KR100924958B1 - 공명형 스플릿터를 구비한 공조용 덕트 소음기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소음저감기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실내공기 조절을 위하여 건물에 구비되는 공조설비의 덕트 라인을 따라 전달되는 소음을 차단하는 소음기에 관한 것이다.

본 발명의 소음기는 통상적인 흡음형 공조용 덕트 소음기의 문제점을 해결하기 위하여, 흡음재를 사용하지 않고 스플릿터의 면에서 공명효과에 의하여 흡음이 일어나도록 하는 공명형 스플릿터를 채택하였다. 공명형 스플릿터는 각각 다른 공명주파수를 가진 공명공간을 가지도록 하는 다수매의 공명판을 중첩적으로 배열하여 다양한 주파수의 음이 공명에 의하여 소실되도록 하였다.

본 발명의 소음기는 공해물질인 흡음재를 사용하지 않고 소음기를 통과하는 음이 공명효과에 의하여 소실되도록 한 공조용 덕트 소음기로서, 흡음재를 사용하지 않음으로써 인체에 무해하고, 환경에 부담을 주지 않는 친환경 소음기이다. 그리고 본 발명의 소음기는 소음의 주된 원인이 되는 주파수의 음을 선별적으로 제거할 수 있으므로, 소형으로 제작할 수 있고, 압력손실을 크게 줄일 수 있다.

소음기, 공명, 헬름홀쯔 공명기, 공명주파수, 친환경, 압력손실

Description

공명형 스플릿터를 구비한 공조용 덕트 소음기{Duct Silencer for Air Conditioning Having Resonance Type Splitter}

본 발명은 소음저감기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실내공기 조절을 위하여 건물에 구비되는 공조설비의 덕트 라인을 따라 전달되는 소음을 차단하는 소음기에 관한 것이다.

냉방, 난방, 환기 등 건물 실내공기의 상태를 사람이 생활하는데 적당하게 조절하는데 필요한 설비를 통칭하여 공조설비라고 하는데, 통상적으로 온도, 습도 등이 조절된 공기를 생성하는 장치, 조절된 공기를 건물의 각부로 보내는 송풍기(통상 팬(Fan)이라고도 칭한다.), 그리고 송풍기에서 건물의 각 방으로 연결되는 공기 통로인 덕트 라인으로 구성된다. 이와 같은 공조설비에서 송풍기에서 발생한 소음이 덕트를 따라 실내로 전달되어 실내 소음의 주요 원인이 되고 있다. 이러한 공조설비의 덕트 라인에 소음기를 설치하는 것이 덕트를 따라 전달되는 소음의 방지에 있어서 가장 기본적이고도 직접적인 방안이다.

소음기는 그 감음 방식에 따라 흡음형, 팽창형, 공명형, 그리고 간섭형의 4 가지로 대별되는데, 흡음형 소음기는 관로의 일부에 음을 흡수할 수 있는 흡음재를 설치하여 음을 흡수하여 소음을 저감시키는 장치이고, 팽창형은 관로에 팽창부를 두어 음파가 팽창과 수축을 하면서 에너지가 손실되어 소음을 저감시키는 소음기이고, 공명형 소음기는 관로에 목 부분을 설치하고 여기에 공동을 연결하여 공명을 일으켜 음파의 에너지를 공동 부의 공기 진동으로 흡수하는 형식의 소음기이고, 간섭형은 음파가 전달되는 경로를 둘로 나누어 각각의 경로 차이를 해당 음파의 반파장으로 하여 간섭에 의해 음을 감쇠시키는 장치이다.

엔진 배기구에 부착하는 소음기, 릴리프 밸브의 유출관 등 아주 높은 소음을 유발하는 곳에 사용되는 소음기를 통상 공업용 소음기라고 하는데, 흡음형 소음기와 함께 팽창관을 이용한 팽창형 소음기, 공명형 소음기, 간섭형 소음기, 그리고 이들의 기능이 복합적으로 일어나도록 한 구성의 소음기 등이 사용된다.

공조용 소음기로는, 상기의 4가지 소음기의 형식 중, 압력 손실이 비교적 적고 넓은 주파수 범위의 소음에 대하여 감음 성능이 우수한 흡음형 소음기가 주로 사용된다. 통상적인 흡음형 공조용 덕트 소음기의 도 1에 도시한 바와 같은데, 공기가 통과하는 통로가 되는 외통(1)의 전후에 덕트와 연결할 수 있는 플랜지(2)를 구비하고, 외통의 내부 공기 통로에 다수 개의 스플릿터(3)를 설치하는 방법으로 제작된다.

통상적인 흡음형 소음기의 스플릿터(3)는 음을 흡수할 수 있는 흡음판(33)의 표면을 얇은 두께의 판에 다수개의 구멍을 연속적으로 천공하여 제작한 타공판(34)으로 보호하여 제작한다. 그리고 냉풍 또는 온풍의 공기가 소음기 내부를 고속으로 흐를 때 압력손실을 줄이기 위하여 공기가 유입되는 전방부(31)는 반원형으로 처리하고 공기가 유출되는 후방부(32)는 삼각형으로 처리한다. 덕트의 내측 측벽에는 스플릿터의 절반 형상으로 제작하여 부착한다.

흡음형 소음기의 스플릿터에 사용되는 타공판(34)는 개구율(전체 면적에 대한 구멍 면적의 비율)을 40% 이상으로 크게 하여 타공판의 면에서 음이 반사하여 음파가 흡음재에 흡수되는 것을 방해하지 않도록 한다. 실험적으로 타공판의 개구율을 30% 이상으로 하면 타공판이 흡음재의 흡음 성능에 방해를 하지 않는 것으로 알려져 있다.

흡음판은 글라스울(Glass Wool, "유리면", "유리솜" 등으로 불리기도 함.), 폴리에스테르 섬유 흡음재, 발포 폴리에스테르 흡음재 등 흡음율이 높은 흡음재를 일정 두께의 판으로 형성하여 제작된다. 흡음재는 소음기 내부로 공기가 고속으로 흐를 때 비산되어 나올 염려가 있으므로, 폴리에스테르필름, 유리천(Glass Cloth) 등의 보호직물로 감싸서 보호하기도 한다.

흡음형 소음기의 성능은 다음 식으로 계산된다.

여기서, NR : 감음량(Noise Reduction)

α : 내장 흡음재의 흡음율

P : 흡음재의 주장(Perimeter)

L : 소음기 길이

S : 덕트의 공기통로 단면적

상기 식에서 보인 바와 같이 소음기의 성능은 사용한 흡음재의 흡음률이 높을 수록, 흡음재의 주장이 길수록, 소음기의 길이가 길수록, 그리고 공기통로 단면적이 작을수록 좋아진다. 소음기의 길이를 설치 공간상의 제약 등으로 크게 할 수 없을 때는 단면의 주장을 크게 하면 된다. 이를 위하여 소음기의 내부에 스플릿터(Splitter)를 다수 개를 설치한다.

공조용으로 많이 사용되는 통상의 흡음형 소음기는 소음기의 길이, 스플릿터의 수, 스플릿터 간격에 의하여 결정되는 공기통로의 크기 등의 소음기의 형상과 함께 사용되는 흡음재의 흡음률에 의하여 결정되는데, 흡음재의 흡음률이 높을수록 소음 감음량이 높아진다. 즉, 흡음률이 높은 흡음재를 사용할 경우 스플릿터의 수를 줄일수 있고, 소음기의 길이를 짧게 할 수 있다.

흡음재의 흡음률은 입사하는 음의 주파수에 따라 달라지는데, 통상적인 섬유질 또는 다공질 흡음재의 경우 고주파음에 대해서는 흡음률이 높은 반면, 저주파음에 대해서는 흡음률이 낮다. 그리고 동일한 흡음 재료인 경우라도 흡음률은 흡음재의 두께와 밀도에 따라 달라지는데, 통상적으로 흡음재의 두께가 두꺼울수록, 그리고 밀도가 높을수록 흡음률이 높다.

그러나 흡음형 소음기는 저주파 소음에 대해서는 감음 성능이 별로 좋지 않은 문제점이 있고, 이러한 저주파 소음까지 충분한 정도로 저감시키기 위해서는 소음기가 크고 길이가 길어야 하는 문제점이 있다. 그리고 흡음형 소음기의 감음성능을 높이기 위해서는 스플릿터를 두껍게 하고 많이 사용하여 흡음재의 주장을 길게 하고 공기통로의 단면적을 작게 해야하는데, 이와 같이 공기통로의 단면적이 작아질 경우 유속이 빨라져서 소음기를 통과하면서 압력손실이 커지는 문제점이 있다.

흡음형 소음기에 사용되는 흡음재로는 유리면(Glass Wool), 암면(Rock Wool), 폴리에스테르 흡음제(PE 흡음재) 등의 섬유질 또는 다공질 흡음재료가 사용되는데, 이들 흡음재들은 대부분 공해 물질들로서 분진이 비산되어 나와 인체에 나쁜 영향을 줄 뿐만 아니라 사후 처리에 환경적으로 큰 부담을 주고, 이들 다공질 흡음 재료들은 세균이 서식하기 좋은 환경을 제공하여 사람의 건강을 해치는 문제점이 있다.

상기와 같이 공조용 덕트 소음기로 통상적으로 사용되는 흡음형 소음기는 충분한 정도의 소음 저감 효과를 내기 위해서는 소음기가 커져야 하고, 압력손실이 높은 문제점이 있다. 그리고 사용되는 흡음재는 공해물질로서 인체에 나쁜 영향을 줄 뿐만 아니라 폐기 시에 환경적으로 부담을 주는 문제점이 있다.

따라서 공해물질인 흡음재를 사용하지 않고 소형으로 큰 소음 저감효과를 가지는 새로운 형태의 소음기가 필요하다.

본 발명의 소음기는 상기와 같은 통상적인 흡음형 공조용 덕트 소음기의 문 제점을 해결하기 위하여, 흡음재를 사용하지 않고 스플릿터의 면에서 공명효과에 의하여 흡음이 일어나도록 하는 공명형 스플릿터를 채택하였다.

공명형 스플릿터는 각각 다른 공명주파수를 가진 공명공간을 가지도록 하는 다수매의 공명판을 중첩적으로 배열하여 다양한 주파수의 음이 공명에 의하여 소실되도록 하였다.

본 발명의 소음기는 공해물질인 흡음재를 사용하지 않고 소음기를 통과하는 음이 공명효과에 의하여 소실되도록 한 공조용 덕트 소음기로서, 흡음재를 사용하지 않음으로써 인체에 무해하고, 환경에 부담을 주지 않는 친환경 소음기이다.

본 발명의 소음기는 주 소음원인 송풍기의 소음 발생 특성을 고려하여 소음의 주된 원인이 되는 주파수의 음을 선별적으로 제거할 수 있으므로, 소형으로 제작할 수 있고, 또한 공기가 통과하는 통로를 크게 막지 않아 압력손실을 줄일 수 있다.

본 발명의 공조용 덕트 소음기는 도 2에 도시한 바와 같이, 외형은 통상의 소음기와 유사하게 소음기의 외부를 이루는 외통(100), 소음기 전후의 덕트와 연결할 수 있는 플랜지(200), 그리고 외통(100)의 내부에 장착되는 다수 개의 스플릿터(300)로 구성된다.

외통(100)은 소음기가 설치되는 덕트의 단면형상과 동일한 형상으로 제작되는데, 공조용 덕트로 주로 사각덕트가 사용되므로 외통의 단면도 사각으로 제작하는 것이 보통이다. 그러나 단면이 원형인 덕트 라인에 사용할 경우 소음기의 외통(100)도 원형으로 제작할 수 있다.

스플릿터(300)는 일정 두께의 판 형상으로서, 상기 외통(100)의 내부에 일정한 간격으로 다수 개가 나란히 부착된다. 덕트의 내벽에 접하는 스플릿터는 상기한 스플릿터의 절반 형상으로 제작하여 부착된다. 그리고 소음기의 외통이 원형일 경우 스플릿터를 직경이 서로 다른 튜브 형상으로 제작하여 외통과 동심원 상으로 다수 개를 설치할 수 있다.

스플릿터(300)는 도 2의 단면도에 도시한 바와 같이, 입구부(301)와 출구부(302), 그리고 서로 간격을 두고 구비되는 다수 매의 공명판(311 312, 313, 314 등), 그리고 스플릿터의 중심부에 위치하는 중간판(320)으로 구성된다. 이와 같이 공명판(311 등)들을 서로 간격을 두고 배열하면 각 공명판과 공명판 사이에는 공명공간(331, 332, 333, 334 등)이 형성된다. 공명판(311 등)은 주로 부식에 강하고 충분한 강도를 가진 아연도금강판 등과 같은 금속판으로 제작되지만, 플라스틱 등의 합성수지판을 사용하여도 무방하다.

스플릿터(300)에서, 공기의 저항을 줄여 압력손실이 적도록 하기 위하여 입구부(301)는 단면이 반원형이 되게 제작하고, 출구부(302)는 단면이 삼각형이 되게 제작하는 것이 좋다.

상기 공명판(311 등)은 각각 일정 두께의 판재에 일정 크기의 구멍을 일정 간격으로 천공하여 제작한다. 이와 같이 공명판을 제작하면 도 3에 도시한 바와 같이, 각각의 구멍은 공명구멍이 되고, 판의 두께는 공명목이 되고, 공명판 배후의 공명공간(331)은 공명통이 되어 하나의 헬름홀쯔 공명기가 된다. 공명판(311 등)을 이와 같이 제작할 경우 스플릿터(300)의 면에는 다수개의 헬름홀쯔 공명기가 연속적으로 병렬로 배열된 것과 같이 된다.

헬름홀쯔 공명기의 공명구멍으로 음파가 입사할 경우, 음파가 가진 에너지는 공명기 내부의 공기를 크게 진동시키고 음파가 가진 에너지는 공기 분자의 운동에너지로 변환되어 음파가 소실된다. 헬름홀쯔 공명기의 감음량(R)은 다음 식으로 게산된다.

---(1)

상기 식에서 f_r은 공명 주파수로서 다음 식으로 계산된다.

, 여기서

,

그리고 상기 식에서 V는 공명공간의 체적, S는 공기 통로의 단면적(본 발명의 경우 스플릿터와 스플릿터 사이 공간의 단면적), f는 입사하는 음파의 주파수, n은 공명구멍의 갯수, a는 공명 구멍의 반지름, l_c는 공명 구멍의 길이(판의 두께), 그리고 C는 음속(340m/sec)이다.(모든 단위는 MKS 단위계의 기본단위임.)

상기 식에서 알 수 있듯이, 입사하는 음의 주파수(f)가 핼름홀쯔 공명기의 형상(공명기의 체적, 공명목의 길이, 공명구멍의 반지름)에 따라 정해지는 공명주파수(f_r)와 근접할수록 상기 (1) 식의 대괄호([ ]) 내부의 분모 값이 적어지고 이에 따라 감음량(R)이 커지게 됨을 알 수 있다, 그리고 이론적으로는 입사 음의 주파수가 공명주파수와 일치할 경우 감음량이 무한대가 되어 입사음이 완벽하게 제거됨을 알 수 있다.(본 명세서에서는 이와 같이 핼름홀쯔 공명기의 내부에서 음파가 공명효과에 의하여 저감되는 현상을 "공명효과"라 칭다.) 단일 공명주파수의 헬름홀쯔 공명기에 의한 음의 주파수별 감음특성은 도 5의 (a)에 도시한 바와 같다.

공조설비에서 주된 소음원은 송풍기 소음인데, 송풍기는 기종에 따라 각각 특정 주파수의 소음을 크게 발생시킨다. 그중에서도 송풍기의 초당회전수(RPM/60)에 날개의 수를 곱한 깃통과주파수(Blade Passing Frequency, 통상 "BPF"로 약칭한다.)의 소음이 가장 탁월하다. 필요에 따라서는 특정 송풍기의 소음을 측정하여 소음의 주파수 분석을 하여 당해 송풍기에서 발생하는 소음의 탁월 주파수를 파악할 수 있다.

본 발명의 소음기에서 공명판의 두께, 공명구멍의 크기, 그리고 공명 구멍의 개수, 공명판 배후의 간격 등의 설계인자를 적절히 선택하여 특정 공조 설비에 사용되는 송풍기 소음의 탁월 주파수에 맞추면, 송풍기의 소음을 아주 효과적으로 저감시킬 수 있다. 그리고 스플릿터(300) 양측의 공명주파수가 서로 다르게 공명판과 공명 공간을 배치하면, 공기 통로의 양측에 공명 주파수가 각각 서로 다른 헬름홀 쯔 공명기가 형성되어 2개 주파수의 음을 공명효과에 의하여 저감시킬 수 있다.

필요에 따라서는 스플릿터의 내부에 설치되는 중간판(320)으로 다공질 또는 섬유질의 흠음판을 사용하여, 공명에 의하여 저감되지 않고 잔존하는 소음을 흡음재의 흡음효과에 의하여 저감시킬 수 있다. 통상적으로 고주파수의 음은 흡음재에 쉽게 흡음되므로, 저주파수의 음은 공명효과에 의하여 저감시키고, 고주파수의 음은 흡음재로 저감시키도록 역할을 분담할 수도 있다. 소음기를 이와 같이 설계할 경우, 고주파수의 음은 흡음재의 종류에 상관없이 두께가 얇은 흡음판에서도 쉽게 흡음이 일어나므로 사용하는 흡음재는 부직포, 재활용이 가능한 발포 합성수지 흡음판 등 친환경 재료를 사용할 수 있다.

또한 공명판(311 등)의 표면에 흡음도료를 도장하거나 흡음성이 있는 천(Cloth)을 부착하여 공명효과에 의하여 저감되지 않고 잔존하는 음을 흡음효과에 의하여 저감할 수 있다. 흡음도료는 이매 개발되어 시판되는 것이 있다.

그리고 공명판(311 등)에 제진시트를 부착하거나 제진도료를 도장하면 공명판이 공기의 유동에 의하여 진동을 하고, 이 진동에 기인하여 발생하는 2차소음을 줄일 수 있다. 제진시트는 아스팔트를 종이에 흡수시킨 아스팔트 시트와 같이 점성이 있는 얇은 판상의 재료로 시판되고 있고, 제진도료도 시판되고 있다.

통상적으로 스플릿터(300)의 공명판(311 등)들은 평판으로 제작되어 공명판 사이의 유로가 직선 형태가 되도록 제작하지만, 흡음면적을 넓히기 위하여 도 4에 도시한 바와 같이 공명판을 굴곡판을 사용하여 소음기 내의 공기통로를 지그재그 형태로 제작할 수도 있다.

송풍기와 같이 소음을 발생시키는 기계의 경우 단일 주파수의 소음만 발생시키는 것이 아니고, 몇 개의 주파수 성분 음이 복합적으로 발생시킨다. 이와 같이 여러개의 주파수 성분을 가진 소음을 효과적으로 저감시키기 위하여 공명판을 다수 매를 사용하여 각각 공명주파수가 다른 헬름홀쯔 공명기가 직렬로 다수 개가 연결된 형태의 스플릿터를 설계할 수 있다. 이 경우 하나의 헬름홀쯔 공명기에서 저감되지 못하고 잔존하는 음파는 그 다음의 헬름홀쯔 공명기에 입사하여 소멸된다. 이와 같이 서로 다른 다수개의 공명주파수를 갖는 헬름홀쯔 공명기가 형성된 스플릿터의 소음의 감음특성은 도 5의 (b)에 도시한 바와 같다.

본 발명의 소음기는 각종 건물의 공조설비 등과 같이 덕트 라인을 따라 전달되는 소음을 저감시키는 장치로 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 흡음형 소음기의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 공명형 스플릿터를 구비한 공조용 덕트 소음기의 구성도이다.

도 3은 공명형 스플릿터의 공명기능을 가지는 구성을 나타낸 도면이다.

도 4는 공기통로가 지그재그로 형성된 공조용 덕트 소음기의 구성도이다.

도 5는 공명형 스플릿터를 구비한 공조용 덕트 소음기의 감음 특성 그래프이다.

※ 중요 구성품 번호

100 : 외통, 200 : 플랜지,

300 : 스플릿터, 301 : 입구부,

302 : 출구부, 311, 312, 313, 314 : 공명판,

320 : 중간판, 331, 332, 333, 334 : 공명공간

Claims (4)

1. 소음기의 외부를 이루는 외통(100);

   상기 외통(100)의 전방과 후방에 부착되어 소음기 전후의 덕트와 연결할 수 있는 플랜지(200);

   그리고 상기 외통(100)의 내부에 다수 개가 나란히 장착되는 것으로서, 스플릿터의 중심부에 위치하여 음을 흡수하여 소멸시키는 기능을 하는 다공질 또는 섬유질의 흡음판 또는 판재에 흡음도료를 도장하거나 음을 흡수할 수 있는 천을 부착하여 제작한 흡음판인 중간판(320)과, 상기 중간판(320)과 일정한 간격을 두고 설치되어 스플릿터의 양 측면을 이루는 것으로서 일정 두께의 판에 일정 간격으로 일정 크기의 구멍이 다수 형성되어 있는 공명판(311, 313)으로 구성되어, 중간판(320)과 공명판(311, 313) 사이의 공간에서 공명판(311, 313)의 구멍으로 입사한 음이 공명효과에 의하여 소멸하고, 공명효과에 의하여 소멸되지 않고 잔존하는 음은 중간판(320)에 흡수되어 소멸하는 것을 특징으로 하는, 스플릿터(300);

   로 구성되는, 공조용 덕트 소음기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 스플릿터(300)는 중간판(320)과 공명판(311, 313) 사이에 1장 이상의 공명판(312, 314)이 추가로 더 설치되는 것을 특징으로 하는, 공조용 덕트 소음기.
3. 삭제
4. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 스플릿터(300)의 공명판(311, 312, 313, 314)은, 흡음도료가 도장되거나 또는 음을 흡수할 수 있는 천이 부착된 것을 특징으로 하는, 공조용 덕트 소음기.

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