KR101588471B1 - 가청 음향 주파수 관리를 위한 방음벽 - Google Patents

Abstract

방음벽은 제1 밀도를 가진 제1 매질에 배치되고 제1 밀도와 상이한 제2 밀도를 가진 제2 매질로 제조된 구조체의 사실상 주기적인 배열을 포함하는데, 제1 및 제2 매질 중 하나는 종방향 음파의 진행 속도와 횡방향 음파의 진행 속도를 가진 점탄성 매질이고 종방향 음파의 진행 속도는 횡방향 음파의 진행 속도의 적어도 약 30배이며, 제1 및 제2 매질 중 다른 하나는 점탄성 또는 탄성 매질이다.

Description

가청 음향 주파수 관리를 위한 방음벽{SOUND BARRIER FOR AUDIBLE ACOUSTIC FREQUENCY MANAGEMENT}

우선권의 진술

본 출원은 2007년 12월 21일자로 출원된 미국 가출원 제61/015,793호의 우선권을 주장하며, 이의 내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.

본 발명은 방음벽에 관한 것이며, 다른 태양에서, 방음벽의 제조 방법 및 방음을 위한 그의 사용 방법에 관한 것이다.

방음 재료 및 구조체는 음향 산업에서 중요한 응용을 가진다. 흡수기 및 반사기와 같은 음향 산업에서 사용되는 전통적인 재료들은 통상 주파수 선택적 음 조절을 제공하지 않고서 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 활성이다. 활성 소음 제거(Active noise cancellation) 장비는 주파수 선택적 음 약화를 가능하게 하지만, 이는 전형적으로 한정된 공간에서 가장 효과적이며 출력과 제어를 제공하기 위한 전자 장비에 대한 투자 및 전자 장비의 작동을 요구한다.

전통적인 흡음 재료는 일반적으로 비교적 경량이고 다공성인 한편, 전통적인 방음벽은 비교적 무겁고 기밀형인데, 이는 재료로부터의 음 투과 손실(sound transmission loss)이 일반적으로 그 질량과 강성의 함수이기 때문이다. 소위 "질량 법칙"(소정 주파수 범위에서 많은 전통적인 방음벽 재료에 적용가능함)은 재료의 단위 면적 당 중량이 배가되면, 재료를 통한 투과 손실이 6 데시벨(dB) 만큼 증가하는 것을 나타낸다. 단위 면적 당 중량은 밀도가 더 높은 재료를 사용함으로써 또는 벽의 두께를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 추가된 중량은 많은 응용에서 바람직하지 않을 수 있다.

포논 결정(phononic crystal)(즉, 전형적으로 탄성/탄성 또는 탄성/유체 구조체 형태의 주기적 비균질 매질)이 음향 통과대역 및 밴드 갭을 가진 방음벽으로서 제안되어 왔다. 그러한 구조체는 주요 물리적 메커니즘으로서 점성 소산 또는 공명에 의존할 필요없이, 수동적(passive)이지만 주파수 선택적인 방식으로 음향 밴드 갭을 생성할 수 있다. 대신에, 투과 손실은 브래그 산란(Bragg scattering)으로 인한 것이며, 이는 비균질의 다중-상의 공간적으로 주기적인 구조체의 둘 이상의 성분들 사이의 음속 대비로부터 야기된다.

예를 들어, 공기 중의 구리 튜브의 주기적인 배열, (국소화된 공명 구조체의 배열을 제공하기 위하여) 탄성적 연성 재료로 덮인 고밀도 중심을 가진 복합 요소의 주기적인 배열, 및 공기 중의 물의 주기적인 배열이 주파수-선택적 특징을 가진 방음벽을 생성하기 위해 제안되었다. 그러나, 이들 방법은 전형적으로 좁은 밴드 갭의 생성, 오디오 응용을 위해서는 너무 높은 주파수(예를 들어, 20 ㎑ 이상의 초음파 주파수)에서의 밴드 갭의 생성, 및/또는 부피가 크고/크거나 무거운 물리적 구조체(예를 들어, 데시미터 또는 미터의 외부 치수를 가진 배열로 배열된 수 센티미터의 직경을 가진 금속 파이프)의 필요성과 같은 단점을 겪어왔다.

따라서, 외부 치수가 상대적으로 작고/작거나 중량이 상대적으로 가벼운 한편 가청 음향 주파수에서 적어도 부분적으로 효과적일 수 있는 (음 투과를 감소시키거나 바람직하게는 제거하는) 방음벽이 필요함을 인식한다. 바람직하게는, 방음벽은 상대적으로 넓은 범위의 가청 주파수에 걸쳐 적어도 부분적으로 효과적일 수 있고/있거나 상대적으로 간단하고 비용-효율적으로 제조될 수 있다.

요약하면, 일 태양에서, 본 발명은 제1 밀도를 가진 제1 매질에 배치되고 제1 밀도와 상이한 제2 밀도를 가진 제2 매질로 제조된 구조체의 사실상 주기적인 배열 - 여기서 제1 및 제2 매질 중 하나는 종방향 음파의 진행 속도와 횡방향 음파의 진행 속도를 가진 점탄성 매질이고 종방향 음파의 진행 속도는 횡방향 음파의 진행 속도의 적어도 약 30배이며, 제1 및 제2 매질 중 다른 하나는 점탄성 또는 탄성 매질임 - 을 포함하는 방음벽을 제공한다. 바람직하게는, 구조체의 사실상 주기적인 배열은 제1 및 제2 매질의 교대 층을 포함하는 다층 구조체 형태의 1차원 배열이다.

소정의 특징을 가진 점탄성 재료를 선택하고 그들을 점탄성 또는 탄성 재료와 조합하여 공간적으로 주기적인 배열을 형성함으로써, 포논 결정 구조체 밴드 갭 또는 적어도 상당한 투과 손실(예를 들어, 20 데시벨(dB) 초과)이 가청 범위(즉, 20 헤르츠(㎐) 내지 20 킬로헤르츠(㎑) 범위)의 적어도 일부에서 얻어질 수 있음이 발견되었다. 그러한 구조체는 상대적으로 경량이고 상대적으로 작다(예를 들어, 몇 센티미터 이하 정도의 외부 치수를 가짐). 재료의 선택, 격자 구조체의 유형, 상이한 재료의 간격 등과 같은 그러한 디자인 파라미터를 제어함으로써, 밴드 갭의 주파수, 갭의 수, 및 그들의 폭이 조절되거나, 또는 최소한으로, 투과 손실 수준이 주파수의 함수로서 조절될 수 있다.

포논 결정 구조체는 수동적이지만 여전히 주파수 선택적인 방식으로 음향 밴드 갭을 생성할 수 있다. 음향 산업에 사용되는 가장 일반적인 흡음기와 달리, 포논 결정은 투과 방식으로 음을 제어한다. 밴드 갭의 주파수 범위 내에서, 구조체를 통한 입사 음파의 투과가 본질적으로 없을 수 있다. 밴드 갭은 항상 절대적이지 않지만(즉, 음 투과가 없음), 음 투과 손실은 종종 20 데시벨(dB) 이상 정도일 수 있다. 음향 산업에서, 3 dB 정도의 약화는 상당한 것으로 간주되며, 따라서 20 + dB은 투과에서 매우 큰 손실이며, 음향 출력의 100% 감소에 접근한다.

포논 결정 구조체는 음원(sound source)과 수신체(receiver) 사이에 위치되어 구조체를 통과할 주파수를 선택하는 것만을 허용할 수 있다. 따라서 수신체는 여과된 음을 듣게 되며, 바람직하지 않은 주파수는 차단된다. 포논 결정 구조체를 적절하게 구성함으로써, 투과된 주파수는 수신체에서 집중될 수 있거나, 바람직하지 않은 주파수는 (주파수 선택 거울과 매우 유사하게) 음원으로 다시 반사될 수 있다. 현재의 음향 재료와 달리, 포논 결정 구조체는 음파를 단순히 약화시키거나 반사하기 보다는, 음파를 사실상 관리하기 위해 사용될 수 있다.

따라서, 적어도 일부 실시 형태에서, 본 발명의 방음벽은 외부 치수가 상대적으로 작고/작거나 중량이 상대적으로 가벼운 한편 가청 음향 주파수에서 적어도 부분적으로 효과적일 수 있는 방음벽에 대한 상기에 언급한 요구를 충족할 수 있다. 본 발명의 방음벽은 빌딩(예를 들어, 가정, 사무실, 병원 등), 고속도로 방음벽 등을 포함한 여러 상이한 환경에서 방음을 제공하기 위해 사용될 수 있다.

다른 태양에서, 본 발명은 또한 방음벽을 제조하는 방법을 제공한다. 본 방법은 (a) 제1 밀도를 가진 제1 매질을 제공하는 단계; (b) 제1 밀도와 상이한 제2 밀도를 가진 제2 매질을 제공하는 단계; 및 (c) 제1 매질에 배치되고 제2 매질로 제조된 구조체의 사실상 주기적인 배열을 형성하는 단계를 포함하며; 제1 및 제2 매질 중 하나는 종방향 음파의 진행 속도와 횡방향 음파의 진행 속도를 가진 점탄성 매질이고, 종방향 음파의 진행 속도는 횡방향 음파의 진행 속도의 적어도 약 30배이고, 제1 및 제2 매질 중 다른 하나는 점탄성 또는 탄성 매질이다.

또 다른 태양에서, 본 발명은 방음 방법을 추가로 제공한다. 본 방법은 (a) 제1 밀도를 가진 제1 매질에 배치되고 제1 밀도와 상이한 제2 밀도를 가진 제2 매질로 제조된 구조체의 사실상 주기적인 배열 - 여기서 제1 및 제2 매질 중 하나는 종방향 음파의 진행 속도와 횡방향 음파의 진행 속도를 가진 점탄성 매질이고 종방향 음파의 진행 속도는 횡방향 음파의 진행 속도의 적어도 약 30배이며, 제1 및 제2 매질 중 다른 하나는 점탄성 또는 탄성 매질임 - 을 포함하는 방음벽을 제공하는 단계; 및 (b) 음원(바람직하게는 가청 음향 주파수의 공급원)과 수음체(acoustic receiver)(바람직하게는, 가청 음향 주파수의 수신체) 사이에 방음벽을 개재시키는 단계를 포함한다.

다음의 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위 및 첨부 도면에 관하여 본 발명의 이들 및 다른 특징, 태양 및 이점을 보다 잘 이해할 것이다.
<도 1>
도 1은 실시예 1 내지 실시예 6에 설명된 본 발명의 방음벽의 실시 형태에 대한 투과 손실(dB) 대 주파수(㎐)의 그래프.
<도 2>
도 2는 실시예 7 내지 실시예 12에 설명된 본 발명의 방음벽의 실시 형태에 대한 투과 손실(dB) 대 주파수(㎐)의 그래프.
<도 3>
도 3은 실시예 13 내지 실시예 15 및 비교예 1에 설명된 본 발명의 방음벽의 실시 형태에 대한 투과 손실(dB) 대 주파수(㎐)의 그래프.
<도 4>
도 4는 실시예 16 내지 실시예 20에 설명된 본 발명의 방음벽의 실시 형태에 대한 투과 손실(dB) 대 주파수(㎐)의 그래프.
<도 5>
도 5는 비교예 2 및 비교예 3에 설명된 본 발명의 방음벽의 실시 형태에 대한 투과 손실(dB) 대 주파수(㎐)의 그래프.
<도 6>
도 6은 실시예 21 내지 실시예 23 및 비교예 4 내지 비교예 6에 설명된 본 발명의 방음벽의 실시 형태에 대한 투과 손실(dB) 대 주파수(㎐)의 그래프.
<도 7>
도 7은 실시예 24 내지 실시예 26에 설명된 본 발명의 방음벽의 실시 형태에 대한 투과 손실(dB) 대 주파수(㎐)의 그래프.
<도 8>
도 8은 실시예 27 내지 실시예 30에 설명된 본 발명의 방음벽의 실시 형태를 위한 흡수 계수 대 주파수(㎐)의 그래프.

재료

본 발명의 방음벽의 상기 언급한 점탄성 성분으로 사용하기 적합한 재료는 횡방향 음파의 진행 속도의 적어도 약 30배(바람직하게는, 적어도 약 50배; 더욱 바람직하게는, 적어도 약 75배; 가장 바람직하게는, 적어도 약 100배)인 종방향 음파의 진행 속도를 갖는 (바람직하게는 적어도 음향 주파수의 가청 범위 내) 점탄성 고체 및 액체를 포함한다. 유용한 점탄성 고체 및 액체는 주위 온도(예를 들어, 약 20℃)에서 약 5 × 10⁶ 파스칼(Pa) 이하의 정상 전단 고원 탄성률(steady shear plateau modulus)(G°_N)을 갖는 것들을 포함하며, 정상 전단 고원 탄성률은 바람직하게는 재료의 유리 전이 온도(T_g)보다 약 30 K 내지 약 100 K 높은 온도에 미친다. 바람직하게는, 방음벽의 점탄성 재료 중 적어도 하나는 주위 온도(예를 들어, 약 20℃)에서 약 1 × 10⁶ Pa 이하(더욱 바람직하게는 약 1 x 10⁵ Pa 이하)의 정상 전단 고원 탄성률을 갖는다.

그러한 점탄성 재료의 예는 탄성중합체(예를 들어, 열가소성 탄성중합체를 포함), 점탄성 액체, 등, 및 그 조합(바람직하게는, 적어도 일부 응용을 위해서는, 탄성중합체 및 그 조합)을 비롯한 다양한 형태의 고무질 중합체 조성물(예를 들어, 약하게 가교결합된 또는 반결정성 중합체 포함)을 포함한다. 유용한 탄성중합체는 단일중합체 및 공중합체(블록, 그래프트, 및 랜덤 공중합체 포함) 둘 모두, 무기 및 유기 중합체 둘 모두 및 그 조합, 및 선형 또는 분지형인 중합체 및/또는 상호침투성 또는 반-상호침투성 네트워크 형태이거나 다른 복합 형태(예를 들어, 스타 중합체)인 중합체를 포함한다. 유용한 점탄성 액체는 중합체 용융물, 용액, 및 젤(하이드로젤 포함)을 포함한다.

바람직한 점탄성 고체는 실리콘 고무(바람직하게는, 약 20A 내지 약 70A; 더욱 바람직하게는, 약 30A 내지 약 50A의 듀로미터 경도(durometer hardness)를 가짐), (메트)아크릴레이트(아크릴레이트 및/또는 메타크릴레이트) 중합체(바람직하게는, 아이소옥틸아크릴레이트(IOA)와 아크릴산(AA)의 공중합체), 블록 공중합체(바람직하게는 스티렌, 에틸렌, 및 부틸렌을 포함), 셀룰로오스 중합체(바람직하게는, 코르크), 유기 중합체(바람직하게는, 폴리우레탄) 및 폴리다이오르가노실록산 폴리아미드 블록 공중합체(바람직하게는, 실리콘 폴리옥사미드 블록 공중합체)의 블렌드, 네오프렌, 및 그 조합을 포함한다. 바람직한 점탄성 액체는 광유-개질된 블록 공중합체, 하이드로젤, 및 그 조합을 포함한다.

그러한 점탄성 고체와 액체는 공지 방법에 의해 제조될 수 있다. 다수는 구매가능하다.

본 발명의 방음벽의 상기 언급한 탄성 성분으로서 사용하기 적합한 재료는 본질적으로 모든 탄성 재료를 포함한다. 그러나, 바람직한 탄성 재료는 적어도 약 2000 미터/초(m/s)인 음의 종방향 속도를 갖는 것들을 포함한다. 탄성 재료는 바람직하게는 납의 밀도보다 낮은 밀도를 갖는다.

탄성 고체의 유용한 부류는 금속(및 그 합금), 유리질 중합체(예를 들어, 경화된 에폭시 수지) 등, 및 그 조합을 포함한다. 탄성 고체의 바람직한 부류는 금속, 금속 합금, 유리질 중합체, 및 그 조합(더욱 바람직하게는, 구리, 알루미늄, 에폭시 수지, 구리 합금, 알루미늄 합금, 및 그 조합; 더욱 더 바람직하게는, 구리, 알루미늄, 구리 합금, 알루미늄 합금, 및 그 조합; 여전히 더욱 더 바람직하게는, 알루미늄, 알루미늄 합금, 및 그 조합; 가장 바람직하게는, 알루미늄)을 포함한다.

그러한 탄성 재료는 공지 방법에 의해 제조되거나 얻어질 수 있다. 다수는 구매가능하다.

원하는 경우, 본 발명의 방음벽은 선택적으로 다른 성분 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방음벽은 하나 초과의 점탄성 재료(방음벽 내의 적어도 하나의 점탄성 재료가 그 기준을 충족한다면, 횡방향 음파의 진행 속도의 적어도 약 30배인 종방향 음파의 진행 속도를 갖지 않는 하나 이상의 점탄성 재료를 포함) 및/또는 하나 초과의 상기 설명된 탄성 재료를 포함할 수 있다. 방음벽은 선택적으로 하나 이상의 무점성 유체를 포함할 수 있다.

포논 결정 구조체의 제조

본 발명의 방음벽은 제1 밀도를 가진 제1 매질에 배치된 구조체의 사실상 주기적(1차원, 2차원 또는 3차원) 배열을 포함하며, 구조체는 상기한 바와 같이 제1 밀도와 상이한 제2 밀도를 가진 제2 매질로 제조된다. 그러한 배열은 제1 매질로서 상기 설명된 점탄성 재료 또는 상기 설명된 탄성 재료(또는, 탄성 재료의 대안으로서, 두 번째의 상이한 점탄성 재료) 중 하나를 그리고 제2 매질로서 둘 중 다른 하나를 이용함으로써 형성될 수 있다.

생성된 구조체 또는 포논 결정은 거시 구조체(예를 들어, 센티미터 또는 밀리미터 이하 정도의 크기 규모를 가짐)일 수 있다. 원하는 경우, 포논 결정은, 함유물들 사이에 매트릭스를 형성하는 재료에 의해 둘러싸인, 그의 격자 부위에서 균일한 크기와 균일한 형상의 함유물을 가진 공간적으로 주기적인 격자 형태를 취할 수 있다. 그러한 구조체를 위한 디자인 파라미터는 격자의 유형(예를 들어, 정사각형, 삼각형 등), 격자 부위들 사이의 간격(격자 상수), 단위 셀의 구성 및 형상(예를 들어, 함유물에 의해 점유되는 단위 셀의 분획 면적 - f로도 알려지며, 소위 "필 팩터(fill factor)"), 함유물 및 매트릭스 재료의 물리적 특성(예를 들어, 밀도, 포아송비(Poisson ratio), 계수, 등), 함유물의 형상(예를 들어, 막대, 구, 중공 막대, 정사각형 기둥, 등) 등을 포함한다. 그러한 디자인 파라미터를 조절함으로써, 생성된 밴드 갭의 주파수, 갭의 수, 및 그의 폭이 조절될 수 있으며, 또는 최소한으로, 투과 손실의 수준이 주파수의 함수로서 조절될 수 있다.

바람직하게는, 구조체의 사실상 주기적인 배열은 제1 및 제2 매질의 교대 층을 포함하는 다층 구조체 형태의 1차원 배열이다(그리고, 원하는 경우, 하나 이상의 층의 형태인 상기 설명된 선택적 성분 중 하나 이상을 추가로 포함하며; 예를 들어, "ABCD" 구조체, "ACDB" 구조체, "ACBD" 구조체, 등은 제1 매질(A) 및 제2 매질(B)과 두 개의 추가의 성분 C 및 D로부터 형성될 수 있다). 다층 구조체의 층의 총 수는 사용되는 특정 재료, 층 두께, 및 특정 음향 응용의 요건에 따라, 넓은 범위에 걸쳐 변할 수 있다.

예를 들어, 다층 구조체의 층의 총 수는 2층만큼 적고 수백층 이상만큼 높은 범위에 있을 수 있다. 층 두께는 또한 (예를 들어, 원하는 주기성에 따라) 넓게 변할 수 있으나 바람직하게는 센티미터 이하 정도(더욱 바람직하게는, 밀리미터 이하 정도; 가장 바람직하게는, 약 10 ㎜ 이하)이다. 그러한 층의 두께 및 층의 수는 센티미터 이하(바람직하게는 약 100 ㎜ 이하; 더욱 바람직하게는, 약 50 ㎜ 이하; 더욱 더 바람직하게는, 약 10 ㎜ 이하; 가장 바람직하게는, 약 5 ㎜ 이하) 정도의 치수를 가진 포논 결정 구조체를 제공할 수 있다. 원하는 경우, 층은 구조체의 조립 이전에 (예를 들어, 계면활성제 조성물 또는 아이소프로판올을 이용하여) 세정될 수 있으며, 하나 이상의 결합제(예를 들어, 접착제 또는 기계적 패스너)가 선택적으로 (원하는 음향에 큰 간섭이 없다면) 이용될 수 있다.

다층 구조체의 바람직한 실시 형태는 층 두께가 약 0.75 ㎜ 내지 약 1.25 ㎜인 점탄성 재료(바람직하게는, 실리콘 고무, 아크릴레이트 중합체, 또는 그 조합)와 층 두께가 약 0.025 ㎜ 내지 약 1 ㎜인 탄성 재료(바람직하게는, 알루미늄, 에폭시 수지, 알루미늄 합금, 또는 그 조합)의 약 3개 내지 약 10개(더욱 바람직하게는, 약 3개 내지 약 5개)의 교대 층을 포함한다. 이는 약 1 ㎜ 내지 약 10 ㎜(더욱 바람직하게는, 약 2 ㎜ 내지 약 4 ㎜; 가장 바람직하게는, 약 2 ㎜ 내지 약 3 ㎜) 정도의 바람직한 치수를 갖는 포논 결정 구조체를 제공할 수 있다.

방음벽 및 그 용도

본 발명의 방음벽은 음원(바람직하게는 가청 음향 주파수의 공급원)과 수음체(바람직하게는, 가청 음향 주파수의 수신체) 사이에 방음벽을 개재시키거나 위치시키는 단계를 포함하는 방음 방법에 사용될 수 있다. 유용한 음원은 교통 소음, 산업적 소음, 대화, 음악, 등(바람직하게는, 가청 성분을 가진 소음 또는 다른 음; 더욱 바람직하게는, 약 500 ㎐ 내지 약 1500 ㎐ 범위의 주파수 성분을 가진 소음 또는 다른 음)을 포함한다. 수음체는, 예를 들어 사람의 귀, 임의의 다양한 녹음 장치, 등(바람직하게는 사람의 귀)일 수 있다. 원하는 경우, 방음벽은 (예를 들어, 방음벽이 헬름홀츠(Helmholtz) 공명기-유형의 흡수기로서 기능을 할 수 있도록 기재에 대하여 방음벽을 위치시킴으로써) 흡음기로서 사용될 수 있다.

본 발명의 방음벽은 가청 범위의 상대적으로 큰 부분에 걸쳐 투과 손실을 이루기 위해 사용될 수 있다(바람직한 실시 형태는 약 800 ㎐ 내지 약 1500 ㎐의 범위에 걸쳐 약 20 dB 이상인 투과 손실을 제공하며; 더욱 바람직한 실시 형태는 약 500 ㎐ 내지 약 1500 ㎐의 범위에 걸쳐 약 20 dB 이상인 투과 손실을 제공하며; 더욱 더 바람직한 실시 형태는 약 250 ㎐ 내지 약 1500 ㎐의 범위에 걸쳐 약 20 dB 이상인 투과 손실을 제공하며; 가장 바람직한 실시 형태는 약 500 ㎐ 내지 약 1500 ㎐ 범위의 적어도 일부에 걸쳐 사실상 전체 투과 손실을 제공한다). 그러한 투과 손실은 포논 결정 구조체 치수를 센티미터 이하 (바람직하게는 약 20 ㎝ 이하; 더욱 바람직하게는, 밀리미터 이하의 크기로; 가장 바람직하게는 약 1 내지 약 3 ㎜의 크기로) 정도로 유지하면서 이루어질 수 있다.

상기 설명된 포논 결정 구조체 중 하나 이상에 더하여, 본 발명의 방음벽은 선택적으로 하나 이상의 종래의 또는 이후에 개발되는 방음체(예를 들어, 종래의 흡수기, 벽, 등)를 추가로 포함할 수 있다. 원하는 경우, 그러한 종래의 방음체는, 예를 들어 방음벽의 주파수 효과 범위를 넓히기 위하여, 층화될 수 있다.

[실시예]

본 발명의 목적 및 이점은 하기의 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에 인용된 특정 물질 및 그 양뿐만 아니라 기타 조건이나 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 실시예에서 모든 부, 백분율, 비 등은 달리 표시되지 않으면 중량 기준이다. 달리 표시되지 않으면 용매 및 다른 시약은 미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마-알드리치 케미칼 컴퍼니(Sigma-Aldrich Chemical Company)로부터 입수하였다.

시험 방법

투과 손실 측정

투과 손실 측정은 브뤼엘 앤드 케아 임피던스 튜브 시스템 타입 4206(Brueel & Kjær Impedance Tube System Type 4206)(100 mm 튜브, 덴마크 소재의 브뤼엘 앤드 케아 사운드 앤드 바이브레이션 메저먼트 에이/에스(Brueel & Kjær Sound & Vibration Measurement A/S))을 이용하여 실시하였다. 4-마이크로폰 전달-함수 시험 방법을 50 ㎐ 내지 1.6 ㎑의 주파수 범위에서 투과 손실의 측정을 위해 사용하였다.

요약하면, 튜브 시스템은 100 ㎜ 내경의 수용 튜브, 홀더 튜브 및 공급원 튜브로 구성되었다. 각각의 시험 샘플을 공급원 튜브와 수용 튜브 사이에 위치된 홀더 튜브 내에 2개의 고무 o-링으로 설치하였다. 공급원 튜브의 단부에 장착된 확성기(4 오옴(Ω) 임피던스, 80 ㎜ 직경)를 평면 음파의 발생기로 사용하였다. 타입 4187의 4개의 0.64 ㎝(1/4 인치) 콘덴서 마이크로폰을 사용하여 시험 샘플의 양 측에서 음압 수준을 측정하였다(공급원 튜브 내에 두 개 및 수용 튜브 내에 두 개). 공급원 튜브 내의 두 개의 마이크로폰을 이용하여 입사 및 반사된 평면파를 측정하였다. 수용 튜브 내에 위치된 두 개의 다른 마이크로폰을 이용하여 흡수되고 투과된 부분을 측정하였다.

4개의 마이크로폰 위치에서 음압을 측정하고 문헌[Olivieri, O., Bolton, J. S., and Yoo, T. in "Measurement of Transmission Loss of Materials Using a Standing Wave Tube", INTER-NOISE 2006, 3-6 December 2006, Honolulu, Hawaii, USA]에 의해 설명된 절차에 따라 4-채널 디지털 주파수 분석기를 이용하여 복합 전달 함수를 계산함으로써, 시험 샘플의 투과 손실을 측정하였다. 펄스(PULSE) 버젼 11 데이터 획득 및 분석 소프트웨어(브뤼엘 앤드 케아)를 이용하였다.

각 구조체에 대하여, 두 가지 상이한 시험 샘플을 제조하였다. 모든 시험 샘플을 99.54 ㎜ 직경의 정밀 다이로 절단하였다. 투과 손실 측정을 각 시험 샘플에 대하여 3회 반복하였다. 각 구조체에 대하여 생성된 투과 손실은 두 가지 상이한 시험 샘플로부터의 6회 측정의 대수 평균으로 계산하였다.

흡음 계수의 측정

흡수 계수의 측정은 브뤼엘 앤드 케아 임피던스 튜브 시스템 타입 4206(100 ㎜ 튜브, 덴마크 소재의 브뤼엘 앤드 케아 사운드 & 바이브레이션 메저먼트 에이/에스)을 이용하여 실시하였다. 2-마이크로폰 전달 함수 방법을 적용하여 ASTM E 1050에 설명된 표준 절차에 따라 50 ㎐ 내지 1.6 ㎑ 주파수 범위에서 이들 측정을 실시하였다.

튜브 시스템은 100 ㎜ 내경의 홀더 튜브 및 공급원 튜브로 구성되었다. 광대역의 고정 랜덤 음파의 발생기로서, 확성기(4 오옴(Ω) 임피던스, 80 ㎜ 직경)를 공급원 튜브의 단부에 장착시켰다. 각각의 시험 샘플을 홀더 튜브의 입구에 위치시켰다. 시험 샘플을 4개의 위치(9, 12, 3, 및 6 시 위치)에서 접착 테이프로 지지하였다. 수용 튜브의 배킹 종결 플레이트를 5개의 상이한 위치에 두어 시험 샘플과 배킹 플레이트의 전면 사이에 0, 1, 2, 및 3 ㎝ 공기 갭으로 4가지 상이한 측정을 생성하였다. 타입 4187의 2개의 0.64 ㎝(1/4 인치) 콘덴서 마이크로폰을 이용하여 공급원 튜브 내의 2개의 고정 위치에서 음압 수준을 측정하였다.

확성기에 의해 생성된 평면 음파는 시험 샘플에 도달하기 전에 공급원 튜브에서 진행되고 시험 샘플의 면에서 반사되고, 시험 샘플에서 흡수되고, 시험 샘플을 통해 투과되었다. 투과된 음파는 백 플레이트에서 반사되어 시험 샘플 내로 다시 돌아갔다. 튜브 내에서 입사 및 반사된 음파의 중첩으로 인하여, 정상파 간섭 패턴이 생성되었다.

두 가지 고정 위치에서 음압 수준을 측정하고 2-채널 디지털 주파수 분석기를 이용하여 복합 전달 함수를 계산함으로써, 흡음 계수를 측정하였다. 펄스 버젼 10 데이터 획득 및 분석 소프트웨어(브뤼엘 앤드 케아)를 이용하였다.

리올로지 측정

리올로지 특성(예를 들어, 정상 전단 고원 탄성률)은, 상업적 ARES 동적 유량계(미국 델라웨어주 뉴 캐슬 소재의 티에이 인스트루먼츠(TA Instruments)를 통해 입수가능함)에서 시험 샘플 재료에 대해 신축 모드로 선형 등온 주파수 스윕(sweep) 동적 기계적 분석(DMA) 시험을 실시하여 측정하였다. 이어서 생성된 데이터를 시간-온도 중첩 원리를 이용하여 이동시켜 선택된 기준 온도(22.7℃의 실온으로 취함)에서 동적 마스터 곡선을 생성하였다. 동적 마스터 곡선의 이동을 위해 사용된 수평 이동 인자를 점검하여 윌리암스-란델-페리(Williams-Landel-Ferry)(WLF) 형태를 따르는 것을 발견하였다. 생성된 동적 마스터 곡선을 마지막으로 니노미야-페리(Ninomiya-Ferry)(NF) 절차에 의해 실온(22.7℃)에서 정상 선형 신장 계수 마스터 곡선으로 변환시켰다. 고무질 인장 계수 고원 값은 정상 선형 신장 계수 마스터 곡선으로부터 측정하였으며, 재료의 정상 전단 고원 탄성률은 고무질 신장 계수 고원 값의 1/3인 것으로 취했다. (예를 들어, 문헌[John D. Ferry in Viscoelastic Properties of Polymers, 2^nd Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York (1980)]에 의한 리올로지 데이터 분석 기술의 논의를 참조.)

재료

실리콘 폴리옥사미드 블록 공중합체의 제조

폴리다이메틸실록산(PDMS) 다이아민(830.00 그램; 평균 분자량(MW)이 약 14,000 그램/몰; 미국 특허 제5,214,119호에 설명된 바와 같이 본질적으로 제조됨)의 샘플을 기계적 교반기, 가열 맨틀, 질소 입구 튜브(콕 마개 있음), 및 출구 튜브를 구비한 2-리터 3-목 수지 반응 플라스크 내에 두었다. 플라스크를 질소로 15분 동안 퍼징하고, 이어서 격렬하게 교반하면서 다이에틸 옥살레이트(33.56 g)를 적가하였다. 생성된 반응 혼합물을 대략 1시간 동안 실온에서, 이어서 75분 동안 80℃에서 교반하였다. 반응 플라스크에 증류 어댑터 및 리시버를 설치하였다. 반응 혼합물을 더 이상 증류물이 수집될 수 없을 때까지 진공(133 파스칼, 1 Torr) 하에 120℃에서 2시간 동안, 그리고 130℃에서 30분 동안 가열하였다. 반응 혼합물을 실온으로 냉각시켰다. 생성된 투명한 이동성 액체 생성물의 가스 크로마토그래피 분석에 의하면, 탐지가능한 수준의 다이에틸 옥살레이트가 전혀 남아있지 않음이 나타났다. 생성물의 에스테르 당량 중량은 ¹H 핵자기 공명(NMR) 분광법(당량 중량은 7,916 그램/당량임)을 이용하여 그리고 적정에 의해 (당량 중량은 8,272 그램/당량임) 측정하였다.

20℃ 37.85-리터(10-갤런) 스테인레스 강 반응 용기 내로, 18158.4 그램의 에틸 옥살릴아미도프로필 종결된 폴리다이메틸실록산(적정된 MW = 14,890; 상기 설명된 바와 같이 본질적으로 제조됨, 그에 따라 체적이 조절됨)을 두었다. 용기를 (75 rpm으로) 교반시키고, 15분 동안 질소 유동과 진공으로 퍼징하였다. 이어서, 용기를 25분에 걸쳐 80℃로 가열하였다. 에틸렌 다이아민(73.29 그램, 지에프에스 케미칼스(GFS Chemicals))을 용기 내에 진공 충전시키고, 이어서 73.29 그램의 톨루엔을 역시 진공 충전시켰다. 이어서, 용기를 6894 Pa(1 psig)로 가압하고 120℃의 온도로 가열하였다. 30분 후, 용기를 150℃로 가열하였다. 150℃의 온도에 도달하면, 5분에 걸쳐 용기의 압력을 뺐다. 용기를 40분 동안 진공(약 8665Pa(65 mm Hg))에 노출시켜 에탄올과 톨루엔을 제거하였다. 그리고 나서, 용기에 13789 Pa(2 psig)로 압력을 가한 다음, 생성된 점성 용융 중합체를 테플론 플루오로중합체-코팅된 트레이로 배출시켜 냉각시켰다. 그 다음, 생성된 냉각된 실리콘 폴리옥사미드 생성물, 폴리다이오르가노실록산 폴리옥사미드 블록 공중합체를 미세한 펠렛으로 분쇄하였다.

실리콘 폴리옥사미드 블록 공중합체 및 폴리우레탄의 블렌드의 제조

2.5 그램의 상기 제조된 실리콘 폴리옥사미드 블록 공중합체 및 7.5 그램의 모르탄(MORTHANE) PE44-203 열가소성 탄성중합체성 폴리우레탄(미국 일리노이주 시카고 소재의 모르톤 인터내셔널, 인크.(Morton International, Inc.)로부터 입수가능함)을 조합하여 10-그램 1회분을 형성하였다. 1회분을 수동으로 건식 블렌딩하고 DSM 마이크로 15 압출기 내로 공급하였다. 1회분을 플런저를 사용하여 압출기에 밀어 넣었다. 1회분을 분당 150 회전(150 rpm)으로 2 내지 4분 혼합하였다. 생성된 용융 혼합물은 압출기의 단부로부터 바아(bar)로의 성형을 위한 작은 가열된 실린더 내로 또는 프레스된 시트를 생성하기 위한 가열된 알루미늄 조각 상으로 배출되었다. 실린더를 다이 앞에 놓고 플런저로 혼합물을 다이 내로 밀어넣었다. 알루미늄 시트 상의 혼합물 위에 다른 알루미늄 시트를 놓고 카버(Carver) 유압 프레스에 넣었다. 프레스는 1회분의 압출에 사용된 것과 동일 온도(196℃)로 설정하였다. 혼합물을 프레스의 압반(platen)이 함께 나올때 평탄화시켜 0.65 ㎜의 원하는 두께를 제공하였다.

실리콘 고무 1번: 미국 일리노이주 엘름허츠 소재의 맥마스터-칼 인크.(McMaster-Carr Inc.)로부터 입수가능한 물품 번호 86915K24, 듀로미터 경도 40A, 두께 0.8 ㎜, 접착 배킹을 가짐, 본질적으로 상기 설명된 바와 같이 측정될 때 22.7℃의 실온에서 정상 전단 고원 탄성률 4.3 × 10⁵ Pa

실리콘 고무 2번: 미국 일리노이주 엘름허츠 소재의 맥마스터-칼로부터 입수가능한 물품 번호 8977K312, 듀로미터 경도 40A, 두께 0.8 ㎜, 접착 배킹을 가짐

폴리우레탄: 모르탄™ 열가소성 탄성중합체성 폴리우레탄, 미국 일리노이주 시카고 소재의 모르톤 인터내셔널 인크.로부터 입수가능한 물품 번호 PE44-203

블록 공중합체: 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 쉘 케미칼 컴퍼니(Shell Chemical Co.)로부터 입수가능한, 크라톤(Kraton)™ G1657 선형 스티렌-(에틸렌-부틸렌) 블록 공중합체, 1.2 ㎜ 두께의 시트로 프레스됨

실리콘 폴리옥사미드 블록 공중합체: 상기 설명된 바와 같이 제조된 폴리다이오르가노실록산 폴리아미드 블록 공중합체

폴리우레탄과 실리콘 폴리옥사미드의 블렌드: 상기 설명된 바와 같이 제조되고 0.65 ㎜ 두께의 시트로 프레스된 75 중량% 폴리우레탄과 25 중량% 실리콘 폴리옥사미드 블록 공중합체의 용융 블렌드

아크릴레이트 공중합체: 4층의 아크릴 감압 전사 접착제(미국 미네소타주 세인트폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 상표명 쓰리엠™ VHB™ 접착 전사 테이프 F9473PC로 입수가능함), 층 두께 0.25 ㎜(10 mil), 전체 두께 1.0 ㎜

코르크: 코르크 시트, 카탈로그 번호 23420-708, 미국 펜실베니아주 웨스트 체스터 소재의 브이더블유알 인터내셔널, 인크.(VWR International, Inc.)로부터 입수가능함, 두께 3.0 ㎜

알루미늄 1번: 알루미늄 호일, 두께 0.076 ㎜, 미국 일리노이주 엘름허츠 소재의 맥마스터-칼 인크.로부터 입수가능한 물품 번호 9536K32

알루미늄 2번: 알루미늄 호일, 두께 0.03 ㎜, 미국 펜실베니아주 피츠버그 소재의 알코아 코포레이션(Alcoa Corp.)으로부터 상표명 레이놀즈 랩(Reynolds Wrap)™으로 판매됨

구리 1번: 구리 합금 110 호일, 두께 0.076 ㎜, 미국 일리노이주 엘름허츠 소재의 맥마스터-칼 인크.로부터의 물품 번호 9709K55

구리 2번: 구리 합금 110 호일, 두께 0.025 ㎜, 미국 일리노이주 엘름허츠 소재의 맥마스터-칼 인크.로부터의 물품 번호 9709K53

구리 3번: 구리 합금 110 호일, 두께 0.254 ㎜, 미국 일리노이주 엘름허츠 소재의 맥마스터-칼 인크.로부터의 물품 번호 9709K66

실시예 1 내지 실시예 26 및 비교예 1 내지 비교예 6

하기 표 1에 나타난 바와 같이, 다양한 층 수와 다양한 층 두께를 가진 여러 상이한 형태로 다양한 재료(재료 A 및 재료 B로 표시됨)의 층을 조립하여 다양한 다층 구조체를 구성하였다. 6개의 단층 구조체를 또한 비교 구조체로서 제조하였다. 생성된 구조체의 투과 손실 특성을 상기 설명된 절차에 따라 본질적으로 시험하였으며, 결과가 도 1 내지 도 7에 나타나 있다.

[표 1]

실시예 27 내지 실시예 30

흡음기로서의 용도

하기 표 2에 나타난 재료(재료 A 및 재료 B로 표시됨)의 층을 조립하여 3층 구조체(총 두께 1.63 ㎜)를 구성하였다. 생성된 ABA 구조체의 흡수 계수는 본질적으로 상기 절차에 따라 (구조체와 (흡수 모드의) 튜브 시스템의 백(반사) 플레이트 사이의 변하는 공기 갭으로, 표 2에 나타남) 측정하였으며, 결과가 도 8에 나타나 있다.

[표 2]

본 명세서에 인용된 특허, 특허 문서, 및 간행물에 포함된 참고 설명은 마치 각각이 개별적으로 포함되는 것처럼 전체적으로 참고로 포함된다. 본 발명의 범주 및 취지를 벗어나지 않고도 본 발명에 대한 다양한 예측할 수 없는 변형 및 변경이 당업자에게 명백하게 될 것이다. 본 발명을 본 명세서에 설명된 예시적 실시 형태 및 실시예로 부당하게 제한하려는 것이 아니며, 그러한 실시예 및 실시 형태는 본 명세서에서 하기와 같이 설명된 특허청구범위에 의해서만 제한하려는 본 발명의 범위와 함께 단지 예로서 제시된다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (25)

1. 제1 밀도를 가진 제1 매질에 배치되고 상기 제1 밀도와 상이한 제2 밀도를 가진 제2 매질 - 여기서, 상기 제1 및 제2 매질 중 하나는 종방향 음파의 진행 속도와 횡방향 음파의 진행 속도를 가진 점탄성 매질이고, 상기 종방향 음파의 진행 속도는 상기 횡방향 음파의 진행 속도의 적어도 30배이며, 상기 제1 및 제2 매질 중 다른 하나는 점탄성 또는 탄성 매질임 - 로 제조된 구조체의 주기적인 배열을 포함하는 방음벽.
2. 제1항에 있어서, 상기 구조체의 주기적인 배열은 상기 제1 및 제2 매질의 교대 층을 포함하는 다층 구조체 형태의 1차원 배열인 방음벽.
3. 제2항에 있어서, 상기 다층 구조체는 점탄성 매질과 탄성 매질의 교대 층을 포함하며, 상기 점탄성 매질은 탄성중합체와 그 조합으로부터 선택되며, 상기 탄성 매질은 금속, 금속 합금, 유리질 중합체, 및 그 조합으로부터 선택되는 방음벽.
4. (a) 제1 밀도를 가진 제1 매질을 제공하는 단계, (b) 상기 제1 밀도와 상이한 제2 밀도를 가진 제2 매질을 제공하는 단계, 및 (c) 상기 제1 매질에 배치되고 상기 제2 매질로 제조된 구조체의 주기적인 배열을 형성하는 단계를 포함하며; 상기 제1 및 제2 매질 중 하나는 종방향 음파의 진행 속도와 횡방향 음파의 진행 속도를 가진 점탄성 매질이고, 상기 종방향 음파의 진행 속도는 상기 횡방향 음파의 진행 속도의 적어도 30배이고, 상기 제1 및 제2 매질 중 다른 하나는 점탄성 또는 탄성 매질인, 방음벽을 제조하는 방법.
5. (a) 제1 밀도를 가진 제1 매질에 배치되고 상기 제1 밀도와 상이한 제2 밀도를 가진 제2 매질로 제조된 구조체의 주기적인 배열 - 여기서, 상기 제1 및 제2 매질 중 하나는 종방향 음파의 진행 속도와 횡방향 음파의 진행 속도를 가진 점탄성 매질이고, 상기 종방향 음파의 진행 속도는 상기 횡방향 음파의 진행 속도의 적어도 30배이고, 상기 제1 및 제2 매질 중 다른 하나는 점탄성 또는 탄성 매질임 - 을 포함하는 방음벽을 제공하는 단계; 및 (b) 음원(acoustic source)과 수음체(acoustic receiver) 사이에 상기 방음벽을 개재시키는 단계를 포함하는 방음 방법.
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