KR101024372B1 - 음파의 간섭과 팽창 현상을 이용한 환기용 소음기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소음의 전파를 차단하는 소음기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환기 통로를 공유하는 다층 건물에서 환기 통로를 통하여 소음이 전달되는 것을 차단하는 소음기에 관한 것이다.

본 발명인 환기용 소음기는 그 내부에서 간섭 효과와 팽창 효과가 동시에 발생하도록 설계하였다. 즉 소음기의 몸체 내부를 분리판과 팽창관에 의해 여러 개의 공간으로 분리하여 음이 유입되고 토출되는 과정에서 분기와 합류, 압축과 팽창이 발생하도록 하였다.

따라서 본 소음기는 간섭과 팽창에 의한 감음 효과를 동시에 얻을 수 있다. 즉 간섭형 소음기의 특징인 특정 주파수에 대한 완전한 감음 효과와 팽창형 소음기의 특징인 넓은 주파수 영역에 대한 감음 효과를 동시에 얻을 수 있다.

소음기, 간섭 효과, 팽창 효과, 환기구

Description

음파의 간섭과 팽창 현상을 이용한 환기용 소음기{Ventilation Silencer Using Interference and Expansion of Sound Wave}

본 발명은 소음의 전파를 차단하는 소음기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환기 통로를 공유하는 다층 건물에서 환기 통로를 통하여 소음이 전달되는 것을 차단하는 소음기에 관한 것이다.

최근 생활수준의 향상으로 쾌적하고 정숙한 생활환경에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히 소음은 이웃 간에 분쟁을 유발시키는 주요 원인이며 쾌적한 생활 환경 조성의 주요 조건이 되고 있는 추세다.

아파트, 연립주택, 주상복합 건물, 오피스텔 등의 공동 주거용 건물의 경우에는 동일 구조의 세대가 다층을 이루고 있고, 화장실은 공동의 환기용 배관으로 바로 연결되어 있다. 이 환기용 배관이 바로 소음 전달 통로가 되어 층간 소음 문제를 야기한다. 이런 층간 소음 문제에서 화장실의 환기용 배관을 통한 아래층, 위층 간의 소음 전달이 특히 문제가 된다.

실제로 아파트의 화장실에서는 이웃 층에서 발생하는 소변보는 소리, 욕조 물 받는 소리, 대화 소리 그리고 음악 소리 같은 거실의 생활 소음 등이 아주 선명 하게 들리고 있다. 특히 화장실은 대부분 욕실을 겸하고 있어 고도의 사생활 보호가 요구되는 곳이므로 이곳을 통한 층간 소음의 전달은 확실히 차단되어야 한다.

아파트의 욕실 환기구는 비교적 작고, 설치 공간이 좁다. 또한 위생 문제, 습기 문제 및 원활한 환기 문제 등의 제약이 따른다. 욕실용 소음기는 설치 장소가 주로 아파트의 화장실 천장 또는 배기구 비트 내부이므로 팽창비(확대 전후의 두 단면적의 비)가 큰 연결관을 설치할 수 없다. 그리고 통로를 좁게 할 경우 압력 손실이 커지므로 원활한 환기가 일어나지 않아 문제가 된다. 이런 이유 때문에 욕실용 소음기로 덕트 소음기나 자동차 머플러 형태의 소음기를 사용할 수 없다.

상기 내용처럼 공간 제약의 문제, 위생 문제, 환기 문제 등으로 다른 종류의 소음기보다 개발이 까다로움에도 불구하고 최근 들어 다층 건물에 적용할 목적의 환기용 소음기가 꾸준히 개발되고 있다. 종래에 개발된 환기용 소음기는 크게 흡음형 소음기와 팽창형 소음기 그리고 공명형 소음기로 대별된다.

흡음형 소음기는 원통형의 관 내부에 글라스 울(Glass Wool) 등의 흡음재를 라이닝하고 그 비산을 방지하기 위하여 글라스 클로스(Glass Cloth) 등의 직물 재료로 표면을 싼 후 타공판으로 마감한 것이다. 소음기 통로의 벽에 부착된 흡음재 즉 다공질 흡음재는 표면과 내부에 작은 기포(氣泡) 또는 가는 관(管) 모양의 구멍이 많이 있는데, 이 구멍 속의 공기가 음파에 의해 진동하고 이때 생긴 마찰 때문에 음 에너지가 열 에너지로 바뀌어 소음이 소멸된다. 흡음형 소음기의 흡음 성능은 다공질의 정도와 재료의 두께에 따라 달라진다. 흡음형 소음기는 압력손실이 적고 넓은 주파수 범위에서 감음 성능이 뛰어나다는 장점이 있다.

팽창형 소음기는 소음기 내부에 원형관과 분리판을 설치하여 통로 단면의 급격한 변화가 발생하도록 제작한 것이다. 팽창형 소음기는 내부에서 음파의 팽창과 반사가 여러 번 일어나는데 그 과정에서 소음의 정상적인 진행파와 단면에서의 반사파의 간섭에 의해 소음이 소멸되는 특징을 갖는다. 팽창형 소음기의 투과손실은 확대 전후의 두 단면적의 비 즉 팽창비에 의해 결정된다. 팽창형 소음기는 중·저음역에서의 감음 성능이 좋다는 장점이 있다.

공명형 소음기는 소음기 내부에 타공된 원형관과 분리판을 설치하여 여러 개의 공명실을 만들고 각각의 공명실에서 공명 현상이 발생하게 하여 소음을 소멸시키도록 제작한 것이다. 공명형 소음기의 공명주파수와 투과손실은 공명실의 체적, 원형관에 타공된 구멍의 단면적과 개수, 원형관의 단면적과 두께 등에 의해 결정된다. 따라서 원하는 주파수와 감음량에 맞도록 상기의 변수들을 조절하여 사용한다. 공명형 소음기는 중·저음역의 특정 주파수 대역에 대한 감음 성능이 뛰어나다.

최근 들어 다층 건물에 적용할 목적의 환기용 소음기가 꾸준히 개발되고 있다. 종래에 개발된 환기용 소음기로는 흡음형 소음기, 팽창형 소음기, 공명형 소음기 등이 있다.

자동차 머플러 형태의 소음기나 공조기에 적용되는 덕트 소음기는 좀 더 다양한 형태로 제작되고 있으나 이를 그대로 욕실용 소음기로 사용하기에는 설치 공간상의 문제, 위생상의 문제 때문에 어려움이 있다.

종래에 개발된 환기용 소음기 중 흡음형 소음기는 소음기 내부에 부착된 글라스 울 등의 흡음재의 흡음 효과에 의해 소음이 소멸되는 특성을 갖는다. 흡음형 소음기는 압력손실이 적고 비교적 넓은 주파수 범위 특히 중·고주파수 영역에서 감음 성능이 뛰어나다는 장점이 있다. 그러나 저주파수 영역에서의 감음 성능이 떨어지는 단점이 있다. 또한 글라스 울을 사용하므로 오랜 기간 사용시 비산 문제가 발생할 수 있어 주거용 환기구에 적용하기가 곤란하다. 욕실 환기구의 습한 특성도 흡음형 소음기의 적용을 어렵게 하는 요인 중 하나이다.

팽창형 소음기는 급격한 단면의 팽창에 의해 감음 효과를 얻는 소음기로 모든 주파수 영역에서 고른 감음 효과를 볼 수 있는 장점이 있다. 특히 저주파수 영역에서의 감음 효과가 뛰어나다. 그러나 어떤 기본 주파수의 정수 배에 해당하는 일련의 주파수에서 투과손실이 '0'이 되는 현상이 발생하는 단점이 있다. 또한 특정 주파수 대역의 소음이 크게 문제가 되는 경우 이를 효과적으로 제거할 방법이 없다는 문제가 있다.

공명형 소음기는 소음기 내부에 타공관과 분리판으로 공명실을 만들고 공명 현상을 발생하게 하여 소음을 소멸시키는 소음기이다. 공명형 소음기는 중·저음역의 특정 주파수 대역에 대한 감음 성능이 탁월한 장점이 있다. 특히 공명실의 체적, 원형관에 타공된 구멍의 단면적과 개수, 원형관의 단면적과 두께 등을 조절하면 공명주파수와 투과손실을 원하는 데로 결정할 수 있는 장점이 있다. 그러나 공명형 소음기는 감음되는 주파수 대역이 협소하다는 단점이 있다. 이는 특정 주파수 대역의 소음은 거의 완벽하게 소멸시키는 반면 다른 주파수 대역의 소음은 거의 저감시키지 못함을 의미한다. 따라서 공명형 소음기는 그 단독으로는 사용이 곤란하고 팽창형 소음기나 흡음형 소음기와 함께 사용된다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 모든 주파수 영역에 대하여 고른 감음 특성을 가지면서도 특정 주파수 대역의 소음에 대한 감음 성능도 탁월한 소음기를 개발하는 것이다.

상기의 문제점들을 해결하기 위해 본 발명인 소음기는 그 내부에서 간섭 효과와 팽창 효과가 동시에 발생하도록 설계하였다. 즉 소음기의 몸체 내부를 분리판과 팽창관에 의해 여러 개의 공간으로 분리하여 음이 유입되고 토출되는 과정에서 분기와 합류, 압축과 팽창이 발생하도록 하였다.

본 소음기 내부의 분리판은 사각판에 다수개의 구멍을 뚫어 놓은 형태로 소 음기 몸체 내부를 몇개의 공간으로 구분한다. 분리판의 배치에 의해 음의 흐름은 분기하고 합류하는 과정을 반복한다. 즉 분리판에 의해 음의 분기가 발생하고 이는 직접 전달된 음과 우회하여 전달된 음 사이에 경로차가 생기게 하며 최종적으로 두 음이 합류하는 곳에서 간섭 현상이 발생하여 소음은 소멸된다.

본 소음기의 분리판의 구멍에는 팽창관이 삽입되어 있어 음이 이곳을 통과하는 과정에서 압축과 팽창을 일으키도록 제작되었는데 이는 팽창 효과를 일으켜 소음을 소멸시킨다.

상기와 같은 구조에 의해 본 소음기는 간섭 효과와 팽창 효과를 동시에 갖는다.

본 소음기는 음이 분리판을 통과하는 과정에서 여러 번 갈라지고 만나도록 설계되었다. 두 개의 갈라지는 음의 경로차가 음의 파장의 절반이 되는 그 음은 간섭 효과에 의해 완전히 소멸하게 된다. 따라서 저감을 원하는 특정 주파수의 소음이 있을 때 분리판의 위치와 거리를 적절히 조절하여 분기되는 음의 진행 경로의 차이가 음의 파장의 절반이 되도록 하면 그 특정 주파수의 소음은 상쇄 간섭에 의하여 완전히 소멸하게 된다. 공명형 소음기가 특정 주파수 대역의 소음을 상당 부분 소멸시키는데 비해 본 소음기와 같은 간섭형 소음기는 대상 소음을 완전히 소멸시키는 특성을 갖는다.

본 소음기는 내부의 분리판과 팽창관에 의해 통로의 단면적이 급격하게 변하 도록 설계되어 있다. 그래서 음이 소음기 내부를 통과하면서 팽창과 반사가 일어나게 되고 그 과정에서 소음의 정상적인 진행파와 단면에서의 반사파의 간섭에 의해 소음이 소멸되는 특징을 갖는다. 이때의 감음량은 확대 전후의 두 단면적의 비 즉 팽창비에 의해 결정된다. 팽창 효과에 의한 감음 특성은 모든 주파수 영역에서 고르게 나타난다.

상기한 바와 같이 본 소음기는 간섭과 팽창에 의한 감음 효과를 동시에 얻을 수 있다. 따라서 간섭형 소음기의 특징인 특정 주파수에 대한 완전한 감음 효과를 얻을 수 있고 또한 팽창형 소음기의 특징인 넓은 주파수 영역에 대한 감음 효과도 얻을 수 있다.

본 발명인 환기용 소음기는 도 1에 도시한 바와 같이, 직육면체 상자 형태의 몸체(1), 상기 몸체(1)의 일 측면에 부착되는 것으로서 몸체 내부로 음파와 공기가 유입되는 입구관(2), 상기 몸체(1)의 타 측면에 부착되는 것으로서 몸체 내부로부터 음파와 공기가 유출되는 출구관(3), 몸체(1)의 내부 입구관(2)에 가깝게 설치되어 몸체의 내부 공간을 둘로 구분하는 입구분리판(4), 상기 입구분리판(4)의 면에 연이어 부착되는 것으로서 상기 몸체(1)의 내부에 별도의 공간을 형성하는 내부분리판(5), 그리고 상기 입구분리판(4)의 면과 내부분리판(5)의 면에 각각 다수 개가 설치되는 팽창관(6)으로 구성된다.

몸체(1)는 높이가 낮은 직육면체 상자 형태로서, 입구분리판(4)과 내부분리 판(5)에 의하여 상자의 내부가 전실(10), 내실(20), 그리고 측실(30)의 3개의 영역으로 구분된다. 몸체의 재질로는 아연도금강판등의 금속판, 플라스틱판, 합판 등 어떠한 재료로도 제작할 수 있다.

상기 몸체 내부 전실(10)과 측실(30)사이, 그리고 내실(20)과 측실(30) 사이에는 다수개의 팽창관(6)이 부착된다. 이 팽창관(6)은 도면에서와 같이 단면이 사각인 짧은 파이프를 사용할 수도 있고, 길이가 짧은 원통관을 사용할 수도 있다.

입구관(2)은 상기 전실(10)을 이루는 몸체(1)의 측벽에 부착되고, 출구관(3)은 상기 측실을 이루는 몸체(1)의 임의의 측벽에 부착된다.

상기와 같은 소음기의 입구관(2)으로 소음이 유입되면, 이 소음은 전실(10)에서 나누어져서 일부는 측실(30)로 바로 유입되고, 일부는 전실(10)에서 내실을 거쳐 측실(30)로 유입되어 종국적으로 출구관으로 유출된다. 그리고 내실(20)로 유입된 음파도 내실의 정면 및 측면에 있는 다수개의 팽창관(6)을 통하여 측실(30)로 유입되고 종국적으로 출구관(3)으로 유출된다.

특정 주파수의 음파가 둘로 나뉘어 서로 상이한 전파경로를 통하여 각각 전파된 후 다시 합칠 때, 만약 견파경로의 차이가 음파의 파장의 1/2 즉 반파장만큼 차이가 나면 두 음파는 도 2에 도시한 바와 같이 상쇄간섭을 일으켜 소멸된다. 이와 같은 음의 상쇄간섭을 이용한 소음기를 간섭형 소음기라고 한다. 소음의 전파경로가 2개인 간섭형 소음기의 감음특성은 도 3에 도시한 바와 같다.

본 발명의 소음기는 상기와 같이 소음기의 입구관(2)로 유입된 음파가 나뉘어져서 출구관(3)으로 종국적으로 유출될 동안 다양한 경로를 거치게 되는데, 이들 의 음파의 전파경로는 각각 그 길이가 서로 상이하다. 따라서 이와 같은 음파의 전파 과정에서 전파경로의 차이가 1/2 파장 또는 1/2파장의 홀수배만큼 차이가 나는 주파수의 음들이 서로 소멸간섭에 의하여 소멸된다. 즉, 입구관(2)으로 유입된 소음 중 많은 주파수 성분이 소멸간섭으로 소멸되어 소음기를 통과하면서 소음이 저감된다.

음파가 입구와 출구의 단면적이 급격히 변하는 팽창부위를 통과할 때 반사와 간섭 등의 복합적인 원인에 의하여 저감된다. 하나의 팽창부에서 발생하는 팽창에 의한 소음저감 특성은 그림 4에 도시한 바와 같이 주파수에 따라 주기적으로 나타나는데, 소음의 저감정도는 팽창 전후의 단면적의 비인 팽창비가 클수록 크고, 감음주기는 팽창실의 길이에 따라 결정된다. 주기는 팽창실의 길이가 길면 짧아지고, 팽창실의 길이가 짧으면 길어진다. 이와 같은 원리를 이용한 소음기를 팽창형 소음기라고 한다.

본 발명의 소음기는 음파가 전실(10)과 내실(20) 그리고 측실(30) 사이의 입구분리판(4)과 내부분리판(5)에 설치된 다수개의 팽창관(6)을 통과하면서 소음이 저감된다.

본 소음기는 상기와 같이, 입구관으로 유입된 소음이 출구관(3)으로 유출되는 과정에서 다단계의 간섭과 팽창에 의하여 소음이 저감된다.

본 발명의 소음기는 소음기의 몸체(1)의 내면 또는 입구분리판(4)과 내부분리판(5)에 흡음재를 부착하여 흡음에 의한 소음 저감효과를 추가로 더 얻을 수 있고, 입구와 출구에 해충이 침투하는 것을 방지하기 위하여 그물망을 추가로 구비할 수 있다.

아파트, 연립주택, 주상복합 건물, 오피스텔 등과 같은 공동 주거용 건물의 화장실이나 욕실에 적용되어 환기용 배관을 통해 전달되는 층간 소음을 차단하는데 이용된다.

도 1은 본 발명인 소음기의 구성도이다.

도 2는 상쇄간섭에 의한 음파의 소멸 그래프이다.

도 3은 간섭형 소음기의 감음특성 그래프이다.

도 4는 팽창형 소음기의 감음특성 그래프이다.

※ 중요 구성품 번호

1 : 몸체, 2 : 입구관, 3 : 출구관, 4 : 입구분리판, 5 : 내부분리판,

6 : 팽창관,

10 : 전실, 20 : 내실, 3 : 측실.

Claims (2)

1. 직육면체 상자 형태의 몸체(1);

   상기 몸체(1)의 일 측면에 부착되는 것으로서 몸체 내부로 음파와 공기가 유입되는 입구관(2);

   상기 몸체(1)의 타 측면에 부착되는 것으로서 몸체 내부로부터 음파와 공기가 유출되는 출구관(3);

   상기 몸체(1)의 내부 입구관(2)에 가깝게 설치되어 몸체(1)의 내부 공간을 구분하는 입구분리판(4);

   상기 입구분리판(4)의 면에 연이어 설치되는 것으로서 상기 입구분리판(4)과 함께 몸체(1)의 내부에 공간을 형성하는 내부분리판(5);

   그리고, 상기 입구분리판(4)의 면과 상기 내부분리판(5)의 면에 각각 다수 개가 설치되는 팽창관(6);

   으로 구성되어, 몸체(1)의 내부 공간이 전실(10), 내실(20), 그리고 측실(30)로 구분되고, 이들 각 실들은 서로 상기 팽창관(6)들로 연결되어, 음파의 간섭과 팽창에 의하여 입구관(2)으로 유입되어 출구관(3)으로 유출되는 소음이 저감되는 것을 것을 특징으로 하는, 환기용 소음기.
2. 제1항에 있어서, 상기 환기용 소음기는,

   몸체(1)의 내면, 입구분리판(4), 또는 내부분리판(5)에 부착되는 흡음재;

   또는 입구관(2)과 출구관(3)의 끝에 부착되는 그물망;

   중의 어느 하나 이상을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는, 환기용 소음기.

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