KR101337956B1 - Device for reducing noise using sound meta-material - Google Patents

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문유성
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Abstract

본 발명은 음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 음원으로부터 차량의 실내 공간으로 유입되는 소음의 음향 웨이브를 굴절시켜 실내 유입 소음을 저감시킬 수 있도록 한 음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 차량의 대시패널 및 플로어패널 등에 음향 웨이브를 굴절시킬 수 있는 음향 메타재료를 적용하여, 엔진룸으로부터의 소음 및 주행도로부터의 로드노이즈 등이 실내로 유입되더라도, 유입되는 소음의 음향웨이브 굴절률을 변화시킴으로써, 기존의 흡음 및 차음재에 비하여 더욱 우수한 소음 저감 효과를 얻을 수 있고, 경량화를 실현시킬 수 있도록 한 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for reducing noise of a vehicle using acoustic metamaterials, and more particularly, to resonate acoustic waves of noise flowing into an interior space of a vehicle from an external sound source, thereby reducing acoustic noise. It relates to a vehicle noise reduction device using the material.
That is, the present invention applies acoustic metamaterials capable of refracting an acoustic wave to a dash panel and a floor panel of a vehicle, so that even if the noise from the engine room and the road noise from the driving degree flow into the room, By changing the acoustic wave refractive index, it is possible to provide a noise reduction device and method for a vehicle using a meta-material that can achieve a better noise reduction effect than the existing sound absorption and sound insulation materials, and to realize a light weight.

Description

음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치{Device for reducing noise using sound meta-material}Device for reducing noise using sound metamaterials {Device for reducing noise using sound meta-material}

본 발명은 음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 음원으로부터 차량의 실내 공간으로 유입되는 소음의 음향 웨이브를 굴절시켜 실내 유입 소음을 저감시킬 수 있도록 한 음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an apparatus and method for reducing noise of a vehicle using acoustic metamaterials, and more particularly, to resonate acoustic waves of noise flowing into an interior space of a vehicle from an external sound source, thereby reducing acoustic noise. A vehicle noise reduction apparatus and method using the material.

잘 알려진 바와 같이, 차량의 엔진룸과 실내 운전석 사이에는 분리벽 형태의 대시패널이 위치되고, 대시패널의 하단끝에서 차체 후방쪽으로 실내 바닥면을 구성하는 플로어패널이 위치된다.As is well known, a dash panel in the form of a separating wall is positioned between the engine compartment of the vehicle and the interior driver's seat, and a floor panel constituting the interior floor surface is located from the lower end of the dash panel toward the rear of the vehicle body.

첨부한 도 5에 도시된 바와 같이, 기존의 대시패널(20)와 플로어패널(22)에는 흡음재(30)와 차음재(32)가 순차적으로 적층 접착되어, 엔진룸에서 전달되는 소음과 지면으로부터 올라오는 로드노이즈(road noise)를 저감시키거나 차단시키는 기능을 한다.As shown in FIG. 5, the sound absorbing material 30 and the sound insulating material 32 are sequentially laminated and bonded to the existing dash panel 20 and the floor panel 22, and are lifted from the ground and the noise transmitted from the engine room. It serves to reduce or cut off road noise.

그러나, 대시패널 및 플로어패널 등에 흡음재 및 차음재를 두껍게 사용하면 소음을 상당히 많이 저감시킬 수 있으나, 제조단가 증가 및 차량 중량 증가 등 많은 제약이 따른다.However, when the sound absorbing material and the sound insulating material are thickly used in the dash panel and the floor panel, the noise can be significantly reduced, but there are many restrictions such as an increase in manufacturing cost and an increase in vehicle weight.

따라서, 외부 음원으로부터 차량 실내로 유입되는 소음을 저감시킬 수 있는 새로운 방안이 요구되고 있다.
Therefore, a new method for reducing the noise flowing into the vehicle interior from the external sound source is required.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량의 대시패널 및 플로어패널 등에 음향 웨이브를 굴절시킬 수 있는 음향 메타재료를 적용하여, 엔진룸으로부터의 소음 및 주행도로부터의 로드노이즈 등이 실내로 유입되더라도, 유입되는 소음의 음향웨이브 굴절률을 변화시킴으로써, 기존의 흡음 및 차음재에 비하여 더욱 우수한 소음 저감 효과를 얻을 수 있고, 경량화를 실현시킬 수 있도록 한 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and by applying acoustic metamaterials capable of refracting acoustic waves to a dash panel and a floor panel of a vehicle, noise from an engine room, road noise from a driving degree, etc. By changing the acoustic wave refractive index of the incoming noise, even if it enters the room, a noise reduction device and method for a vehicle using meta-material that can achieve a better noise reduction effect and realize a lighter weight than the existing sound absorption and sound insulation materials. The purpose is to provide.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예로서, 차량의 대시패널 및 플로어패널의 내측에 음향 메타재료를 장착하여, 외부 유입 소음의 음향 웨이브가 음향 메타재료를 통과하면서 실내의 소음 인지 지점에서 최대한 먼 지점으로 굴절되도록 한 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치를 제공한다.As an embodiment of the present invention for achieving the above object, by mounting the acoustic meta-material inside the dash panel and the floor panel of the vehicle, the acoustic wave of the external inflow noise passing through the acoustic meta material, the noise point of the room Provides a vehicle noise reduction device using the acoustic meta-material, characterized in that to be refracted to the point as far as possible.

본 발명에 따른 음향 메타재료는 일정한 형태의 금속 셀이 가로 및 세로 방향을 따라 등간격으로 배열되고, 각 금속 셀들이 렌즈에 의하여 감싸여진 형태로 제작된 것임을 특징으로 한다.The acoustic metamaterial according to the present invention is characterized in that the metal cells of a certain shape are arranged at equal intervals along the horizontal and vertical directions, and each metal cell is manufactured in a form surrounded by a lens.

바람직하게는, 상기 음향 메타재료의 각 금속 셀은 십자형 판체와, 십자형 판체의 각 끝단에 일체로 형성된 일자형 판체로 구성된 것을 특징으로 한다.Preferably, each metal cell of the acoustic metamaterial is characterized by consisting of a cross-shaped plate body and a straight plate body integrally formed at each end of the cross-shaped plate body.

더욱 바람직하게는, 상기 음향 매타재료의 양표면에 흡읍재가 더 부착된 것을 특징으로 한다.More preferably, the suction material is further attached to both surfaces of the acoustic medium material.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예로서, 차량의 대시패널 및 플로어패널의 내측에 음향 메타재료를 장착시키는 단계와; 대시패널 및 플로우패널을 경유하여 실내로 유입되는 소음이 음향 메타재료를 통과할 때, 통과하는 소음의 음향 웨이브가 음향 메타재료의 금속 셀이 갖는 질량밀도에 따라 굴절되는 단계; 를 통하여, 음향 웨이브가 실내의 소음 인지 지점에서 최대한 먼 지점으로 굴절되도록 한 것을 특징으로 한다.
In another embodiment of the present invention for achieving the above object, the step of mounting the acoustic metamaterial on the inside of the dash panel and the floor panel of the vehicle; When the noise introduced into the room via the dash panel and the flow panel passes through the acoustic metamaterial, the acoustic wave of the passing noise is refracted according to the mass density of the metal cell of the acoustic metamaterial; Through, the acoustic wave is characterized in that it is refracted to the point as far as possible from the noise recognition point of the room.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above-mentioned means for solving the problems, the present invention provides the following effects.

본 발명에 따르면, 음향 메타재료를 대시패널 및 플로어패널에 장착하여, 엔진에서 발생되는 진동 및 소음을 비롯한 로드노이즈 등의 음향 웨이브를 굴절시킴으로써, 실내 유입 소음을 저감시킬 수 있다.According to the present invention, by attaching the acoustic metamaterial to the dash panel and the floor panel, the inflow noise can be reduced by refracting acoustic waves such as road noise, including vibrations and noise generated from the engine.

또한, 기존의 흡음재 및 차음재에 비하여 음향 메타재료의 두께를 줄일 수 있으므로, 경량화를 이룰 수 있고, 실내공간을 더욱 넓게 확보할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
In addition, since the thickness of the acoustic metamaterial can be reduced as compared with the existing sound absorbing and sound insulating materials, the weight can be reduced, and the effect of securing a wider indoor space can be obtained.

도 1은 본 발명에 따른 음향 메타재료의 구성을 설명하는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 음향 메타재료의 질량밀도 및 체적탄성 변화율을 설명하는 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 음향 메타재료의 음향 웨이브 굴절 원리를 설명하는 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치를 나타내는 개략도,
도 5는 기존의 차량용 소음 저감 장치를 나타내는 개략도.1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an acoustic metamaterial according to the present invention;
2 is a graph illustrating mass density and volume modulus of change of acoustic metamaterials according to the present invention;
3 is a schematic diagram illustrating the principle of acoustic wave refraction of an acoustic metamaterial according to the present invention;
4 is a schematic view showing a noise reduction device for a vehicle using acoustic metamaterials according to the present invention;
5 is a schematic view showing a conventional vehicle noise reduction device.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 메타재료에 대하여 설명하면 다음과 같다.First, the metamaterial will be described in order to help understanding of the present invention.

일반적으로, 굴절률(refractive index)은 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)의 곱에 대한 제곱근(square root)이며, 일반 자연계에서의 물질은 항상 양(positive)의 값을 갖는다. In general, the refractive index is the square root of the product of permittivity and permeability, and materials in general nature always have a positive value.

이에 반해, 메타 재료(meta-material)란 유전율 및 투자율 특성이 모두 음의 값을 갖는 재료를 말하며, 메타 재료의 경우 특정 주파수 구간에서 0 또는 음의 굴절률을 가지는 것으로 알려져 있다.In contrast, the meta-material refers to a material having both negative dielectric constant and permeability characteristics, and the meta-material is known to have zero or negative refractive index in a specific frequency range.

상기 메타 재료는 매우 작은 크기의 금 또는 은 재질로 만들어진 다수 셀로 구성되며, 셀의 모양과 각 변의 크기, 그리고 셀 간의 간격에 따라 유전률과 투자율 그리고 적용 주파수 대역이 결정된다.The meta material is composed of a plurality of cells made of a very small gold or silver material, and the dielectric constant, permeability, and frequency band are determined by the shape of the cell, the size of each side, and the spacing between the cells.

이렇게 만들어진 셀은 복합제로 만들어진 시트나 혹은 하우징 속에 배열시켜서 메타재료 구조물로 만들어지며, 이 메타재료 구조물에 전자기 웨이브나 가시광선이 통과하게 되면 특정 주파수 대역에서 유전률과 투자율이 음의 값으로 나타난다.The cells are then arranged in a composite sheet or housing to form a metamaterial structure, and when electromagnetic waves or visible light pass through the metamaterial structure, the dielectric constant and permeability are negative in a particular frequency band.

이러한 메타재료의 원리를 이용하여 슈퍼 망원경과 현미경, 고성능 안테나, 레이더, 주파수 필터 등 여러 분야에 많이 활용되고 있고, 최근에는 투명망토가 개발된 바 있고, 또한 전자기 메타재료 외에 음향 메타재료에 대한 관심이 높아지고 있다.Using the principle of metamaterials, it is widely used in various fields such as super telescopes, microscopes, high performance antennas, radars, and frequency filters. Recently, transparent cloaks have been developed, and interest in acoustic metamaterials in addition to electromagnetic metamaterials Is rising.

음향 메타재료는 전자기 메타재료와 같이 유전률과 투자율을 조절하는 것이 아니라, 질량밀도와 체적탄성을 조절하여 음향 웨이브의 굴절률을 조절하는 것으로 알려져 있다.Acoustic metamaterials are known to control the refractive index of an acoustic wave by controlling mass density and volume modulus rather than controlling dielectric constant and permeability like electromagnetic metamaterials.

본 발명은 음향 메타재료를 이용하여 외부로부터 실내로 유입되는 소음의 음향 웨이브 굴절률을 변화시켜 차량 실내소음을 저감킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.The present invention has the main point to reduce the noise of the vehicle interior by changing the acoustic wave refractive index of the noise introduced into the room from the outside by using the acoustic metamaterial.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 음향 메타재료를 나타내는 개략도로서, 일정한 형태의 금속 셀(12)이 가로 및 세로 방향을 따라 등간격으로 배열되고, 각 금속 셀(12)들이 렌즈(18)에 의하여 감싸여진 형태로 제작된다.1 is a schematic diagram illustrating an acoustic metamaterial according to the present invention, in which metal cells 12 of a certain shape are arranged at equal intervals along the horizontal and vertical directions, and each metal cell 12 is attached to the lens 18. It is produced in a wrapped form.

보다 상세하게는, 상기 음향 메타재료(10)는 일정 크기의 렌즈(18)내에 각 금속 셀(12)들이 패턴화되며 내재된 것으로서, 각 금속 셀(12)은 십자형 판체(14)와, 십자형 판체(14)의 각 끝단에 일체로 형성된 일자형 판체(16)로 구성된다.More specifically, the acoustic metamaterial 10 is formed by patterning and incorporating each metal cell 12 into a lens 18 of a predetermined size, and each metal cell 12 is a cross-shaped plate 14 and a cross-shaped. It consists of a straight plate 16 formed integrally at each end of the plate 14.

따라서, 외부 음원으로부터 유입되는 소음의 음향 웨이브가 특정 형태의 각 금속 셀(12)이 패턴화되며 내재된 렌즈(18)를 통과하게 되면, 음향 웨이브의 굴절률이 변하게 된다.Therefore, when the acoustic wave of the noise flowing from the external sound source passes through each of the metal cells 12 of a specific patterned pattern and the embedded lens 18, the refractive index of the acoustic wave is changed.

이때, 렌즈(18)를 통과하는 음향 웨이브의 주파수에 따라, 상기 금속 셀(12)의 크기와 렌즈(18)의 크기가 결정되며, 금속 셀(12)의 형상 및 재질은 금속 셀 자체의 체적탄성에 영향을 주고, 금속 셀(12)의 크기는 금속 셀 자체의 질량밀도에 영향을 미치게 된다.At this time, according to the frequency of the acoustic wave passing through the lens 18, the size of the metal cell 12 and the size of the lens 18 is determined, the shape and material of the metal cell 12 is the volume of the metal cell itself. It affects the elasticity, and the size of the metal cell 12 affects the mass density of the metal cell itself.

첨부한 도 2의 그래프에서 보듯이, 금속 셀의 형상과 재질을 변경하지 않는 한 체적탄성은 거의 변하지 않고, 실제 굴절률은 질량 밀도에 따라 변하게 되며, 금속 셀을 통과하는 음향 웨이브는 아래의 수학식 1의 굴절률 공식에 따라 굴절되고, 최종적으로 렌즈를 통과하는 음향 웨이브의 굴절각은 아래의 수학식 2에 의하여 결정된다.As shown in the attached graph of FIG. 2, the volume modulus hardly changes unless the shape and material of the metal cell are changed, and the actual refractive index changes according to the mass density, and the acoustic wave passing through the metal cell is represented by the following equation. The refractive angle of the acoustic wave that is refracted according to the refractive index formula of 1 and finally passes through the lens is determined by Equation 2 below.

Figure 112011089148927-pat00001
Figure 112011089148927-pat00001

Figure 112011089148927-pat00002
Figure 112011089148927-pat00002

이와 같이, 외부 음원으로부터 유입되는 소음의 음향웨이브가 음향 메타재료를 통과할 때, 첨부한 도 3의 개념도에서 보듯이 음향웨이브가 소정의 각도(θ)로 굴절되는 원리를 이용하여, 차량의 실내로 유입되는 소음을 저감시킬 수 있다.As described above, when the acoustic wave of the noise flowing from the external sound source passes through the acoustic metamaterial, the acoustic wave is refracted at a predetermined angle θ as shown in the conceptual diagram of FIG. It is possible to reduce the noise flowing into the.

본 발명에 따른 차량용 소음 저감 장치는 상기와 같이 일정한 형태의 금속 셀(12)이 가로 및 세로 방향을 따라 등간격으로 배열되고, 각 금속 셀(12)들이 렌즈(18)에 의하여 감싸여진 형태로 제작된 음향 메타재료(10)를 이용한 것이다.The noise reduction device for a vehicle according to the present invention includes a metal cell 12 having a constant shape as described above arranged at equal intervals along the horizontal and vertical directions, and each metal cell 12 being wrapped by the lens 18. The produced acoustic metamaterial 10 is used.

보다 상세하게는, 본 발명의 차량용 소음 저감 장치는 음향 메타재료(10)를 차량의 대시패널(20) 및 플로어패널(22)의 크기에 맞게 재단한 다음, 재단된 음향 메타재료(10)의 양표면에 폴리우레탄 재질의 흡읍재(30)를 더 부착하여 대시패널(20) 및 플로어패널(22)의 내면에 장착하여 이루어진 것이다.In more detail, the vehicle noise reduction apparatus of the present invention cuts the acoustic metamaterial 10 to the size of the dash panel 20 and the floor panel 22 of the vehicle, and then cuts the acoustic metamaterial 10 of the cut acoustic metamaterial 10. It is made by attaching to the inner surface of the dash panel 20 and the floor panel 22 by further attaching the suction material 30 made of polyurethane material on both surfaces.

따라서, 엔진룸으로부터 대시패널을 통해 엔진 소음이 실내로 유입되거나, 주행도로로부터 플로우패널을 경유하여 로드노이즈(road noise)가 실내로 유입될 때, 엔진 소음 및 로드노이즈의 음향 웨이브가 음향 메타재료를 통과하면서 소정의 각도로 굴절되도록 함으로써, 차량의 실내 소음을 저감시킬 수 있다.Therefore, when the engine noise is introduced into the room through the dash panel from the engine room or when the road noise is introduced into the room via the flow panel from the driving road, the acoustic wave of the engine noise and the road noise is acoustic metamaterial. By refraction at a predetermined angle while passing through, it is possible to reduce the indoor noise of the vehicle.

첨부한 도 4에서 보듯이, 엔진룸으로부터 방사되는 소음이 대시패널(20)내의 음향 메타재료(10)를 통과할 때, 음향 웨이브가 굴절되면서 그 진행 방향이 플로어패널(22)쪽으로 바뀌게 되므로, 다시 말해서 음향 웨이브가 실내 탑승객의 소음 인지 지점에서 최대한 먼 지점(플로어패널쪽)으로 굴절되므로, 실내 소음 저감 효과를 얻을 수 있다.As shown in FIG. 4, when the noise radiated from the engine room passes through the acoustic metamaterial 10 in the dash panel 20, the direction of the acoustic wave is deflected so that the traveling direction is changed toward the floor panel 22. In other words, the acoustic wave is refracted as far as possible from the indoor passenger's noise perception point (floor panel side), thereby reducing the indoor noise.

또한, 주행도로의 지면으로부터 방사되는 소음이 플로어패널(22)내의 음향 메타재료(10)를 통과할 때, 음향 웨이브가 수직방향(실내 탑승객의 소음 인지 지점)으로 진행되지 않고, 소정의 각도로 굴절되어 플로어패널(22)의 사이드쪽으로 퍼지게 되므로, 실내 소음 저감 효과를 얻을 수 있다.In addition, when the noise radiated from the ground of the driving road passes through the acoustic metamaterial 10 in the floor panel 22, the acoustic wave does not proceed in the vertical direction (the noise recognition point of the indoor passenger), but at a predetermined angle. Since it is refracted and spreads toward the side of the floor panel 22, an indoor noise reduction effect can be obtained.

이와 같이, 대시패널 및 플로어패널에 음향 메타재료를 적용하여, 빛이 굴절되는 프리즘 효과와 유사하게 외부 소음의 음향 웨이브를 굴절시켜 음향 웨이브의 진행 방향을 소음 인지 지점에서 최대한 먼 곳으로 변경시켜 줌으로써, 차량 실내공간을 보다 정숙하게 만들 수 있다.
In this way, by applying the acoustic metamaterial to the dash panel and the floor panel, the acoustic wave of external noise is refracted to change the direction of the acoustic wave as far as possible from the point of noise recognition, similar to the prism effect in which light is refracted. This makes the interior of the car more quiet.

10 : 음향 메타재료
12 : 금속 셀
14 : 십자형 판체
16 : 일자형 판체
18 : 렌즈
20 : 대시패널
22 : 플로어패널
30 : 흡읍재10: acoustic metamaterial
12: metal cell
14 crosshair
16: straight plate
18: Lens
20: dash panel
22: floor panel
30: Suckupjae

Claims (5)

차량의 대시패널(20) 및 플로어패널(22)의 내측에 음향 메타재료(10)를 장착하여, 외부 유입 소음의 음향 웨이브가 음향 메타재료(10)를 통과하면서 실내의 소음 인지 지점에서 최대한 먼 지점으로 굴절되도록 하고,
상기 음향 메타재료(10)는 일정한 형태의 금속 셀(12)이 가로 및 세로 방향을 따라 등간격으로 배열되고, 각 금속 셀(12)들이 렌즈(18)에 의하여 감싸여진 형태로 제작된 것임을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치.
By mounting the acoustic metamaterial 10 inside the dash panel 20 and the floor panel 22 of the vehicle, the acoustic wave of the external inflow noise passes through the acoustic metamaterial 10 and is as far as possible from the noise recognition point of the room. Refraction to the point,
The acoustic metamaterial 10 is characterized in that the metal cells 12 of a predetermined shape are arranged at equal intervals along the horizontal and vertical directions, and each metal cell 12 is made of a form wrapped around the lens 18. Vehicle noise reduction device using acoustic metamaterial.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 음향 메타재료(10)의 각 금속 셀(12)은 십자형 판체(14)와, 십자형 판체(14)의 각 끝단에 일체로 형성된 일자형 판체(16)로 구성된 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치.
The method according to claim 1,
Each metal cell 12 of the acoustic metamaterial 10 is composed of a cross plate 14 and a straight plate 16 formed integrally at each end of the cross plate 14. Vehicle noise reduction device.
청구항 1에 있어서, 상기 음향 매타재료(10)의 양표면에 흡읍재(30)가 더 부착된 것을 특징으로 하는 음향 메타재료를 이용한 차량용 소음 저감 장치.
The noise reduction device for a vehicle using acoustic metamaterials according to claim 1, wherein a suction material (30) is further attached to both surfaces of the acoustic medium material (10).
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