KR101616051B1 - 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재에 관한 것으로서, 제1 밀도를 가지는 적어도 하나 이상의 이너 부재; 상기 이너 부재의 외주면을 탄성 재질로 코팅하여 코팅층이 형성된 적어도 하나 이상의 음파 산란원; 상기 제1 밀도보다 낮은 제2 밀도의 매질로 형성되고, 상기 음파 산란원이 주기적으로 배열된 격자 형태를 갖으며, 특정 대역의 음파를 차단하는 바디부재를 포함한다. 따라서, 본 발명은 음파 유전 상수(acoustic dielectric constant)는 음의 값을 갖게 되어 음파가 감쇄되면서 국소화 되어 차음될 수 있다.

Description

국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재{SHIELDING MATERIAL OF SOUND}

본 발명은 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 설명하면, 음파(acoustic wave)와 전자기장의 유사성으로부터 음파의 경우 매질의 밀도에 대해 전자기장의 유전율이 대응하는 사실을 활용하여 밀도가 다른 매질을 주기적으로 배열하여 특정한 대역의 음파를 차단할 수 있는 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재에 관한 것이다.

일반적으로, 음향 차폐재는 천장이나 벽면에 음향 차폐 홀로 구성된 것이 제공되었다.

상기와 같은 음향 차폐재가 사용된 음향 차폐 기술과 관련해 한국 공개특허 제2003-0022716호에 음향 차폐 시스템이 제안되었다.

종래 기술에 의한 음향 차폐재가 사용된 음향 차폐 시스템은 차폐 음향 장(field)을 발생하는 적어도 하나의 스피커를 수용하는 공기 유동 장치(air flow)를 포함하는 음향 차폐 시스템을 포함한다. 일반적으로, 공기 유동 장치는 금속 격자층과 천장 타일로 구성된 일반적인 달천장(suspended ceiling) 안에 설치된 공기 확산기(air diffuser)이다. 공기 확산기는 천장 수평면에 음향 효과를 위한 홀(hole)을 제공하는데 이로 인해 음향은 천장 타일의 편평에 의해 방해받지 않는 방으로 이동할 수 있다.

스피커는 공기 확산기 안에 수용되며 방으로 향해 있다. 스피커는 인간 음성을 차폐하는 주파수의 차폐 음파를 발생하도록 설정될 수 있다. 차폐 음향 파동은 음향 제어 천장 타일(acoustic ceiling tile)을 통해 통과하는 대신에 확산기의 패널을 통해 직접 방으로 자유로이 지난다. 차폐 음향은 원하지 않거나 주위를 산만하게 하는 음파를 차폐하는 구조이다.

따라서, 삽입된 음의 음파 유전 상수(acoustic dielectric constant)를 갖는 물체들의 크기와 모양이 원통이나 구체가 아닌 다양한 형태의 크기를 갖도록 무작위적으로 혼합된 형태를 갖지 못하는 구조적인 문제점이 있다.

또한, 음파 유전 상수(acoustic dielectric constant)는 음의 값을 갖게 되어 음파가 감쇄되면서 국소화 되어 차음되지 못하는 문제점이 발생한다.

한국 공개특허 제2003-0022716호 " 음향 차폐 시스템 "

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 음파 유전 상수(acoustic dielectric constant)는 음의 값을 갖게 되어 음파가 감쇄되면서 국소화 되어 차음되는 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재를 제공하는 데 있다.

실시예들 중에서, 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재는, 제1 밀도를 가지는 적어도 하나 이상의 이너(Inner) 부재; 상기 이너 부재의 외주면을 탄성 재질로 기설정된 두께만큼 코팅하여 코팅층이 형성된 적어도 하나 이상의 음파 산란원; 및 상기 제1 밀도보다 낮은 제2 밀도를 가지면서 스트로폼, 에폭시를 포함한 플라스틱 수지를 사용한 복합 재질의 매질로 형성되고, 상기 음파 산란원이 주기적으로 배열된 격자 형태를 갖는 제1 구조 또는 무작위적으로 혼합된 형태를 갖는 제2 구조 중 어느 하나의 구조로 배열되며, 특정 대역의 음파를 차단하도록 음파 유전 상수가 서로 다른 적어도 하나 이상의 매질로 다층 구조를 가지는 바디부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 이너 부재는 철, 구리, 알루미늄을 포함한 금속재질 또는 상기 제1 밀도를 가지는 세라믹 재질 중 어느 하나의 재질로 형성되고, 구체 또는 파이프 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 밀도는 2~20 비중을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 이너 부재의 반지름은 1㎜ ~ 50㎝ 범위 내에서 설정하고, 상기 코팅층의 두께는 1㎜ ~ 5㎝ 로 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기 바디부재의 격자 주기는 0.5㎝ ~ 50㎝ 범위 내에서 설정하고, 상기 매질은 스트로폼, 에폭시를 포함한 플라스틱 수지를 사용한 복합 재질인 것을 특징으로 한다.

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상기 코팅층은 실리콘, 고무를 포함한 탄성재질로 형성하는 방식, 금속판 또는 메쉬를 탄성재질로 형성하는 방식 중 어느 하나의 방식으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재는 음파 유전 상수(acoustic dielectric constant)는 음의 값을 갖게 되어 음파가 감쇄되면서 국소화 되어 차음되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재를 설명하기 위해 두 개의 서로 다른 물질로 구성된 복합 재료를 나타낸 도면
도 2는 도 1의 음파 산란원에 대한 국소 공진 구조를 설명하는 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 산란원(scatter)이 주기적으로 배열된 격자구조의 음향 차폐재를 나타낸 도면
도 4는 초격자 구조를 갖는 음향 차폐재를 설명하는 도면
도 5 내지 도 7은 또 다른 형태의 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재를 설명하는 도면으로서, 도 6는 적층구조 도면, 도 7은 무작위적으로 혼합된 형태 도면

이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예에 따른 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재가 도시되어 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재를 설명하기 위해 두 개의 서로 다른 물질로 구성된 복합 재료를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 음파 산란원의 국소 공진 구조를 설명하는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 산란원(scatter)이 주기적으로 배열된 격자구조의 음향 차폐재를 나타낸 도면이고, 도 4는 초격자 구조를 갖는 음향 차폐재를 설명하는 도면이며, 도 5 내지 도 7은 또 다른 형태의 음향 차폐재를 설명하는 도면이다.

도 1 내지 도 7를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재는 아래에 기술된 음파와 전자기장의 유사성으로부터 음파의 경우 매질의 밀도에 대해 전자기장의 유전율이 대응하는 사실을 활용하여 밀도가 다른 매질을 주기적으로 배열함으로써 특정한 대역의 음파를 차단할 수 있는 구조로 이루어진다.

음파 방정식(Acoustic wave equation)은 다음과 같이 주어진다.

여기서, p는 압력(pressure),

는 유체의 속도 벡터,

는 유체 또는 매질의 질량 그리고,

는 유체 또는 매질의 체적 탄성률(bulk modulus)이다.

상기한 수학식 1로부터 균일(homogeneous)한 매질에서의 음파에 관한 파동 방정식은 다음 수학식 2와 같다.

위에서 예를 든 것처럼, 음파 유전 상수(acoustic dielectric constant)

이면 전파되는 해가 존재하고,

이면 감쇄하면서 국소화되는 해가 존재한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 음향 차폐재(100)는

인 두 개의 서로 다른 물질로 구성된 복합 재료로 바디부재(110)를 형성할 수 있다. 음의 음파 유전 상수는 국소적으로 공진되는 구조를 채택하면 다음 수학식 3과 같이 구해질 수 있다.

공진각주파수

보다 큰 각주파수

에 관해 위의 식처럼 음파 유전 상수(oustic dielectric constant)는 음의 값을 갖는다. 국소적 공진구조는 도 2에 도시된 바와 같이 얻을 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 주위보다 밀도가 높은 재료로 구성된 구체 또는 원통 또는 봉 형태의 이너 부재(121)는 주변을 일정한 두께의 탄성층 또는 탄성체(122)로 코팅되어 음파 산란원(120)이 된다. 이러한 음파 산란원(120)에 음파가 입사되면 음파가 전달하는 음압에 의해 탄성층 또는 탄성체(122) 내부의 음파 산란원은 마치 스프링에 달린 물체처럼 진동하면서 음파의 에너지를 감쇄시키는 역할을 한다.

이때, 탄성층 또는 탄성체(122) 내부의 이너 부재(121)가 음압에 의해 움직이는 변위를 x 라고 하면, 하기한 수학식 4와 같은 간단한 형태의 미분 방정식을 통해 국소 공진 각주파수를 구할 수 있다.

따라서, 공진 각주파수는

이다.

지름이 1cm 이면서 탄성층 또는 탄성체(122)로 사용한 실리콘 고무의 두께가 1mm일 때의 음파 산란원(120)의 공진 각 주파수는 이너 부재(121)가 납 구술인 경우 395Hz, 그리고 쇠구술인 경우 480Hz가 되어 이보다 높은 주파수에 관해 음파 유전 상수는 음의 값을 갖게 되어 음파가 감쇄되면서 국소화 되어 차음 효과가 생긴다.
이너 부재(121)는 금속 구체 또는 금속 파이프 모두 포함한다. 이너 부재(121)는 통상적인 철, 구리 , 알루미늄 등이 가능하며 실리콘 고무 등의 탄성층 또는 탄성체(122)로 코팅한다. 또한, 이너 부재(121)는 금속 외에도 비중이 2-20 사이의 세라믹 또는 기타 고밀도 재료도 가능하다.

탄성층 또는 탄성체(122)는 실리콘 고무외에도 유사한 재료의 사용이 가능하다. 금속의 반경은 1mm ~50㎝의 범위에 두고 코팅층의 두께는 1㎜에서 5㎝로 한정한다.
이러한 국소 공진구조는 음파 산란원(120)의 역할을 하며, 음파 산란원(120)은 이너 부재(121)에 실리콘 고무의 탄성체(122)로 코팅된 금속구 또는 금속 파이프 형태이다. 음향 차폐재(100)는 바디부재(110)에 음파 산란원(120)을 격자 형태로 주기적으로 배열하는데, 이때 격자의 주기는 0.5㎝에서 50㎝로 한정한다. 국소 공진구조가 내재된 바디부재(110)의 매질은 복합(Composite)이며, 스티로폼, 에폭시 등의 플라스틱 수지를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로는 이너 부재(121)인 금속 파이프의 반경이 5㎜이고, 탄성층 또는 탄성체(122)인 실리콘 고무 코팅층의 두께가 1㎜ ~ 1.5㎜ 주기가 1.5㎝ ~ 2.5㎝, 바디부재(110)인 복합 매질은 에폭시 수지 또는 스티로폼이 가능하다. 이로 인해 전체의 음향 차폐재(100)의 두께는 5㎝ ~ 30㎝가 될 수 있다.
음향 차폐재(100)의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 음파 산란원(120)이 무작위로 배열된 복합(composite) 구조로 형성될 수 있거나, 또는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 음파 산란원(120)이 주기적으로 배열된 구조도 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 음향 차폐재(200)는 음파 산란원(220)이 바디부재(210)에 일정 간격으로 배치함으로써 국소 공진구조를 주기적으로 배열된 격자 형태가 되도록 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 음향 차폐재(300)는 격자 상수가 서로 다른 매질의 바디부재(310, 320, 330)를 결합시킨 초격자 구조로 형성될 수 있다. 이 음향 차폐재(300)는 가운데에 삽입된 바디부재(320)에 대한 격자 상수가 상측 및 하측에 위치한 바디부재(310, 330)의 격자 상수보다 크도록 하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 1층의 바디부재(310)와 3층의 바디부재(330)의 매질 격자 상수가 1.5㎝ 라면 2층의 바디부재(320)의 매질 격자 상수는 2㎝ ~ 2.5㎝가 될 수 있다.
도 5를 참고하면, 또 다른 실시예의 음향 차폐재(400)는 금속판 또는 메쉬 형태의 이너 부재(411)를 탄성층 또는 탄성체(422)로 코팅한 음파 산란원(420)을 음파 유전 상수가

인 매질의 바디부재(410)의 가운데에 삽입한 구조로서, 이 경우는 단일 공진구조를 갖는다.
이때, 공진 각주파수를 구할 때 사용하는 재료의 질량(m)은 삽입한 금속판 또는 매쉬의 질량이 된다. 도 5에 도시된 바와 같은 단일 공진 구조를 가지고 음파 산란원(420)이 형성된 바디부재(410)를 여러 층 사용한 적층구조도 가능하다. 이때 이너 부재(421)로 삽입한 재료는 금속판 또는 메쉬 뿐만 아니라 주변 매질보다 밀도가 높은 재료도 사용이 가능하다.
도 6을 참고하면, 또 다른 실시예의 음향 차폐재(500)는 도 5에 도시된 음향 차폐재(400)에서 파생된 구조로서, 바디부재(510)가 음파 유전 상수가

인 매질로 형성되며, 음파 산란원(520)이 이격된 구조로 형성된다. 음향 차폐재(500)는 단일 공진 구조를 가지고, 음파 산란원(520)이 삽입된 바디부재(510)를 여러 층 사용한 적층구조도 가능하다.
음파 산란원(520)은 바디 부재(510)의 내부에 수평 방향으로 배치되고, 적어도 1곳 이상이 소정의 간격으로 이격되도록 형성된다.
도 7을 참고하면, 도 1에 도시된 음향 차폐재(100)가 변형된 실시예로서, 삽입된 음의 음파 유전 상수를 갖는 음파 산란원(620)들의 크기와 모양이 원통이나 구체가 아닌 다양한 형태의 크기를 갖도록 무작위적으로 혼합된 형태도 가능하다.
이때, 바디부재(610)의 복합 매질의 평균 유전율은 수학식 5와 같으며, x는 0<x<1의 범위의 값을 갖는다.

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본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100 ~ 600 : 음향 차폐재
110 ~ 610 : 바디부재
121, 421, 521 : 이너 부재
122, 422, 522 : 탄성층 또는 탄성체
120 ~ 620 : 음파 산란원

Claims (7)

1. 제1 밀도를 가지는 적어도 하나 이상의 이너(Inner) 부재;
   상기 이너 부재의 외주면을 탄성 재질로 기설정된 두께만큼 코팅하여 코팅층이 형성된 적어도 하나 이상의 음파 산란원; 및
   상기 제1 밀도보다 낮은 제2 밀도를 가지면서 스트로폼, 에폭시를 포함한 플라스틱 수지를 사용한 복합 재질의 매질로 형성되고, 상기 음파 산란원이 주기적으로 배열된 격자 형태를 갖는 제1 구조 또는 무작위적으로 혼합된 형태를 갖는 제2 구조 중 어느 하나의 구조로 배열되며, 특정 대역의 음파를 차단하도록 음파 유전 상수가 서로 다른 적어도 하나 이상의 매질로 다층 구조를 가지는 바디부재를 포함하는 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 이너 부재는 철, 구리, 알루미늄을 포함한 금속재질 또는 상기 제1 밀도를 가지는 세라믹 재질 중 어느 하나의 재질로 형성되고, 구체 또는 파이프 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 밀도는 2~20 비중을 가지는 것을 특징으로 하는 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 이너 부재의 반지름은 1㎜ ~ 50㎝ 범위 내에서 설정하고, 상기 코팅층의 두께는 1㎜ ~ 5㎝로 설정하는 것을 특징으로 하는 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 바디부재의 격자 주기는 0.5㎝ ~ 50㎝ 범위 내에서 설정하는 것을 특징으로 하는 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재.
   
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7. 제1항에 있어서,
   상기 코팅층은 실리콘, 고무를 포함한 탄성재질로 형성하는 방식, 금속판 또는 메쉬를 탄성재질로 형성하는 방식 중 어느 하나의 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 국소 공진 구조를 갖는 음향 차폐재.

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