기는 노즐에서 발생하는 음파 전체를 포착하면서 가스의 질량 흐름을 방해하지 않도록 충분히 넓어야 한다. 또한, 확산기는 충분한 음향소실을 달성할 수 있도록 작은 유효직경을 가져야 한다. 유효직경은 음파의 재구성을 야기하도록 λ/4보다 작아야 하고, 바람직하게는 만족할만한 소음감소를 달성하기에 충분히 재구성하도록 λ/4보다 훨씬 작아야 한다.

음파는 길이방향 성분, 방사상 성분 및 접선방향 성분을 갖는다. 길이방향 성분은 가스흐름과 동일한 방향으로 전파되는 부분이다. 여기에서 길이방향의 전파방향은 튜브의 하류 길이방향이다. 방사상 성분은 가스 유출방향에 직교방향으로 전파한다. 여기에서 전파방향은 확산기의 중심으로부터 확산기의 벽을 향하여 반경방향으로 외향하는 것이다.

음파가 그 파장의 1/4보다 작은 유효직경을 갖는 확산기를 통과하여 흐를 때, 음파의 길이방향 에너지의 일부는 좁은 직경에 의해 "컷오프"되어 방사상 음파에너지로 변형된다. 방사상파는 확산기를 통하여 전파되는 동안 확산기의 내벽에 충돌하여 열로 변환되고, 그럼으로써 음파의 총 에너지(및 체적)가 저하된다.

노즐의 직경이 0.32인치인 실시예에서, 직경이 0.052인치인 확산기에 의하여 음향의 감축과 방해받지 않는 유속과의 사이에서 만족스러운 균형이 얻어졌다. 대부분의 적용에 있어서, 확산기의 혀용가능한 유효직경은 결합되는 노즐보다 125% 내지 175% 더 넓을 것으로 예상된다. 또한 확산기의 유효직경이 노즐보다 150% 더 넓은 것이 가장 바람직할 것으로 예상된다. 확산기의 유효직경은 소음(消音)되어야 할 음향에너지의 주파수범위 및 확산기가 사용되어야 하는 용도에 따라 변경될 수 있다.

확산기의 길이는 또한 여러 가지로 고려되어야 한다. 확산기는 충분한 소음감축을 이루도록 충분히 길어야 하지만 그 주위의 어느 것도 방해할 만큼 길면 안된다. 노즐의 직경이 0.032인치인 실시예에서, 확산기는 소음수준을 유용하게 감소시키도록 그 길이를 약 1인치로 할 필요가 있으나, 바람직한 길이는 약 2인치와 6인치 사이이고, 현재로서는 3인치인 것이 가장 바람직하다. 확산기의 최대길이는 공간 및 비용과 같은 주로 외부적인 고려에 의해 제한된다.

확산기는 음향흡수특성이 충분한 것이면 어떤 재료로도 만들어질 수 있다. 본 발명의 실시예는 347 오스테나이트계(austenitic) 스텐레스강으로 만들어진 확산기를 사용한다. 그러나, 다른 음향흡수특성 또는 다른 환경을 위해 상이한 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 음향흡수가 적을 경우, 확산기는 알루미늄으로 만들어질 수 있고, 흡수가 더 많을 경우는 티타늄으로 만들어질 수 있다. 배출되는 가스가 매우 부식성인 경우에, 확산기는 인코넬(Inconel)합금과 같은 내식성 재료로 제조될 수 있다.

해당되는 에너지흡수는 확산기의 내표면이 적게 가열되고 표면현상에 국한되도록 일어나야 한다. 따라서, 확산기의 재질은 대부분의 적용에서 내열성일 필요는 없고 확산기의 벽두께는 외부의 구조적 고려를 제외하고는 문제되지 않는다. 또한, 확산기는 가스에 미치는 외부온도가 문제되지 않는 한 대부분의 적용에서 절연될 필요가 없다.

확산기는 도 1에 나타낸 바와 같이 임의의 종래 방식으로 이음매없는(seamless) 직선관으로 제조될 수 있으나, 굴곡부, 각부(角部) 또는 곡선부(50)는 음향에너지의 손실을 증가시킨다. 도 4 내지 도 7은 확산기에 대한 가능한 다른 구조를 나타낸다. 또한, 엔클로저가 반드시 원통형 튜브일 필요는 없다. 그것은 임의의 실제적인 외형을 가질 수 있고, 요구되는 음향 처리를 충분히 실행할 만큼 내부 유효직경이 작다면 임의의 실제적인 내부형상을 가질 수 있다.

도 9는 가스분배시스템과 함께 사용되는 본 발명에 의한 두 개의 확산기를 나타낸다. 각각의 확산기(20)는 노즐(도시되지 않음)에 연결되고, 각 노즐은 커넥터(64)를 통하여 별도의 가스탱크에 결합된다. 상기 확산기는 하우징(62)에 의하여 손상되지 않도록 보호된다. 두 개의 확산기의 유출구는 모두 동일한 배출용 피팅(fitting)(60)이다. 대안으로서, 확산기는 다중 노즐에 연결되는 형태를 취할 수 있어서, 유입되는 가스를 받아들이고 각 노즐에서 발생된 소음을 제거한 후 하나의 개구(22)를 통하여 가스혼합물을 유출시킨다(도 8 참조). 또 다른 구성에서 여러 개의 확산기가 병렬로 결합되어 저소음 및 대량의 질량유속을 필요로 하는 시스템을 취급한다.

도 10은 덮개가 없는 노즐로부터 배출되는 가스의 외부 소음수준(100)(데시벨(dB) 단위로 측정됨)과, 머플러를 구비한 동일한 형태의 노즐로부터 배출되는 가스의 외부 소음수준(102)과, 공간적용에 대한 정부추천의 최대 소음수준 곡선(104)을 나타내는 그래프이다. 정부추천은 NC-40으로 칭해지는 것으로 40dB 이하의 소음수준은 대부분의 사람에게 감지될 수 없다는 사실에 근거한다. 도 10의 그래프로 나타낸 각각의 예에서, 가스는 직경이 0.032인치인 노즐을 통하여 약 100psi의 압력으로부터 대기압으로 방출되었다. 두 가지 예에서, 소음수준은 가청범위의 가장 고통을 주는 부분에서 허용가능한 수준을 훨씬 넘어서는 것으로 측정되었다. 종래의 머플러는 허용가능 수준의 범위에서 소음수준을 감소시키는 데에 거의 기여하지 못하였다.

도 11은 도 10의 그래프를 만드는 데 사용된 것과 동일한 형태이나 본 발명에 따른 확산기를 구비하는 노즐로부터 배출되는 가스의 외부 소음수준(측정단위 dB)의 그래프(106)이다. 여기에서도 가스는 직경이 0.032인치인 노즐을 통하여 약 100psi의 압력으로부터 대기압으로 방출되었다. 확산기는 2개의 굴곡이 있고 직경이 0.052인치이며 길이가 3인치인 원통형 튜브였다. 본 발명의 확산기와 함께 상기 노즐은 상기 덮개 없는 노즐이나 머플러를 구비한 노즐보다 훨씬 낮은 수준의 외부 소음을 발생하였다. 2000Hz에서 상기 덮개 없는 노즐은 약 70dB의 소음수준(110)을 발생하는 것을 참조할 것이다(도 10). 본 발명에 따른 확산기를 추가할 경우, 2000Hz에서의 소음수준은 약 40dB로 떨어진다(116)(도 11). dB은 상용대수 스케일이므로, 첫 번째 음향보다 낮은 36dB의 소음수준의 음향은 상기 제1 음향보다 64배 낮은 실제 강도를 갖는다.

본 발명의 적용은 어느 특정의 산업에 한정되지 않는다. 제어된 가스의 방출을 수반하는 임의의 적용은 이상과 같이 설명된 본 발명을 활용하는 확산기로부터 혜택을 받을 수 있다. 병원과 제조설비에서는, 개별적인 압축가스의 노즐로부터 발생되는 소음을 감소시키기 위해 상기 확산기를 단일로 사용하거나 대량의 가스분배공정을 취급하기 위해 복수 개를 조합하여 사용할 수 있다. 항공우주산업, 자동차산업 또는 정기항공산업은 객실 공기의 분배시스템으로부터 발생되는 소음을 감소시키기 위해 확산기를 사용할 수 있다. 엔진의 배출가스에 의한 소음도 본 발명의 사용을 통해 최소화될 수 있다.

여기에서 본 발명의 소음감축 확산기의 한정된 실시에를 설명하고 예시하였으나, 당업자에게 많은 변형 및 변경이 명백할 것이다. 따라서 첨부하는 특허청구의 범위내에서 본 발명의 소음확산기는 여기에서 특정적으로 설명된 것과 다른 실시형태를 취할 수 있음을 이해할 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 탱크, 노즐 및 소음감축 확산기의 단면개략도이다.

도 2는 가스가 탱크말단으로부터 노즐을 거쳐 부착된 소음감축 확산기로 흘러 들어가는 것을 나타내는 단면개략도이다.

도 3은 노즐 및 확산기의 확대단면도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 굴곡된, 즉 각을 이룬 확산기의 측면도이다.

도 5는 도 4의 굽은 확산기의 정면도이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 두 개의 둔각부를 갖는 확산기의 측면도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 나선형, 즉 코일 형상의 확산기의 사시도이다.

도 8은 두 개의 소스로부터 가스를 유입시키고 동일 엔클로저를 통해 가스를 배출하는 데 사용하는, 본 발명에 의한 확산기이다.

도 9는 본 발명에 의한 도 개의 확산기를 사용하는 가스분배시스템의 사시도이다.

도 10은 가스확산기의 덮개가 없는 노즐로부터의 음량을 나타내는 그래프 및 머플러를 장착한 동일한 노즐로부터의 음량을 나타내는 그래프이다.

도 11은 도 10의 그래프를 산출한 노즐과 동일한 형태의 노즐을 부착한 본 발명의 테스트용 구성에 의한 확산기의 성능을 나타내는 그래프이다.

Claims (11)

1. 노즐로부터 분배되는 가스와 관련된 소음을 감축하는 확산기로서,

   노즐의 바로 하류에 위치시킨 최소한 하나의 개방된 유입단과 상기 유입단으로 들어오는 가스가 통과하여 배출될 수 있는 최소한 하나의 개방된 유출단을 구비하는 긴 엔클로저와; 그리고

   노즐을 통하여 분배되는 가스가 발생하는 모든 가청 음파에너지의 파장의 1/4보다 작은 유효직경을 가지는 엔클로저를 포함하며,

   상기 하나의 개방된 유입단은 노즐을 통해 분배되는 가스가 발생하는 모든 가청 음파에너지의 파장의 1/4이하의 거리만큼 노즐로부터 떨어진 위치에 배설되는 것을 특징으로 하는 확산기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 엔클로저의 유효직경은 노즐 직경의 약 125∼175% 범위인 확산기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 엔클로저의 유효직경은 노즐 직경의 약 150%인 확산기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 엔클로저의 길이는 약 1인치보다 긴 확산기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 엔클로저의 길이는 약 2인치와 약 6인치 사이인 확산기.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 엔클로저의 길이는 약 3인치인 확산기.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 개방된 유입단은 노즐에 바로 인접하여 위치하는 확산기.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 엔클로저는 원통형 튜브인 확산기.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 엔클로저는 347 오스테나이트계 스텐레스강으로 제조된 확산기.
10. 소음원으로부터 발산되는 음파에너지의 일부를 흡수하는 방법으로서, 그 방법은:

    음파에너지의 길이방향성분의 최소한 일부를 음파에너지의 증량된 방사상 성분으로 변형하는 단계와; 그리고

    표면을 상기 음파에너지의 증량된 방사상 성분과 상호작용하도록 위치시켜서 그 에너지성분의 최소한 일부를 방산하는 단계를 포함하는 방법.
11. 소음원으로부터 발산되는 가청 음파에너지를 허용가능한 수준으로 감축하는 장치로서, 그 장치는:

    상기 음파에너지를 수용하는 위치에 배설되고, 상기 음파에너지의 길이방향 성분의 일부를 음파에너지의 증량된 방사상 성분으로 변형시키게 되어 있는 긴 엔클로저와;

    상기 음파에너지의 방사상 성분의 일부를 흡수하게 되어 있는 상기 긴 엔클로저용 벽을 포함하는 장치.