KR100710342B1

KR100710342B1 - 소음기

Info

Publication number: KR100710342B1
Application number: KR1020060011638A
Authority: KR
Inventors: 배성원; 허덕
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-04-23
Also published as: CN101016853A; CN101016853B; US7624841B2; US20070205044A1

Abstract

본 발명은 소음저감 특성이 향상된 소음기를 제공하기 위한 것이다. 본 발명은, 유체의 유동을 안내하는 원통형의 제1연결배관; 일측이 상기 제1연결배관과 연통하여 유체의 유동을 안내하며, 상기 제1연결배관보다 확장된 단면적을 가지는 원통형의 확장배관; 그리고 상기 확장배관의 타측과 연통하며, 유체의 유동을 안내하는 원통형의 제2연결배관을 포함하며, 상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D)와 상기 확장배관의 길이(L)은,

(여기서, m, n은 임의의 홀수)의 관계를 만족하는 소음기를 제공한다.

따라서 본 발명에 의하면, 소음기에 연결되는 배관에 의한 공명을 방지하여 소음저감 효과를 향상시킬 수 있다.

소음기, 확장배관, 소음유닛

Description

소음기{Silencer}

도 1은 종래 소음기를 나타내는 단면도;

도 2는 본 발명에 따른 소음기의 제1실시예를 나타내는 단면도;

도 3은 본 발명에 따른 소음기의 제2실시예를 나타내는 단면도;

도 4는 본 발명에 따른 소음기의 제3실시예를 나타내는 단면도;

도 5는 본 발명에 따른 소음기의 제4실시예를 나타내는 단면도;

도 6은 본 발명에 따른 소음기의 제5실시예를 나타내는 단면도;

도 7은 본 발명에 따른 소음기의 제6실시예를 나타내는 단면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

110: 제1연결배관 130: 제2연결배관

150: 확장배관 170: 공명소음유닛

210: 제1연결배관 230: 제2연결배관

250: 확장배관 310: 제1연결배관

330: 제2연결배관 350: 확장배관

본 발명은 소음기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배관의 직경과 길이를 조절하여 소음저감 특성을 향상시킨 소음기에 관한 것이다.

일반적으로 소음기는 내연기관이나 환기장치로부터 나오는 소음을 줄이기 위한 장치로서, 작동원리에 따라 가는 관에서 넓은 관으로 확장시켜 소리를 작게 하는 팽창식, 가는 관의 많은 구멍에서 넓은 공명실로 확산시켜 서로 음을 상쇄시키는 공명식, 흡음제를 부착하여 흡음에 의해 소음을 저감시키는 흡음식 등으로 분류될 수 있다.

도 1을 참조하여, 종래 팽창식 소음기의 구조와 원리를 설명하면 다음과 같다.

종래 팽창식 소음기(Simply Expansion Chamber)는 원통형의 제1연결배관(10), 일측이 제1연결배관과 연통하며 제1연결배관(10)보다 확장된 단면적을 가지는 확장배관(50), 상기 확장배관(50)의 타측과 연통하는 제2연결배관(30)을 포함하여 구성된다.

소음기의 소음제거 성능은 여러 가지 수치로 표현될 수 있는데, 대표적으로 유체가 소음기를 투과할 때의 입력 음압과 투과 음압의 비를 대수적으로 나타낸 투과손실(Transmission Loss: TL)로 표현할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같은 팽창식 소음기의 투과손실(TL)은, 제1연결배관(10)과 제2연결배관(30)의 단면적이 같을 때, 다음과 같은 식으로 표현된다,

.

여기서, m은 제1연결배관과 확장배관의 단면적 비, k는 파동수(waver number), L은 확장배관의 길이를 나타낸다.

한편, 확장배관(50)이 제1,2연결배관과 연결되는 부위는 유로 저항을 최소화하기 위하여 단면적이 급격하게 변하지 않고 점차적으로 변화하도록 설계하는 것이 일반적이다. 이렇게 연결부위의 형상을 변형하는 경우 음향학적 특성을 변화하게 되는데, 상기 수학식에서 L은 엄밀하게는 실제 측정된 확장배관의 길이가 아니고 측정된 확장배관(50)의 길이에서 가감을 행하여 음향학적인 길이로 환산한 길이를 말한다.

즉, 상기 수학식 1에서의 기호 L은 실제 측정된 길이에서 구체적으로 적용되는 확장배관(50)의 형상에 따라 보정을 행한 음향학적 길이를 의미한다. 여기서, 음향학적 길이를 계산하는 방법은 당업자에게 자명한 사항이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1에서도, 실제 확장배관(50)의 끝단 간의 거리가 아니라, 끝단에서 연결부위의 소정위치까지 이동한 지점들 사이의 거리를 L로 표시하고 있다.

상기 수학식 1에서, TL은

이 1일 때 최대가 되므로, 아래와 같은 조건을 만족할 때 투과손실(TL)이 최대가 된다.

.

여기서,

(λ는 입력되는 음원의 파장)의 관계를 만족하므로, 이를 정리하면,

로 나타난다. 즉, 확장배관(50)의 길이가 λ/4의 홀수 배가 될 때, 소음기의 투과손실(TL)은 최대가 된다.

따라서, 소음기를 설계하는 경우 특정 운전조건에서 목표한 주파수 대역에서 최대의 소음저감 성능을 나타내도록 목표한 주파수에서의 파장(λ)을 계산하고, 상기 수학식 3에 의거하여, 확장배관(50)의 길이(L)를 결정하게 된다.

하지만, 상술한 종래 소음기는, 소음기에 연결되는 배관의 공명모드에 의해 유체가 소음기를 통과한 후 차단되었던 목표 주파수 대역의 소음이 다시 증가하는 문제점을 가지고 있었다.

또한, 소음기 내부에 추가적인 소음유닛을 삽입하는 경우, 목표 주파수 대역에 맞추어 설계하였던 확장배관의 치수 설계가 무의미해지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 소음기의 치수를 최적화하여 소음저감 특성을 향상시킨 소음기를 제공하기 위 한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 유체의 유동을 안내하는 원통형의 제1연결배관; 일측이 상기 제1연결배관과 연통하여 유체의 유동을 안내하며, 상기 제1연결배관보다 확장된 단면적을 가지는 원통형의 확장배관; 그리고 상기 확장배관의 타측과 연통하며, 유체의 유동을 안내하는 원통형의 제2연결배관을 포함하며, 상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D)와 상기 확장배관의 길이(L)은,

,(여기서, m, n은 임의의 홀수)의 관계를 만족하는 소음기를 제공한다.

그리고 상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D)와 상기 확장배관의 길이(L)은,

,(여기서, l은 임의의 양의 정수)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 따른 소음기의 다른 실시예는, 유체의 유동을 안내하는 원통형의 제1연결배관; 일측이 상기 제1연결배관과 연통하여 유체의 유동을 안내하며, 상기 제1연결배관보다 확장된 단면적을 가지는 원통형의 확장배관; 상기 확장배관의 타측과 연통하며, 유체의 유동을 안내하는 원통형의 제2연결배관; 상기 확장배관 내에 구비되어 상기 확장유닛 내의 소음을 제거하는 소음유닛; 상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D), 상기 제1연결배관과 상기 소 음유닛의 양단 길이와 상기 소음유닛과 상기 제2연결배관의 양단 길이 중 최소한 어느 하나의 길이(L)은,

그리고 상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D), 상기 제1연결배관과 상기 소음유닛의 양단 길이와 상기 소음유닛과 상기 제2연결배관의 양단 길이 중 최소한 어느 하나의 길이(L)은,

,(여기서, l은 임의의 양의 정수)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소음유닛은, 공명에 의하여 특정 주파수의 소음을 제거하는 공명소음유닛인 것이 더욱 바람직하다.

한편, 상기 공명소음유닛은, 상기 확장배관과 소정의 간격을 두고 원주 방향을 따라 구비되며, 하나 이상의 통공을 가지는 천공부; 상기 확장배관의 내벽과 천공부 사이에 소정의 체적을 가지는 공명부; 상기 천공부의 일측과 타측에 구비되며, 상기 확장배관과 연결되어 상기 공명부가 폐쇄된 공간을 이루도록 하는 측벽부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 소음유닛은 상기 확장배관 내에서 소정의 간격을 두고 복수 개가 구비되며; 상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D)와 상기 소음유닛 간의 간격(L)은,

,(여기서, m, n은 임의의 홀수)의 관계를 만족하도록 구성하는 것도 가능하다. 또한, 상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D)와 상기 소음유닛간의 간격(L)은,

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 소음기의 제1,2실시예의 기본적인 구조를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 소음기의 제1실시예를 나타낸 것으로서, 종래 소음기와 마찬가지로, 유체의 유동을 안내하는 제1연결배관(110)과, 일측이 상기 제1연결배관(110)과 연통하여 유체의 유동을 안내하며 상기 제1연결배관(110)보다 확장된 단면적을 가지는 확장배관(150)과, 상기 확장배관(150)의 타측과 연통하며 유체의 유동을 안내하는 제2연결배관(130)을 포함하여 구성된다.

그리고 상기 제1연결배관(110), 확장배관(150) 및 제2연결배관(130)은 모두 원통형으로 이루어진다.

도 2는 본 발명에 따른 소음기의 제2실시예를 나타낸 것으로서, 본 실시예는 도 1에 도시된 소음기에 소음유닛이 더 구비된 형태로 이루어진다.

상기 소음유닛은 확장배관 내에 구비되어 상기 확장배관(150) 내의 소음을 제거하는 역할을 하며, 본 실시예에서는 상기 소음유닛은 공명에 의해 특정 주파수 의 소음을 제거하는 공명소음유닛(170)인 것을 예시하고 있다. 여기서, 상기 소음유닛은 흡음재로 이루어져 소음을 흡수하는 형태 등 다양하게 변형이 가능하다.

한편, 상기 공명소음유닛(170)은, 확장배관(150)과 소정의 간격을 두고 원주방향을 따라 구비되며 하나 이상의 통공을 가지는 천공부(171)와, 상기 확장배관(150)의 내벽과 천공부(171) 사이에서 소정의 체적을 가지는 공명부(173)와, 상기 천공부(171)의 일측과 타측에 구비되며 상기 확장배관(150)과 연결되어 상기 공명부가 폐쇄된 공간을 이루도록 하는 측벽부(175)를 포함하여 구성된다.

상기 공명소음유닛(170)은 상기 공명부(173)의 부피, 천공부(171)에 구비된 통공의 크기와 개수, 유체의 물성치 등에 의해 정하여지는 공명 주파수와 동일한 주파수를 가지는 음원의 소음을 저감하는 장치로서, 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)의 원리를 이용한 것이다. 본 발명은 이러한 공명소음유닛(170)을 구비함으로써, 소음기의 형상에 따른 소음제어와 함께, 상기 공명소음유닛(170)의 공명 주파수와 동일한 특정의 주파수의 소음을 추가적으로 제거할 수 있게 된다.

다음으로, 도 2 및 도 3에 도시된 소음기의 구체적인 소음제거를 위한 설계원리를 설명하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이, 일반적인 팽창식 소음기의 투과손실(TL)은 수학식 1로 나타난다.

여기서, 상기 확장배관(150) 내에 소음유닛이 삽입되는 경우에는 상기 측벽부(175)에서는 경계조건이 달라져서, 투과손실(TL)이 최대가 되는 조건은,

로 나타나는 것을 실험적으로 밝혀냈다.

이를 정리하면,

로 나타낼 수 있다.

한편, 일반적인 파동을 지배하는 파동방정식은,

로 나타난다. 여기서, p는 음압을 나타내며, c는 음속을 나타낸다.

한편, 원통 좌표계에 있어서 시간 인자를 분리한 음압(p)은,

로 나타낼 수 있다.

여기서,

은 반지름 방향의 음압 성분,

는 원주방향의 음압 성분,

는 축 방향의 음압 성분을 나타낸다.

그리고,

라는 가정하에서, 상기

은,

로 표현된다.

그리고

이 되는 조건에서, 반지름 방향의 모드는,

를 만족한다. 그리고 반지름(r)은 D/2이므로 상기 수학식 9를 정리하면,

로 나타난다.

최종적으로, 상기 수학식 5와 수학식 10를 연계하여 정리하면,

와 같은 관계를 만족한다.

즉, 확장배관의 길이(L)과 연결배관의 지름(D)이 상기 수학식 11의 관계를 만족하도록 설계하면, 소음기에서의 소음감쇠 기능을 가지면서 상기 확장배관(150)에 연결되는 연결배관(110,130)에서의 반지름방향의 모드 조건을 만족하게 된다.

여기서, 연결배관의 지름(D)는 제1연결배관(110)과 제2연결배관(130) 중 어느 하나의 지름(D)을 말한다. 하지만, 연결배관의 지름(D)는 확장배관(150)을 거친 유체가 제2연결배관(130)의 공명에 의해 소음이 다시 증가하는 것을 방지하기 위하여 제2연결배관(130)의 지름으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 표 1에서와 같이 m과 n을 변화시켜 가면서 L과 D의 간단한 관계를 찾아보면, L/D는 1/2,3/2,5/2,7/2,... 의 관계를 만족한다. 이를 식으로 표현하면,

와 같이 된다.

상기와 같은 유도식이 결과에 따라, 도 2에 도시된 소음기에서 확장배관의 길이(L)과 제1,2연결배관의 지름(D)는 수학식 11의 관계를 가짐으로써, 소음기의 감쇠 조건과 연결배관에서의 반지름 방향의 모드 조건을 만족하게 된다. 그리고, 설계상 보다 간단한 관계식인 수학식 12를 만족하도록 설계하는 것이 바람직하다.

한편, 도 3에서는 공명소음유닛(170)이 존재하므로, L1과 L3가 수학식 11 또는 수학식 12를 만족하도록 설계한다. 그리고 공명소음유닛(170)의 길이(L2)는 공명소음유닛에서 제거하고자 하는 특정 주파수에 대응하여 정하여진다. 여기서, 공명소음유닛(170)의 공명주파수는 공명소음유닛(170)의 길이, 천공부(171)의 통공 크기나 배치 등에 의하여 정하여 지므로, 실제 소음이 가장 많이 나는 주파수에 맞추어 상기 영향인자들을 조절하여 설계한다.

이로써, L1, L3부분에서는 확장배관(150)의 길이(L)에 따라 정하여 지는 특정한 주파수의 소음을 제거함과 함께 제1,2연결배관(110,130)의 모드 조건을 만족하여 제1,2연결배관(110,130)에 의한 공명을 방지할 수 있고, L2부분 즉, 공명소음유닛(170)에서는 목표 주파수에 해당하는 소음을 제거하게 된다.

도 4 및 도 5를 참고하여, 본 발명에 따른 소음기의 제3,4실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 4는 도 3에 도시된 소음기의 변형예를 도시한 것으로서, 공명소음유닛(270)이 제1연결배관(210)에 곧바로 연결되고, 제2연결배관(230)도 상기 확장배관(250)에 삽입된 형태로 이루어진다.

그리고 상기 제2연결배관(230)은 상기 확장배관(250) 측으로 돌출된 연장관(231)을 가진다.

상기와 같은 구조에서는, 삽입물이 아닌 빈 공간, 즉 L2가 다음과 같은 식을 만족한다.

그리고, 상기 수학식 13은 상술한 바와 같이 아래와 같은 단순화된 식으로 표현된다.

도 5는 도 4에 도시된 소음기와 달리, 제2연결배관(240)에서 연장관이 없는 형태를 도시한 것이다.

이 경우에도, 삽입물이 없는 부분의 길이(L2)가 상기 수학식 13과 수학식 14를 만족하도록 설계한다.

한편, 도4 및 도 5에 도시된 소음기는 제1연결배관과 제2연결배관의 직경이 서로 다른 형태를 도시하고 있으며, 상술한 바와 같이 유체가 소음기를 거친 후 다시 연결배관의 공명에 의해 소음이 증가하는 것을 방지하기 위하여 제2연결배관의 직경(D)을 기준으로 설계하는 것이 바람직하다.

도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 소음기의 제5,6실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 7과 도 8에 도시된 소음기는, 상술한 제1실시예와 같이 제1연결배관(310), 확장배관(350), 제2연결배관(330)을 포함하여 구성되며, 확장배관(350) 내부에 임의의 소음유닛 등의 삽입물(371,373,381,383,385)이 구비된 형태로 이루어진다.

도 6에서 상기 삽입물(371,373)은 공명소음유닛과 같은 소음유닛이 될 수 있으며, 기타 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 이 경우에도 상술한 바와 같이, 삽입물이 없는 부분의 길이(L1,L3,L5)가 상기 수학식 11과 수학식 12를 만족하도록 설계한다.

그리고 도 7에서는, 삽입물이 없는 부분의 길이(L1,L3,L5,L7)이 상기 수학식 11과 수학식 12를 만족하도록 설계한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.

그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 소음기의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 확장배관의 길이를 소음기에 연결되는 배관의 지름에 맞추어 최적화함으로써, 소음기에 연결되는 배관에 의한 공명을 방지하여 결과적으로 소음저감 효과를 향상시키는 이점이 있다.

둘째, 확장배관 내부에 소음유닛이 구비되더라도, 이에 맞추어 확장배관의 길이를 설계함으로써, 추가적인 소음유닛를 고려하여 소음을 저감시키는 이점이 있다.

Claims

유체의 유동을 안내하는 원통형의 제1연결배관;

일측이 상기 제1연결배관과 연통하여 유체의 유동을 안내하며, 상기 제1연결배관보다 확장된 단면적을 가지는 원통형의 확장배관; 그리고

상기 확장배관의 타측과 연통하며, 유체의 유동을 안내하는 원통형의 제2연결배관을 포함하며,

상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D)와 상기 확장배관의 길이(L)은,

,

여기서, m, n은 임의의 홀수

의 관계를 만족하는 소음기.
제1항에 있어서,

상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D)와 상기 확장배관의 길이(L)은,

,

여기서, l은 임의의 양의 정수

의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 소음기.
유체의 유동을 안내하는 원통형의 제1연결배관;

일측이 상기 제1연결배관과 연통하여 유체의 유동을 안내하며, 상기 제1연결배관보다 확장된 단면적을 가지는 원통형의 확장배관;

상기 확장배관의 타측과 연통하며, 유체의 유동을 안내하는 원통형의 제2연결배관;

상기 확장배관 내에 구비되어 상기 확장유닛 내의 소음을 제거하는 소음유닛;

상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D), 상기 제1연결배관과 상기 소음유닛의 양단 길이와 상기 소음유닛과 상기 제2연결배관의 양단 길이 중 최소한 어느 하나의 길이(L)은,

여기서, m, n은 임의의 홀수

의 관계를 만족하는 소음기.
제3항에 있어서,

상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D), 상기 제1연결배관과 상기 소음유닛의 양단 길이와 상기 소음유닛과 상기 제2연결배관의 양단 길이 중 최소한 어느 하나의 길이(L)은,

,

여기서, l은 임의의 양의 정수

의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 소음기.
제3항 또는 제4항에 있어서,

상기 소음유닛은,

공명에 의하여 특정 주파수의 소음을 제거하는 공명소음유닛인 것을 특징으로 하는 소음기.
제5항에 있어서,

상기 공명소음유닛은,

상기 확장배관과 소정의 간격을 두고 원주 방향을 따라 구비되며, 하나 이상의 통공을 가지는 천공부;

상기 확장배관의 내벽과 천공부 사이에서 소정의 체적을 가지는 공명부;

상기 천공부의 일측과 타측에 구비되며, 상기 확장배관과 연결되어 상기 공명부가 폐쇄된 공간을 이루도록 하는 측벽부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소음기.
제3항 또는 제4항에 있어서,

상기 소음유닛은 상기 확장배관 내에서 소정의 간격을 두고 복수 개가 구비되며;

상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D)와 상기 소음유닛 간의 간격(L)은,

,

여기서, m, n은 임의의 홀수

의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 소음기.

제7항에 있어서,

상기 제1연결배관과 제2연결배관 중 어느 하나의 단면 직경(D)와 상기 소음유닛간의 간격(L)은,

,

여기서, l은 임의의 양의 정수

의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 소음기.

m n L/D 1 1 0.166666667 1 3 0.5 1 5 0.833333333 1 7 1.166666667 1 9 1.5 1 11 1.833333333 1 13 2.166666667 1 15 2.5 1 17 2.833333333 1 19 3.166666667 1 21 3.5 1 23 3.833333333 3 1 0.071428571 3 3 0.214285714 3 5 0.357142857 3 7 0.5 3 9 0.642857143 3 11 0.785714286 3 13 0.928571429 3 15 1.071428571 3 17 1.214285714 3 19 1.357142857 3 21 1.5 3 23 1.642857143 3 25 1.785714286 3 27 1.928571429 3 29 2.071428571 3 31 2.214285714 3 33 2.357142857 3 35 2.5 3 37 2.642857143 5 1 0.045454545 5 3 0.136363636 5 5 0.227272727 5 7 0.318181818 5 9 0.409090909 5 11 0.5 5 13 0.590909091