KR101523808B1 - 소음 저감 장치 및 소음 저감 방법 - Google Patents

소음 저감 장치 및 소음 저감 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 부분적으로 하나 이상의 진공 패널(11)로 덮인 하나 이상의 감쇠될 영역(6), 특히 벽부 영역을 포함하는 장치(9)에 관한 것이다. 소음 저감 방법에 있어서, 진공 패널(11)이 부압에 의해 감쇠될 영역(6)에 흡착됨으로써 진공 패널(11)과 하우징(1, 2) 사이에 부압이 인가된 공동(13)이 형성된다.

Description

소음 저감 장치 및 소음 저감 방법 {NOISE-REDUCING DEVICE AND METHOD FOR REDUCING NOISE}
본 발명은 하나 이상의 감쇠될 영역을 갖는 장치 및 소음 저감 방법에 관한 것이다.
기계 설비 또는 전기 설비에서 면형 플레이트 구조물에는 직접적인 또는 간접적인 진동 여기(힘의 도입, 음의 전도)에 의해 굽힘 진동이 여기되고, 이러한 굽힘 진동은 특히 고유 진동의 여기 시 상당한 표면 진동 및 그와 관련된 바람직하지 않은 음향 방사를 동반한다. 그러한 면형 플레이트 구조물은 정적 및/또는 동적 하중 능력의 증대를 위해 종종 리브 또는 비드로 보강된다. 보강되지 않을 경우 최대 진동(진동 파복)이 발생하는 플레이트 영역들에 그러한 보강물이 설치되면, 휨 강도가 국부적으로 증가하게 되어 진폭 및 음향 방사의 상당한 국부적 감소가 야기되고, 전체 플레이트 구조의 고유 진동 거동이 변동하게 된다. 휨 편향도 및 진동 방사의 최대 지점은 보강된 플레이트 구조물에서 보강물들 사이의 각각의 부분 플레이트들의 중심부에 국한된다.
보강되지 않은 또는 보강된 박벽 플레이트 구조물은 진동 가능 시스템을 의미한다. 플레이트 내부의 관성력은 종파, 팽창파, 전단파 및 굽힘파를 야기한다. (평면에 대해 수직인 플레이트의 연장부가 평면 내에서보다 훨씬 더 작은) 박벽 플레이트 구조물에서, 그리고/또는 플레이트 표면에 대하여 수직인 진동이 여기되는 경우에는 음향 방사와 연관되는 굽힘파만 발생한다. 감쇠될 플레이트 구조물의 굽힘 진동의 특징은 장소 및 시간에 좌우되는 진폭(휨) 및 진동 속도이다. 그 결과, 굽힘 진동에 노출된 플레이트 주변의 유체(기체 또는 액체)에는 음향 진동수 범위 내에서 바람직하지 않은 음향으로 간주되는 종방향 진동이 여기된다. 음향 방사도는 주로 진동하는 면의 크기, 표면에 대한 법선 방향의 진동 속도, 그리고 진폭 및 진동 위상각의 물리적 분배에 좌우된다.
지금까지는 수동적 또는 능동적 조치들을 통해 소음 방사 저감이 구현되었다. 수동적 조치로는 하기의 조치들이 공지되어 있다.
(1) 예컨대 고유 모드의 여기를 방지하기 위해 진동수 이동을 위한 부가 질량의 설치 또는 보강 부재들(리브, 비드, 이중벽, 샌드위치 구조물)의 설치를 통한, 굽힘 진동에 노출된 플레이트 구조물(예: 보일러 구조물)의 이조(detuning). 이러한 조치는, 총중량을 급격하게 증가시키고 표면 미관에 부정적인 영향을 미치는 단점이 있다.
(2) 진동하는 플레이트 구조물/보일러 구조물의 격납. 이 경우, 비용이 높고 필요 공간이 많은 단점이 있다. 또한, 음향 효과를 지닌 완벽한 격납의 구현이 불가능한 경우가 많다(공급관, 접근 개구). 게다가, 필수적인 폐열 수송은 완벽한 격납을 방해한다.
(3) 예컨대 다공질 흡음재, 단열 양모, 감쇠율 및 음향 반사율이 매우 높은 층들로 구성된 샌드위치 구조물에 의해 음향 감쇠도가 높은 차음판의 설치. 이 경우, 강성 및 질량에 따라 고유한 플레이트 진동의 진동수 범위에서 음향 감쇠 효과가 감소하는 단점이 있다.
(4) 진동을 여기하는 힘의 감소(예컨대 변압기의 경우, 자기 유도의 감소) 또는 기계 출력이나 전송 출력의 감소를 통한 진동 팽창율 또는 그의 음향 유도의 감소. 그러나 이러한 조치는 비용이 매우 많이 들고, 고객의 이득을 크게 저하시킨다.
능동적 조치로는 하기의 조치들이 공지되어 있다.
(5) 압전 액츄에이터, 전자기 액츄에이터 또는 자기 변형 액츄에이터터를 이용하여 진동 플레이트에 가해지는 힘을 능동 제어함으로써 진동 및 음향을 능동적으로 소거.
(6) 역위상 음향에 의한 능동 소음 제거.
S. Langer의 논문, "단열 유리를 통한 음향 투과(Schalltransmission durch Isolierverglasung)"[Braunschweiger Schriften zur Mechanik No. 41, 브라운슈바익, 2001년]에는 다중 유리창 및 동적 상호작용 과정들을 통한 음파 전파 및 음향 투과를 위한 FEM/REM 계산 모델이 기술되어 있다. 여기서는 주변 공기의 음압 변동으로 인해 굽힘 진동에 노출되어 키르히호프 평판으로서 모델링되는 창유리들이, 가스로 충전된 창유리 사이 공간 및 FEM을 갖춘 건물의, 공기로 채워진 밀폐 공간들과 동일한 방식으로 다루어진다. 여기서는 음향이 전파 매질을 필요로 한다는 사실이 이용된다. 공동 내부의 가스 압력이 감소함에 따라 공기의 밀도가 변동한다. 이에 근거하여, 음속 변동은 하기의 식,
Figure 112011019883702-pct00001
에 따라 예상되며, 여기서 ρ는 가스 밀도이고, p는 가스 압력이며, κ는 등엔트로피 계수(isentropic coefficient)이다. 등엔트로피 계수는 온도와 가스 압력의 함수이지만, 단순한 이상 기체(ideal gas)의 가정에서는 압력 의존도가 무시될 수 있다. 따라서 공동의 충전 공기 내에서의 가스 변동은 단지 가스 밀도의 변동만을 야기한다. 공기 중에서의 손실 없는 음향 전파의 가정에서는 음속이 변하지 않고 유지된다. 음향 투과는 두 매질의 음향 임피던스 비에 의해서도 좌우된다. 단열 유리창은 유리판의 기하학적 치수, 재료 특성, 부압이 형성된 공동 내 가스의 음향 특성(압축탄성률, 밀도 및 이에 좌우되는 음속)에 따라 진동수 의존적 차음도를 갖는다. 표준 조건 하에서와 진공 조건 하에서의, 공기로 채워진 공동의 차음 특성곡선의 전형적인 거동은 원칙적으로 동일하지만, 차음 레벨은 상당히 차이가 있다. 특히 공동 내 압력이 상대적으로 낮으면 유리판들 사이의 커플링이 약화된다. 음향 투과도를 더욱 감소시키는 접합 유리의 사용도 기술되어 있다. 특히 부가 흡음 재료의 감쇠 특성은 차음 특성곡선의 훨씬 더 평탄한 진동수 거동을 야기한다. 다시 말해, 특정 진동수에서 차음도가 급격히 강하하는 현상이 줄어든다. 1999년 "Haus der Technnik" 주최로 에쎈(Essen)에서 열린 세미나에서 발표된 C. Filthaut의 논문, "강 및 플라스틱으로 된 접합판들에 의한 진동 감쇠(Schwingungsdaempfung mittels Verbundblechen aus Stahl und Kunststoff)"에 따르면, 그러한 접합판들의 감쇠 효과는 굽힘 진동 시 중간층이 강제적으로 맥동 변형되게 함으로써 상기 중간층에서 내부 마찰로 인해 진동 에너지가 흡수되도록 하는 것이다.
A. Meier의 논문, "검사대에서 음향 감쇠도의 측정 시 손실 계수의 중요성(Die Bedeutung des Verlustfaktors bei der Bestimmung der Schalldaemmung im Pruefstand)"(Shaker 출판사, 아헨, 2000년)에 의하면, 실험을 통해 결정된 Berger의 질량 법칙에 따른 단일벽체의 음향 감쇠도는 하기의 식,
Figure 112011019883702-pct00002
에 따라 산출되며, 여기서 m"은 플레이트의 면적당 질량을 나타내고, ω = 2πf는 플레이트 법선에 대해 각도(θ)로 입사하는 음파의 각진동수를 나타낸다.
본 발명의 과제는, 특히 굽힘 진동에 노출된 플레이트 영역을 통과하는 음향 방사의 감소를 저렴한 비용으로 비교적 간단하게 구현할 수 있는 가능성을 제공하는 것이다.
상기 과제는 각각의 독립 청구항에 따른 장치 및 방법에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들은 특히 종속 청구항들에 제시된다.
본 발명에 따른 장치는 적어도 부분적으로 하나 이상의 진공 패널로 덮인 하나 이상의 감쇠될 영역을 포함한다. 이 경우, 진공 패널을 이용한 커버링의 특성으로 인해 상기 진공 패널이 감쇠될 영역으로부터 이격됨으로써, 감쇠될 영역과 진공 패널 사이에 부압이 인가될 수 있는 하나 이상의 공동이 형성된다. 이를 위해 공동은 경우에 따라 추가의 공동들을 통해, 정상 작동(normal operation) 중에 부압을 발생시키고 유지하는 부압 수단 또는 진공 수단, 예컨대 진공 펌프와 연결된다.
정상 작동 중에 부압이 인가된 공동에 의해, 소음 방사는 오직 하우징과 진공 패널 사이의 공동을 통한 음향 투과의 감소에 기초한 음향 방사의 감소에 의해서만 효과적으로 달성된다. 즉, 진공에 의해 공동 내 밀도가 감소하면 음향 임피던스가 감소하고, 고체와 진공 간 2개의 전이부에서 음향 투과도가 효과적으로 감소한다. 이로써, 표면 진동 속도 및 그와 더불어 고체 전달음의 세기, 그리고 주위로 방사하는 진공 패널 표면의 방사도가 진공 패널이 설치되지 않은 영역에 비해 감소한다.
바람직하게는 본 발명에 따른 장치와 진공 패널 사이의 진동 전달이 그들 사이의 기계적 접촉을 통해 낮게 유지되도록 하기 위해, 상기 장치에서 진동이 적은 영역에 하나 이상의 진공 패널이 부착된다. 진동이 적은 영역이라 함은 다른 영역들에 비해 진폭이 낮은(최대 진폭의 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하인) 영역, 특히 국부적 진동 최저 영역을 의미한다. 진공 패널의 설치는 바람직하게 거의 점 형 및/또는 선형으로 이루어진다.
또한, 정상 작동 중에 공동 내 부압에 의해 하나 이상의 진공 패널이 고정되는 장치가 바람직하다. 그로 인해, 장치로부터 패널로의 고체 전달음 전달이 특히 항시 고정되어 있는 물리적 연결에 비해 감쇠한다.
하우징과 진공 패널 사이의 충분한 진공 강도 및 추가의 진동 차단을 위해서는, 진공 패널이 탄성 플라스틱 씰을 통해 하우징 상에 지지되는 것이 바람직하다. 플라스틱 씰은 오링, 특히 밀봉 에지형 오링의 형태인 것이 바람직하다. 진공 강도를 높이기 위해서는 실리콘 밀봉 플라스틱 씰이 바람직하다.
하나 이상의 진공 패널에 의해 덮인 영역 또는 공동에 의해 한정된 영역이 적어도 부분적으로 플레이트 및/또는 셸과 유사하게 형성되고, 바람직하게는 보강 부재로 보강되지 않는 장치도 바람직하다. 감쇠될 영역은 일반적으로 보강 부재들(리브, 비드 등)을 포함할 수도, 또는 포함하지 않을 수도 있다. 달리 말하면, 진공 패널은 보강 부재들을 덮을 수도 있고, 또는 보강 부재들이 공동에 의해 한정될 수도 있다.
또한, 감쇠될 영역은 장치의 벽부, 특히 외벽을 포함하는 것이 바람직하다.
이 경우, 하나 이상의 진공 패널은 바람직하게 적어도 부분적으로 하나 이상의 보강 부재, 특히 감쇠될 영역에 인접하는 보강 부재의 근처에 설치된다. 장치의 충분한 강성을 달성하기 위해서는 어떻든 보강 부재들(예: 리브 또는 비드)이 주로 제공되고, 상기 보강 부재의 근방에서는 더욱 작은 진폭이 발생하므로, 부가적인 구조적 복잡도가 덜한 상기 영역에 진공 패널들을 설치하는 것이 바람직하다. 하기에서는, 달리 표현되지 않는다면, 평평한 얇은 영역 및 휘어진 얇은 영역(셸 영역)을 모두 의미하는, 커버링된 플레이트형 벽부 영역들에 기초한 장치를 기술한다.
부압 손실 시 진공 패널이 떨어지지 않도록 하기 위해, 하나 이상의 진공 패널과 장치 사이의 부압이 불충분할 경우 하나 이상의 진공 패널을 기계적으로 고정하기 위한 하나 이상의 부압 강하 방지 수단을 구비한 장치가 바람직하다. 이는 예컨대 장치 반대편 측에서 진공 패널 너머에 도달하는 간단한 돌출부일 수 있다. 정상 작동의 시작 시 진공 패널들이 장치에 대해 가압될 필요가 없도록 하기 위해, 진공 패널을 흡착하기에 충분히 밀폐된 공동이 형성되도록 부압 강하 방지 수단(들)에 의해 진공 패널이 장치 상에 고정되어 있는 것이 바람직하다.
소음 차단을 더욱 개선하기 위해, 장치와 하나 이상의 진공 패널 사이의 공동이 적어도 부분적으로 하나 이상의 흡음 재료, 예컨대 단열 양모 및/또는 다공질 흡음재로 채워지는 것이 바람직하다.
소음 차단을 추가로 더 개선하기 위해, 진공 패널을 다중층으로 설계하는 것(합판)이 바람직하다.
따라서, 진공 패널을 단 2개의 층으로 형성하는 것이 바람직할 수 있으며, 이 경우 하나의 패널층이 흡음층, 특히 플라스틱 감쇠층으로 형성된다. 또 다른 패널층("지지층")은 특히 기계적 특성들(진동 특성곡선, 강도 등)을 결정할 수 있으며, 바람직하게는 금속(강, 알루미늄, 이들의 합금 등), 플라스틱, 세라믹 또는 이들의 화합물에 기반할 수 있다.
진공 패널은 양면에 각각 하나의 흡음층, 특히 플라스틱 감쇠층이 제공된 지지층을 포함할 수도 있으며, 이로써 3중층 합판이 형성된다.
또한, 진공 패널이 적어도 2개의 -특히 금속으로 된- 지지층 사이에 흡음층, 특히 플라스틱 층, 그중에서도 점탄성 플라스틱 층이 삽입된 형태로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
흡음층의 사용에 의해 음향 투과도가 더욱 감소한다. 특히 추가 흡음 재료들의 감쇠 특성은 차음 곡선의 진동수 거동을 거의 평탄하게 한다. 즉, 특정 진동수에서 차음도의 급격한 강하가 감소할 수 있다.
그 대안으로 또는 추가로, 적어도 정상 작동 중에 진공 패널의 적어도 2개의 층 사이에 부압이 인가된 공동이 제공되는 것도 바람직할 수 있다.
이러한 복합 배열은 보편적으로 3개 이상의 층으로 형성될 수 있다.
장치, 특히 장치의 벽부에서 외부면, 내부면 또는 양면(내부면과 외부면) 모두에 진공 패널이 설치될 수 있다.
(진동 가능한 고정부 및 진공 밀봉부를 포함하여) 진공 패널은 바람직하게, 감쇠될 진동수 범위 내에서는 우세한 고유 모드 또는 공진 진동수가 발생하지 않도록 설계된다.
진공 패널(차음 패널)의 두께 및 감쇠될 영역으로부터 진공 패널까지의 간격은, 감쇠될 영역과의 접촉을 야기하는 진공 패널의 휨이 방지되도록 설계되는 것도 바람직하다.
또한, 음향 감쇠를 위해, 감쇠될 관련 영역, 특히 벽 영역, 그중에서도 플레이트형 영역의 면적당 질량보다 진공 패널의 질량이 훨씬 더 작은 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 장치는 바람직하게 하우징으로서 형성된다.
하우징은 바람직하게 전기 장치 또는 기계 장치를 수용하도록, 특히 변압기, 그중에서도 유입형 변압기(oil-immersed type transformer) 또는 모터, 예컨대 전류 발전기를 수용하도록 형성된다.
본 발명에 따른 소음 저감 방법에서는 진공 패널이 부압에 의해 상기 장치에 흡착되며, 그 결과 진공 패널과 감쇠될 영역 사이에 부압이 인가된 공동이 형성된다.
여기 및 방사 메커니즘의 고려 하에, 특히 보강 플레이트 구조물이 힘을 전달하는 보강물(리브/ 웨브, 비드 등)과 음향을 약화시키는 피복 패널로 세분됨으로써 상당한 소음 저감이 달성될 수 있다.
하기의 도면들에는 실시예를 토대로 본 발명이 도식화되어 더 상세히 기술되며, 단지 이해를 돕기 위해 본 발명에 따른 장치가 하우징으로서 형성되어 있다. 동일한 요소들 또는 동일한 기능을 하는 요소들에는 동일한 도면부호가 부여될 수 있다.
도 1a는 예시로 선택된 진동 진폭 분포를 갖는 하우징의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 선택된 하우징 섹션의 또 다른 가능한 공진 진동 진폭 분포를 나타내는 2개의 부분도이다.
도 2는 도 1a의 하우징에 진공 패널들이 부착된 모습의 일 섹션의 측단면도이다.
도 3은 도 2의 섹션의 평면도이다.
도 4는 도 2의 장치에서 상이하게 구성된 부압 손실 고정 부재를 구비한 진공 패널의 가장자리 영역을 확대한 2개의 부분 측단면도(도 4a 및 도 4b)이다.
도 5는 도 2의 장치에서 상이하게 구성된 진공 패널을 구비한 진공 패널의 가장자리 영역을 확대한 2개의 부분 측단면도(도 5a 및 도 5b)이다.
도 6은 가능한 또 다른 구성의 진공 패널의 측단면도이다.
도 1a에는 (도시되지 않은) 유입형 변압기 및 관련 충전 오일을 수용하기 위한 상향 개방식 하우징(1)이 도시되어 있다. 개방식 하우징(1)은 5개의 직선 벽부를 포함하며, 외부에서는 이 벽부들 중 2개의 측벽(2)이 보이며, 내부에서는 또 다른 2개의 측벽(3)이 보인다. 벽부들(2, 3)의 기본 형태는 각각 플레이트형, 즉 자신의 평면 연장부에 비해 얇은 두께를 갖는 형태이다. 벽부들(2, 3)의 외부면에는 상기 벽부들의 안정화를 위해 바깥쪽을 향하는 보강 리브들(4)이 부착된다. 즉, 벽부들(2, 3)은 각각 굽힘 진동하며 리브로 보강된 플레이트로도 간주될 수 있다. 변압기가 삽입되면 개방된 상부면(5)이 (도시되지 않은) 커버로 닫히며, 상기 커버 역시 보강 리브들을 포함할 수 있다. 보강 리브들(4)에 의해 각각의 측벽(2, 3)이 기계적으로 보강됨으로써, 리브들(4)의 근방에서는 측벽들이 변압기에 의한 진동 여기에 대해 비교적 진동이 덜한 형태로 반응한다. 달리 말해, 영역(6)은 보강 리브들(4) 및 보강 리브들의 주변 근방에 하우징(1)의 저진동 영역을 제공한다. 따라서 보강 리브들(4) 옆의, 보강되지 않은 플레이트형 (부분) 영역(6)에서 비교적 큰 진동 진폭이 형성된다. 이 경우, 진동에 더 민감한 상기 영역(6)이 전체 면에서 보강 리브들(4) 및 보강 리브들의 근방에 놓인 저진동 영역에 비해 더 큰 진동 진폭을 가질 필요는 없다. 오히려 보강되지 않은 영역(6)에서도 여기의 유형에 따라 정상(steady-state) 진동 노드들이 생성될 수 있으며, 상기 진동 노드들은 보강 리브들(4)로부터 다소 떨어진 곳에서도 저진동 영역이 형성되도록 한다. 모서리부 등의 영역에도 저진동 영역이 형성될 수 있다.
또한, 예시로 선택된, 하우징(1) 측벽(2)의 비보강 영역(6)이 점선으로 표시되어 있으며, 상기 비보강 영역은 부분적으로 보강 리브들(4)로 둘러싸이며, 자체적으로는 보강 리브를 포함하지 않는다. 점선으로 표시된 상기 영역(6) 내에는 단지 예시로서, 변압기에서 전형적인 여기 하에서의 진동 진폭의 세기가 등고선을 이용하여 도시되어 있다. 점선으로 표시된 영역(6)에서는 2개의 국부 진동 진폭 최대 지점(Amax)이 나타나는데, 이들이 동일한 세기를 가질 필요는 없다. 상기 두 진폭 최대 지점 사이에서는 진동 진폭이 감소하며, 상기 두 진폭 최대 지점(Amax) 사이의 대략 중간 부분에서 상대 진폭 최소 지점(Amin)의 저진동 영역이 획득된다.
도 1b에는, 도 1a에 점선으로 표시된 영역(6)이 각각 상이한 여기에 의해 발생하는 또 다른 2개의 가능한 진동 진폭 분포를 갖는 예시가 도시되어 있다. 좌측 부분도에서는 도시된 측벽(2)의 영역(6) 내에 단 1개의 진동 진폭 최대 지점(Amax)이 형성되는데, 이때 진동 패턴은 상기 영역에 걸쳐서 단일의 진동 파복의 형태로 분포된다.
또는, 우측 부분도에 도시된 것처럼, 관련 영역에 걸쳐서 복수의(여기서는 3개의) 진동 최대 지점(Amax)이 형성될 수 있는 여기 조건들도 가능하며, 그 결과 도 1a에 도시된 예와 유사하게 진동 최대 지점들 사이에 보강 리브들 또는 비드 등과 같은 다른 보강 부재들이 설치되지 않은, 비교적 진동이 적고 국부 진동 최소 지점(Amin)을 갖는 영역이 형성될 수 있다.
하우징 벽들의 진동에 의해 주변으로 음향이 방사되며, 이러한 음향은 상당한 방해 요인으로 느껴진다. 이러한 음향 방사는, 하기에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 하우징 또는 하우징 벽들에 진공 패널들이 설치됨으로써 감소할 수 있다. 높은 음향 감쇠도를 달성하기 위해서는 진공 패널 자체에 진동이 여기되지 않도록 해야 한다. 도 1a에 점선으로 표시되어 있고 도 1b에도 도시된 영역(6)에 하나 이상의 진공 패널을 부착하는 조치는 저진동 영역에서 수행되어야 한다. 이를 위해, 도 1a 및 도 1b에 도시된 각각의 경우에, 특히 파선의 부착선(7)으로 도시된 영역(6)의 외측 가장자리에 하나의 진공 패널이 부착될 수 있다. 이 경우, 하나의 진공 패널이, 여기에 따라, (각각 하나의 국부 진동 최대 지점을 갖는) 하나 이상의 부분 고진동 영역을 커버한다. 도 1a, 및 도 1b의 우측 부분도에 도시된 경우에 (각각 하나의 국부 진동 최소 지점)을 갖는) 저진동 부분 영역에서도 진공 패널의 고정 또는 지지(지지점)(8)가 구현될 수 있다. 그 대안으로, 진공 패널이 적어도 부분적으로 보강 부재에 지지될 수도 있다.
일반적으로 진공 패널(11)의 지지는 바람직하게, 진동이 저감되는 하우징 플레이트 영역들에서, 예컨대 리브 또는 비드로 보강된 영역들 옆에 또는 보강 구조물들 사이의 하우징 플레이트 영역들의, 고유 진동 모드가 우세한 마디선들(node lines)의 영역에 주변을 둘러싸는 밀봉 오링에 의해 이루어진다. 이 경우, 추가로 필요한 점형 또는 선형 지지점들이 포지셔닝될 수 있다.
도 2에는, 중간에 1개의 추가 보강 리브(4)를 포함하는 2개의 보강 리브(4)에 의해 측면이 한정되는, 도 1a의 하우징(1)의 측벽(2)을 (z축을 따라) 수직 방향으로 잘라낸 단면도가 도시되어 있다. 하우징(1) 내부(9)에 더 높은 압력의 하중을 수용하기 위해 보강 리브들(4) 사이에 놓인 측벽(2) 섹션이 약간 안쪽으로(x축의 반대 방향으로) 휘어진다. 하우징(1) 내에 수납된 변압기, 특히 그 내부가 오일로 채워져 있는 유입식 변압기의 작동 시, 측벽(2)은 오일을 통해 전달된 변압기 소음으로 인해 진동한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 것처럼, 벽부(2)에서 보강 리브들(4) 또는 그 근방에 놓인 영역에서는 비교적 진동이 적고, 예컨대 이중 화살표(A1)로 표시된 것처럼 보강 리브들(4)에 의해 한정된, 플레이트와 유사한 벽부 영역들(6)에서 강한 진동이 발생한다. 음향 발생에 결정적인 진동은 플레이트와 유사한 벽부 영역(6)의 표면에 대해 수직으로 또는 상기 표면의 법선에 대해 대략 평행하게 놓인다. 보강 부재들이 설치되지 않은, 도시된 2개의 플레이트와 유사한 영역(6) 각각은 플레이트형 진공 패널(11)로 덮인다.
플레이트형 진공 패널(11)은 그 자체가 진동 가능한 시스템이며, 상기 진공 패널의 고유 진동수는 그의 기하학적 구조(두께, 길이, 폭), 물리적 특성(탄성계수, 밀도), 클램핑 상태에 의해, 그리고 일측에 압력이 가해지는 경우 그에 기인하는 힘 경계조건들에 의해 결정된다. 진공 패널(11)의 진동 특성은 예컨대 키르히호프 평판 이론에 기초하여, 또는 티모센코-민들린(Timoshenko-Mindlin)에 따른 굽힘파 방정식에 기초하여 결정될 수 있다. 진공 패널(11)은 감쇠될 진동수 범위 내에 우세한 고유 모드 또는 공진 진동수가 존재하지 않도록 설계된다. 또한, 진공 패널(11)의 두께는 필드 치수설계 및 굽힘 강도에 기초하여 [대기압과 공동(13) 내 부압 사이의] 압력차에 의해, 진공 패널(11)의 하부에 놓인 플레이트 구조물(6)과의 접촉을 야기하는 진공 패널의 휨이 방지되도록 선택된다.
음향 감쇠를 위한 진공 패널(11)의 질량도 면적이 같은 감쇠 플레이트 구조물(2, 6)의 질량보다 훨씬 더 작다.
각각의 진공 패널(11)은 부압 밀봉식 가장자리 씰(12)을 통해 보강 리브들(4) 사이에 존재하는 영역(6) 상에 놓여, 각각의 보강 리브(4)에 대해 약간의 간격을 두고 상기 영역을 덮는다. 가장자리 씰(12)은 플레이트(6)와 단열 패널(11) 사이의 스페이서로도 사용된다.
진공 패널(11), 하우징 벽(2) 및 주연 가장자리측 씰(12)에 의해 진공 패널(11)과 하우징 벽(2) 사이에, 각각의 진공 라인(14)을 통해 최대한 소음이 적은 진공 펌프(15)와 연결되는 공동 또는 공간(13)이 형성된다. 진공 펌프(15)는 기본적으로 부압이 인가된 공동들(13)에 직렬로 또는 병렬로 연결된다. 정상 작동(steady-state operation) 시, 진공 펌프(15)는 누설율 손실만 보상하면 되므로, 진공 펌프(15)는 그에 상응하게 소형으로 설계될 수 있다. 또한, 압력 조절을 통해 압력 조절 영역 내부에 충분한 부압이 보장되는 경우, 진공 펌프(15)의 연속 작동은 불필요하다.
진공 펌프(15)의 작동 시, 공동(13) 내에 형성되는 부압에 의해 진공 패널(11)이 화살표로 표시된 것처럼 힘(FA)에 의해 하우징 벽(2) 또는 플레이트형 영역(6)에 흡착되거나 당겨진다. 이 경우 부압은 바람직하게, 진공 패널(11)의 수평 위치 또는 수직 위치에 따라 상기 진공 패널이 접촉 압력(FA)에 의해 모든 정적 힘(예: 중력) 및 (모든 작동 조건 하에서의) 동적 힘에 대항하여 앞서 포지셔닝된 위치에 안전하게 보유되도록 설정된다. 이러한 방식으로 공동(13) 내에 세팅된 부압은 한편으로는 하우징 벽(2, 6)에 진공 패널(11)이 확실하게 고정되도록 하는 데 이용되며, 다른 한편으로는 플레이트와 유사한 영역(6)으로부터 공동(13)을 통과하여 음향이 전달됨으로써 진공 패널(11)의 진동 여기가 감소함으로 인해 소음이 저감되도록 한다. 다시 말해, 공동(13) 내의 상대적으로 낮은 압력이 진동하는 플레이트(6)와 진공 패널(11) 사이의 커플링을 완화시켜, 차음 효과를 향상시킨다.
진공 씰(12)이 비교적 유연할 뿐 아니라 진공 패널(11)의 고정이 비영구적이기 때문에, 하우징(2, 6)과의 고정부(16)를 통해 전달되는 고체 전달음으로 인한 진공 패널(11)의 진동 여기가 낮음으로써 진동 감쇠가 더욱 효과적이게 된다. 부압이 약화하거나 소멸할 경우 진공 패널(11)은 별다른 조치 없이도 하우징(2, 6)으로부터 헐거워진다.
의도적인 또는 의도하지 않은 부압 손실 시 진공 패널(11)이 하우징(2, 6)으로부터 떨어지지 않도록 하기 위해, 예컨대 점형 부압 손실 고정 부재(16) 및 선형 부압 손실 고정 부재(17)가 도시되어 있으며, 상기 부압 손실 고정 부재들은 부압 손실 시 진공 패널(11)을 파지한다. 이 경우, 구조적으로 고정 부재들의 위치 및 기하구조에 의해, 정상 작동 중에 진공 상태에서 고정 부재들을 통해 패널로 뚜렷한 진동 전달이 이루어지지 않는 점이 보장된다. 압력 손실 시, 패널 및 공동 장치 자체의 흡음 특성에 의해 잔여 차음 효과가 유지된다.
공동(13) 내에 부압이 재형성될 경우 진공 패널들(11)을 개별적으로 다시 하우징에 대해 압착시킬 필요 없이 진공 패널들이 자동으로 다시 하우징(2)으로 당겨지도록 하기 위해, 진공 패널(11)을 하우징(1, 6)에 대해 가볍게 누르도록 부압 손실 고정 부재(16, 17)가 추가로 설계 및 배치되며, 그럼으로써 씰(12)은 충분한 밀폐도를 유지한다.
부압이 가해지는 공동(13)에 추가로 흡음 재료들, 예컨대 단열 양모 및/또는 다공질 흡음재가 구비될 수 있다(도시되지 않음).
한 대안적 실시예에서는 예컨대 상이한 공동들(13)이 유체학적으로 서로 연결될 수 있고, 그 결과 각각의 공동(13)이 진공 펌프(15)로의 고유 연결부(14)를 가질 필요가 없다.
총괄적으로, 진공 패널(11)에서는 그 하부에 놓인 감쇠될 영역에 비해, 상대적으로 더 작은 이중 화살표(A2)로 표시된 것처럼, 훨씬 더 적은 진동이 발생한다.
도 3에는 각각의 진공 패널(11) 또는 공동(13)으로 덮이고 직선 리브들(4)에 의해 측면이 한정된 2개의 하우징 영역(6)의 평면도가 도시되어 있다. 평면도로 볼때 진공 패널들(11)은 모서리가 둥근 직사각형 기본형을 갖는다. 밀봉 에지형 오링의 형태로 제공되는, 본 도면에서 점선으로 표시된 위치를 갖는 부압 씰(12)은 진공 패널(11)의 주연부 근처에 놓여 상기 주연부의 모양을 따른다. 우측 진공 패널(11)의 경우, 예컨대 2가지 유형의 부압 손실 고정 부재, 즉 이미 도 2에서 기술한 "점형" 부압 손실 고정 부재(16) 및 "선형" 부압 손실 고정 부재(17)가 도시되어 있다.
도 4a에는 보강 리브(4)의 영역에서 부압 손실 고정 부재(16 또는 17)가 도 2와 유사한 모습으로 도시되어 있다. 한 실시예에서 부압 손실 고정 부재(16, 17)는, 보강 리브(4)로부터 측면으로 돌출되어 진공 패널(11) 너머로 연장되는 금속 돌출부(18)를 포함한다. 금속 돌출부에는 탄성 플라스틱 부재("스토퍼")(19)가 진공 패널(11)을 향하여 고정되어 오링(12)에 대해 상기 진공 패널을 가압하도록 배치된다.
도 4b에 도시된 변형예에서는 부압 손실 고정 부재(16, 17)가 보강 리브(4)로부터 돌출되지 않고, 보강 리브(4)에 의해 한정되는 플레이트형 벽 영역(6)으로부터 돌출한다. 따라서 부압 손실 고정 부재(16, 17)는 금속 고정부(20)를 가지며, 이 금속 고정부는 진공 패널(11)과 진공 패널(11) 전방의 보강 리브(4) 사이에서 영역(6)에서 출발하여 수직으로 연장된 다음, 외측으로부터 측면으로 진공 패널(11) 상부에 도달하도록 구부러진다. 이 경우에도, 금속 고정부(20)에 플라스틱 스토퍼(19)가 제공된다. 부압 손실 시, 진공 패널(11)은 스토퍼를 더 강하게 밀어내며, 그럼으로써 플레이트 영역(6)까지의 거리를 더 증가시킨다. 그러나 진공 패널(11)이 씰(12)로부터 들어올려지는 것이 아니라 단지 상기 씰의 하중을 경감시킬 뿐이므로, 후속하여 다시 부압이 형성될 수 있고, 상기 부압은 진공 패널(11)을 자동으로 플레이트 영역(6)을 향해 당긴다.
도 5a에는 진공 패널(11)의 가장자리 영역에 배치된 벽 영역(6), 씰(12), 진공 패널(11) 및 공동(13)의 또 다른 세부도가 도시되어 있으며, 여기에는 튜브형 씰 형태의 부압 안전 씰 링(12)이 형성되어 있다. 씰(12)의 물리적 고정을 위해, 진공 패널(11)이 그의 하우징(2)쪽 측면에 씰(12)의 부분 수용을 위한 수용 홈(21)을 갖는다. 한 대안적 실시예에서는 상기 수용부(21)가 하우징(2)에, 또는 하우징(2)과 진공 패널(11) 모두에 제공될 수도 있다.
도 5b에 도시된 또 다른 진공 패널(22)의 실시예에서는, 진공 패널이 상호 의존적인 또는 상호 절연된 복수의 진공 챔버(24)가 (샌드위치 구조로) 적층된 형태로 구현되어 있다. 세부적으로는, 서로 이격된 2개의 패널층(지지층)(23)이 부압이 인가된 공동(24)에 의해 서로 분리되며, 이때 공동(24)의 뒷면은 추가의 진공 씰(12)에 의해 밀봉된다. 이때, 진공 패널(22)의 공동(24) 내 부압은 진공 펌프로 연결된 고유 유체 라인을 통해 형성될 수 있거나, 예컨대 공동(24)이 부압 패널(22)과 하우징(2) 사이의 부압이 인가된 공동(13)과 예컨대 하나 이상의 덕트를 이용하여 유체학적으로 연결됨으로써 형성될 수 있다. 이러한 구현형은, 기본적으로 상하로 적층된 2개의 진공 패널 또는 패널층(23)이라고도 서술될 수 있는 점에서, "이중 진공 패널"이라고도 지칭될 수 있다. 물론 패널(23)의 유형 및 형태는 도 1 내지 도 5a의 패널(11)의 유형 및 형태와 상이할 수 있다. 소음 감쇠도가 더욱 향상된 n층의(이때, n≥3) 진공 패널을 얻기 위해 2개 초과의 패널층 또는 패널을 적층 배치하는 것도 가능하다.
진공 패널 또는 패널층을 위해 강판 또는 알루미늄판이 사용될 경우, 상기 재료들은 내부 감쇠도가 그리 높지 않다. 즉, 플레이트 내에서 고체 전달음이 거의 아무런 방해 없이 전파되어, 전면에 걸쳐 공기 전달음으로서 방사될 수 있다. 패널의 감쇠도를 높이기 위해, 예컨대 패널 상에 적어도 한 면에 적어도 하나의 감쇠 흡음층, 예컨대 플라스틱 라이닝이 적층되거나(2중 합판), 2개의 덮개판 사이에 하나의 흡음층, 특히 감쇠 플라스틱 층이 삽입될 수 있다(3중 합판). 이러한 또는 이와 유사한 합판의 감쇠 효과는, 플레이트의 굽힘 진동 시 감쇠 플라스틱 층에 진동 변형이 강요되지 않음으로써, 감쇠 플라스틱 층에서는 내부 마찰의 결과로 진동 에너지가 흡수된다.
도 6에는 3중층 형태의 진공 패널(25)의 또 다른 가능한 실시예가 도시되어 있는데, 여기서는 진공 패널(25)의 2개의 금속 지지층(23) 사이에 공동이 제공되지 않고, 흡음성 중간층(26)이 제공된다. 진동 에너지의 매우 효과적인 소산을 위해, 중간층(26)이 점탄성 플라스틱을 함유한다. 여기에 도시된 실시예에서 플라스틱 중간층(26)의 두께는 25㎛ 내지 50㎛이다.
원칙적으로 더 많이 교대되는 중간층들(26) 및 커버층들(23)이 존재할 수 있으며, 예컨대 3개의 금속 패널층(23) 사이에 2개의 점탄성 중간층(26)이 삽입될 수 있거나, 더 일반적으로는 n+1개의 금속 패널층(지지층)(23) 사이에 n개의 흡음성 중간층(26), 특히 점탄성 중간층이 삽입될 수 있거나, n개의 흡음층과 n개의 지지층이 교대될 수 있거나, n+1개의 흡음성 중간층(26) 사이에 n개의 지지층이 삽입될 수 있다.
금속 지지층들 대신, 플라스틱 및/또는 세라믹으로 이루어지거나 이들을 함유한 지지층들도 사용될 수 있다.
이러한 진공 패널들(25)은 도 5b의 진공 패널들(22) 대신 사용될 수도 있고, 도 5b의 단 1개의 패널층(23) 대신 사용될 수도 있다.
물론 본 발명이 도시된 실시예들로만 제한되는 것은 아니다.
감쇠될 플레이트 구조물은 일반적으로 한쪽 면에 농축 유체(예: 유입형 변압기용 하우징의 경우에는 오일, 또는 탱크 구조물의 경우에는 물)가 제공될 수도 있고, 제공되지 않을 수도 있다.
진공 패널들은 감쇠될 플레이트 구조물의 앞면 및/또는 뒷면에 배치될 수 있다.
진공 패널들은 이미 존재하는 보강된 플레이트 구조물에 추후에 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 변압기 하우징으로만 한정되지 않으며, 예컨대 모터 등을 위한 하우징으로도 형성될 수 있다.
1 하우징
2, 3 측벽
4 보강 리브
5 개방된 상부면
6 진동에 민감한 벽 영역
7 부착선
8 지지점
11 진공 패널
12 가장자리 씰
13 공동
14 진공 라인
15 진공 펌프
16, 17 부압 손실 고정 부재
18 돌출부
19 스토퍼
20 고정부
21 수용부
22 진공 패널
23 패널층
24 공동
25 진공 패널
26 변형 가능한 중간층
Amax 진동 진폭 최대 지점
Amin 진동 진폭 최소 지점
FA 접촉 압력

Claims (16)

  1. 공동(13)을 가로질러 플레이트 형상 영역(6)의 적어도 일부를 덮는 하나 이상의 진공 패널(11)로서, 상기 플레이트 형상 영역(6)은 감쇠될 소음을 발생시키는 진동원이고, 상기 공동(13)에는 진공 압력이 가해지는, 하나 이상의 진공 패널(11)과,
    상기 진공 패널(11)의 가장자리의 형상을 따라서 진공 패널(11)의 가장자리 상에 배치되는 유연성 있는 재료로 제조되고, 하나 이상의 진공 패널(11)과 플레이트 형상 영역(6) 사이에 공동(13)을 제공하는, 가장자리 씰(12)을 포함하는 장치(1)로서,
    상기 가장자리 씰(12)과 진공 패널(11)은 영구 고정식 물리적 결합 방식에 의해 고정되지 않고, 하나 이상의 진공 패널(11)이 공동(13) 내의 부압으로 인한 힘에 의해 플레이트 형상 영역(6)을 향하여 가압되는 방식으로 고정되어, 상기 가장자리 씰(12)이 하나 이상의 진공 패널(11)과 플레이트 형상 영역(6) 사이의 스페이서로서 작용하고, 동시에 상기 가장자리 씰(12)이 공동(13)의 밀봉제로서 작용하도록, 상기 가장자리 씰(12)과 공동(13)은 하나 이상의 진공 패널(11)과 플레이트 형상 영역(6) 사이에 끼워져서, 플레이트 형상 영역(6)으로부터의 진동에 의해 유발된 소음의 방출이 감소되는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가장자리 씰(12)은 플레이트 형상 영역(6)에 대해 상기 장치(1)의 저진동 영역(7) 상에 배치되는
    장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트 형상 영역(6)은, 적어도 부분적으로 플레이트 형상 또는 셸 형상이며, 상기 진공 패널(11)에 의해 덮인
    장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 플레이트 형상 영역(6)에 인접하는 보강 부재(4)를 포함하고, 상기 진공 패널(11)은 상기 보강 부재(4) 상에 또는 상기 보강 부재(4) 근방에 설치되는
    장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    장치의 상기 플레이트 형상 영역(6)과 상기 진공 패널(11) 사이의 공동(13)의 진공이 너무 낮아 존재하지 않는 경우에, 하나 이상의 진공 패널(11)을 고정시키고, 상기 진공 패널(11)을 장치의 상기 플레이트 형상 영역(6)을 향하여 가압함으로써 상기 공동(13)의 밀봉 상태를 유지시키기 위한 하나 이상의 부압 손실 고정 부재(16, 17)를 더 포함하는
    장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공동(13) 내에 배치된 흡음 재료를 더 포함하는
    장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수 개의 진공 패널(11)을 구비하고, 상기 진공 패널(11) 각각은 장치의 플레이트 형상 영역(6)을 덮는 다중층 구성을 형성하도록 가장자리 씰(12)을 구비하는 패널 층(23)으로서 사용되고, 상기 다중층 구성은 패널 층(23)으로서의 진공 패널(11)이 공동(13)을 통해 각각 서로 대면하도록 구성되고, 상기 공동은 패널 층(23)들 사이의 스페이서로서 사용되는 가장자리 씰(12)에 의해 유지되는
    장치.
  8. 제7항에 있어서,
    패널층(11, 23) 중 하나 이상은 흡음 재료(26)로서 점탄성 재료를 더 포함하는
    장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 진공 패널(11)은, 상기 플레이트 형상 영역(6) 상에서 장치의 외부면에 또는 외부면과 내부면 모두에 배치되는 복수 개의 진공 패널(11) 중 하나인
    장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 하우징(1)의 형태이고, 상기 하우징은 감쇠될 진동원을 구비하는 장치를 수용하도록 구성되는
    장치.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 전기 장치를 수용하도록 구성되는 하우징을 구비하는
    장치.
  12. 장치의 소음을 저감시키는 방법이며,
    공동(13)을 가로질러 하나 이상의 진공 패널(11)에 의해 플레이트 형상 영역(6) 중 적어도 일부를 덮는 단계로서, 상기 플레이트 형상 영역(6)은 감쇠될 소음을 발생시키는 진동원이며, 상기 공동(13)에는 진공 압력이 가해지는, 단계와,
    진공 패널(11)의 가장자리의 형상을 따라 진공 패널(11)의 가장자리 상에 유연성 있는 재료로 제조되는 가장자리 씰(12)을 배치하고, 상기 배치된 가장자리 씰(12)을 스페이서로서 사용하여, 하나 이상의 진공 패널(11)과 플레이트 형상 영역(6) 사이에 공동(13)을 제공 및 유지하는 단계와,
    상기 가장자리 씰(12)과 진공 패널(11)을 영구 고정식 물리적 결합 방식으로 고정하지 않고, 공동(13) 내의 부압으로 인한 힘에 의해 플레이트 형상 영역(6)을 향해 하나 이상의 진공 패널(11)을 가압하는 방식으로 고정하는 단계와,
    상기 가장자리 씰(12)이 하나 이상의 진공 패널(11)과 플레이트 형상 영역(6) 사이의 스페이서로서 작용하고, 동시에 상기 가장자리 씰(12)이 공동(13)의 밀봉제로서 작용하도록, 상기 가장자리 씰(12)과 공동(13)은 하나 이상의 진공 패널(11)과 플레이트 형상 영역(6) 사이에 끼워져서, 플레이트 형상 영역(6)의 진동에 의해 유발된 소음의 방출이 감소되는 단계를 포함하는
    소음 저감 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전기 장치는 변압기인
    장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
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