KR101732067B1 - 달팽이관형 공명기 및 이를 이용한 소음기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공형상으로 형성되며, 일측면에 하나 이상의 입구가 형성된 몸체 및 상기 몸체의 입구에서 몸체의 내부로 긱 설정된 길이로 형성되되 들어갈수록 단면적이 작아지도록 형성되는 터널을 포함하는 달팽이관형 공명기 및 이를 이용한 소음기에 관한 것이다.

Description

달팽이관형 공명기 및 이를 이용한 소음기{SNAIL-SHELL TYPE RESONATOR AND SILENCER USING THE SAME}

본 발명은 달팽이관형 공명기 및 이를 이용한 소음기에 관한 것이다.

소음기는 유체가 이송되는 이송관을 통해 유체는 자유롭게 이송되지만 소리는 차단되도록 하는 구조물이다. 종래기술로는 헬름홀츠 공명기를 사용한 소음기가 있으며, 엔진, 컴프레샤, 브로어 등에서 발생하는 소리가 외부로 나오지 못하게 하는데 사용되고 있다. 그러나 특정 공명 주파수 근처에서 작동하는 헬름홀츠 공명기의 특성 때문에 부피가 크고 무거우며 넓은 주파수 대역에서 잘 작동하지 않는다는 문제가 있었다.

또 다른 종래의 공명기로서는 기 설정된 길이의 관을 들 수 있다. 헬름홀츠 공명기가 단일 주파수에서 공명을 일으키는 반면에 이 관 안에서는 여러 개의 주파수에서 정상파가 발생하며 정상파가 생기는 주파수는 공명 주파수로 볼 수 있으므로 기 설정된 길이의 관은 여러 개의 공명 주파수를 갖는 공명기라고 볼 수 있다.

따라서 기 설정된 길이의 관을 관형 공명기라고 부르기로 한다. 관형 공명기는 저주파에서 공명을 일으키기 위해서는 관의 길이가 길어야 하는데, 긴 관을 구불구불하게 형성하여 덩어리로 뭉쳐 놓은 경우라 할지라도 그 총 부피가 너무 크게 된다는 문제가 있다. 따라서 관형 공명기는 현재 소음기의 구성요소로서 널리 사용되고 있지는 않다.

본 발명에서는 상술한 바와 같은 헬름홀츠 공명기와 관형 공명기의 단점을 보완하는 새로운 공명기인 달팽이관형 공명기를 개시하고, 이를 이용한 소음기를 개시한다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 중공형상으로 형성되며, 일측면이 하나 이상의 입구가 형성된 몸체 및 상기 몸체의 입구에서 몸체의 내부로 기 설정된 길이로 형성되되 들어갈수록 단면적이 작아지도록 형성되는 달팽이관형 공명기 및 이를 이용한 소음기를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 달팽이관형 공명기는, 중공형상으로 형성되며, 일측면에 하나 이상의 입구가 형성된 몸체 및 상기 몸체의 입구에서 몸체의 내부로 기 설정된 길이로 형성되되 들어갈수록 단면적이 작아지도록 형성되는 터널을 포함할 수 있다.

상기 터널은, 달팽이관형(SPIRAL-TYPE), 지그재그형(ZIGZAG-TYPE), 미로형(MAZE-TYPE), 나선형(HELICAL-TYPE) 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합되어 형성될 수 있다.

상기 터널은, 하기 [수학식 1]을 만족하는 길이로 이루어질 수 있다.

[수학식 1]

(d는 터널의 총 길이, S₀는 터널에 형성된 하나 이상의 입구 단면적 합, V₀는 몸체의 부피)

상기 몸체의 입구 또는 상기 터널의 내부에 구비되며, 직물, 금속, 플라스틱, 섬유, 솜 및 나무 중 어느 하나 이상으로 이루어진 음향감쇄수단을 더 포함할 수 있다.

다수개의 상기 달팽이관형 공명기를 이용하여 소음기를 형성하되 그 입구가 소음기의 내부를 향하도록 형성할 수 있다.

본 발명의 소음기는, 달팽이관형 공명기를 하나 이상 포함한다.

또한, 다수 개의 달팽이형 공명기는, 상기 몸체의 내부로 들어갈수록 단면적이 작아지는 터널의 단면적 감소계수가 서로 다른 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 감소계수를 서로 다르게 구성한 달팽이관형 공명기는, 상기 소음기의 덕트 주위에 방사형으로 배열되거나 덕트를 따라 선형으로 배열되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 달팽이관형 공명기는, 중공형상으로 형성되며, 일측면에 하나 이상의 입구가 형성된 몸체 및 상기 몸체의 입구에서 몸체의 내부로 기 설정된 길이로 형성되되 들어갈수록 단면적이 작아지도록 형성되는 터널을 포함하며, 광대역용 소음기에 사용하기에 적합한 특성을 갖는 새로운 공명기이다.

또한, 본 발명의 소음기는 다수 개의 달팽이형 공명기를 포함하되, 몸체의 내부로 들어갈수록 단면적이 작아지는 터널의 단면적 감소계수가 서로 다른 달팽이형 공명기로 이루어짐으로써, 소음기의 덕트를 통과하는 음파의 광대역 주파수 대역에서 음파를 차단시킬 수 있어 종래의 헬름홀츠 공명기를 이용한 경우 보다 성능이 향상된 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 구현 예에 따른 달팽이관형 공명기를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제2 구현 예에 따른 달팽이관형 공명기를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제3 구현 예에 따른 달팽이관형 공명기를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제4 구현 예에 따른 달팽이관형 공명기를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 달팽이관형 공명기를 이용한 구조물의 일 실시 예인 소음기의 구조 및 원리를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 달팽이관형 공명기를 이용한 소음기의 다른 실시 예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 달팽이관형 공명기를 이용한 소음기의 또 다른 실시 예를 도시한 것이다.

본 발명자들은 소라 혹은 달팽이 껍질에 귀에 댔을 때 귀를 통해 감지되는 특수한 효과가 왜 생기는지에 관심을 가지고 연구하여, 그 이유가 내부에 나선형으로 형성된 터널의 단면적이 점차적으로 줄어드는 데에 기인한다는 것을 알게 되었다. 그 다음에는 단면적이 점차적으로 줄어드는 터널의 음향적, 구조적 특징을 연구한 바, 셀 몸체와, 상기 셀 몸체의 표면에 형성된 입구와, 상기 입구에서 시작하여, 상기 몸체 안으로 나선형 혹은 구불구불한 형태로 형성되며, 안으로 들어갈수록 그 단면적이 점차적으로 줄어드는 터널로 구성되는 달팽이관형 구조물을 이용하여 효율적인 공명기를 제작하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.

내부 단면적이 점차적으로 줄어드는 터널의 대표적 예로서 지수 호른(exponential horn)을 들 수 있는데, 이것은 입구의 단면적이 S₀이고 입구로부터의 거리 x 지점의 단면적 S(x)가, 지수함수 S(x) = S₀ exp(-ax)에 따라 감소하는 터널이다[Blackstock]. 상기의 지수함수에서 a는 단면적 감소계수라 하는데, 이것이 클수록 터널은 빠르게 좁아지는데, 터널 내부의 단면적은 입구로부터의 거리 x가 (1n2)/a 만큼 증가할 때마다 반씩 줄어든다. 이와 같은 특성에 의해서 상기 터널의 길이가 매우 긴 경우에도 터널 내부의 총 체적은 V=S₀/a 보다 작은 값을 갖는다는 것을 간단히 계산을 통해 확인하였는데, 이 특성은 단면적이 같은 관형 공명기의 경우 너무 부피를 많이 차지한다는 문제점을 극복하는 것이다. 본 발명의 갈수록 단면적이 줄어드는 터널은 나선형으로 혹은 구불구불하게 형성함으로써 공명기 내부의 작은 공간 안에 수용할 수 있는 것이다.

상기 터널이 입구에서 거리가 d 인 곳에서 끝난 경우를 고려해 보자. 터널의 단면적이 S₀인 입구에서 시작해서 S(x) = S₀ exp(-ax)의 함수에 따라 점차적으로 줄어들다가 거리가 d인 지점에서, 단면적이 S(d) = S₀ exp(-ad) 되었을 때, 터널이 더 이상 연장되지 않고 끝난 경우, 터널의 총 길이는 d가 되며, 입구에서 입사한 음파는 터널을 따라 안으로 진행하다가 끝에 이르면 그곳에서 반사되어 입구 쪽으로 되돌아 나오게 된다. 그런데, 음파는 터널 안에서 끝까지 갔다가 반사된 후 다시 나오는 과정 중에 점성 마찰에 의해 감쇄되어 약해지는데 그 이유는 터널이 나선형 혹은 구불구불한 형태로 형성되어 있다는 것과 터널 끝 근처에서는 단면적이 매우 작다는 것과 터널이 길다는 세 가지 요인에 의해서이다. 따라서 본 발명의 달팽이관형 공명기의 특성은, 총 길이가 길고 반사파의 진폭이 입사파의 그것에 비해 작아진다는 사실로 인해서 헬름홀츠 공명기나 관형 공명기와는 그 공명특성이 구별되는 특별하고 새로운 종류의 것임을 발견하였다.

달팽이관형 공명기의 중요한 특성은, 단면적이 점차적으로 줄어드는 터널의 입구로 입사한 모든 주파수의 음파가 다 입구를 통과하여 안으로 전파되어 가는 것이 아니라, 터널의 구조에 의해서 결정되는 차단주파수 fc보다 높은 주파수의 음파만이 안으로 들어가고, 그보다 낮은 주파수의 음파는 터널 내부에서 진행하지 못하므로 입구에서 반사되어 나오게 된다는 것이다. 차단주파수 fc는 터널의 단면적 감소율에 의해서 결정된다. 지수함수적으로 단면적이 줄어드는 터널의 차단주파수는 단면적 감소계수 a에 의해서 결정되며, 터널이 상온의 공기로 차있고, 거리 x의 단위가 미터(m)인 경우, 차단주파수는 대략 수식 fc=27a [Hz] 을 따라 주어진다[Blackstock "fundamentals of physical acoustics"]. 예를 들면, a=4이면 차단주파수는 대략 108 Hz이고 a=1이면 fc는 대략 27 Hz이다.

달팽이관형 공명기의 차단주파수가 낮을수록 더 바람직한 경우가 있다. 그러나 터널의 총 체적이 V=S₀/a로 주어지므로, 낮은 감소계수를 선택한다는 것은 달팽이관형 공명기의 부피가 커진다는 것을 의미하며, 소음기를 포함한 달팽이관형 공명기를 이용한 구조물의 부피와 무게가 증가함을 의미한다.

본 발명의 달팽이관형 공명기를 구성하는 터널의 단면적이 줄어드는 방법은 여러 가지가 가능하다. 지수 호른의 형태 외에도 원뿔 호른(conical horn), 혹은 다른 양상으로 단면적이 줄어드는 터널을 사용해도 근본적인 효과는 같을 수 있다. 심지어는, 터널 단면적이 짧은 구간에서 증가했다 감소하는 것을 반복한다 해도 긴 구간에서 볼 때 감소하기만 한다면 무방하다. 터널 단면적이 줄어드는 국소적인 양상이 무엇이든 상관없이, 전 구간에 걸친 터널의 단면적이 줄어드는 율에 대한 지표는, 상기 몸체의 부피 V₀를 터널입구의 단면적 S₀로 나눈 값 (V₀/S₀)에 비해서 터널의 총 길이 d가 몇 배 더 긴가이다. 차단 주파수가 낮으려면 단면적이 줄어드는 율이 작아야 한다. 단면적이 줄어드는 율이 작을수록 터널의 총 길이 d가 (V₀/S₀)에 비해서 더 길다. 일반적으로, d가 V₀/S₀의 두 배 이상 (d > 2V₀/S₀)이면 바람직하고, 네배 이상이면 더욱 바람직하고, 10배 이상이면 가장 바람직하나, 여기에 한정하지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 달팽이관형 공명기(100)는 외곽을 형성하는 몸체(10)와 상기 몸체의 표면에 형성된 입구(20)와 상기 몸체 안에 달팽이관형(SPIRAL-TYPE)으로 형성되며, 안으로 들어갈수록 그 단면적이 점차적으로 줄어드는 터널(30)을 포함하여 형성된다. 달팽이관형 공명기의 근본적인 구조는 도 1에 보인 바와 같이 달팽이관이며, 본 발명의 명칭은 이에 기인한 것이다.

도 2에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 달팽이관형 공명기(100)는 외곽을 형성하는 몸체(10), 입구(20), 그리고 구불구불한 미로형(MAZE-TYPE)으로 형성되며 단면적이 점차적으로 작아지는 터널(30)을 포함하여 형성될 수 있다.

도 3에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 달팽이관형 공명기(100)는 외곽을 형성하는 몸체(10), 입구(20), 그리고 나선형(HELICAL-TYPE)으로 형성되며 내부 단면적이 점차적으로 작아지는 터널(30)을 포함하여 형성된다. 본 발명의 달팽이관형 공명기(100)의 나선형 터널은 점점 피치가 줄어드는 나선형의 칸막이(15)를 포함하여 구성될 수 있다. 몸체의 모양은 원형(3A), 육각형(3B), 사각형(3C)인 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않는다.

한편, 본 발명에 따른 달팽이관형 공명기(100)는, 몸체의 입구 혹은 터널 내부에 직물, 금속, 플라스틱, 섬유, 솜, 나무 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어져 구비된 음향감쇄수단을 더 포함할 수 있다.

이러한, 음향감쇄수단에 대해 도 4A를 참조하여 설명하면, 입구에 직물이나 부직포 혹은 매우 작은 구멍이 다수 개 형성된 다공성 판과 같이 형성된 저항부재(50)를 포함할 수 있다.

또한, 음향감쇄수단은 도 4B를 참조하면, 음파를 추가적으로 감쇄하기 위해서 터널(30) 안에 점성 마찰을 일으키는 다수 개의 판(51)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 판(51)은 구멍이 다수 형성될 수도 있다.

또한, 음향감쇄수단은 도 4C에 도시된 바와 같이, 터널(30) 안에 발포재 혹은 솜과 같은 흡음재(52)를 더 포함할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 달팽이관형 공명기(100)는, 음향감쇄수단(50, 51, 52)이 하나 이상의 재질 또는 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에 설명한 실시 예에 한정하지 않는다.

도 5A에는 본 발명의 달팽이관형 공명기(100)를 이용한 소음기의 원리를 도시하였다. 이 소음기는, 통과시키고자 하는 유체가 통과하는 덕트(300)와 그 입구(20)가 상기 덕트의 내부로 열리도록(향하도록) 배열된 다수 개의 달팽이관형 공명기(100)를 포함하여 형성된다.

달팽이관형 공명기가 없는 단순 덕트의 경우에 그 전기적 등가회로는 도 5B에 도시한 바와 같이 직렬 인덕터 L₀와 병렬 커패시터 C₀로만 구성되어 있지만, 달팽이관형 공명기가 추가로 배열되면 그 등가회로가 도 5C에 도시한 바와 같이 병렬 연결된 Z_cell이 추가된다[Blackstock "fundamentals of physical acoustics"]. 병렬 연결된 Z_cell의 값은 주파수에 따라 변하는데, 차단 주파수 fc 이상에서는 저항의 임피던스를 갖고, 그 이하에서는 커패시터의 임피던스를 갖는다[Blackstock "fundamentals of physical acoustics]. Z_cell이 저항의 임피던스를 가지면 파동은 덕트를 진행하는 동안 감쇄되어 없어지고, 커패시터의 임피던스를 가지면 감쇄되지 않는다. 따라서, 도 5A에 도시한 구조로 형성된 소음기는 차단주파수 fc이상 되는 주파수의 소리는 차단하고 그 이하의 저음은 차단하지 못한다는 것을 알 수 있다.

차단주파수 이상의 모든 주파수에서 작동하는 본 발명의 소음기는 종래기술의 소음기에 비해서 훨씬 넓은 작동 주파수 대역을 갖는다. 작동 주파수를 더욱 넓혀서 저주파 영역까지 포함할 필요가 있을 경우에는 단면적 감소계수 a를 줄이면 된다. 그러나 단면적 감소계수 a를 줄이면 공명기의 부피가 커지고 이에 따라 본 발명의 소음기의 부피도 커진다. 이 문제를 해결하기 위해서 몸체의 내부로 들어갈수록 단면적인 작아지는 터널의 단면적 감소계수가 서로 다른 몇 개의 달팽이관형 공명기(100)를 섞어서 사용하는 것이 바람직하다.

도 6에는 소음기의 구조를 도시한 것으로, 원통형 덕트(300)의 둘레에 단면적 감소계수가 서로 다른 몇 개의 달팽이관형 공명기(100)를 섞어서 방사형으로 배열하여 이루어진 단위섹션(150)을 포함한다.

또한, 다수개의 단위섹션(150)은, 원통형 덕트(300)의 축방향으로 배열될 수 있으며, 각각의 단위섹션(150)에 방사형으로 배열된 달팽이관형 공명기(100)의 단면적 감소계수는 서로 다르게 이루어질 수 있다.

이러한, 소음기는, 원통형 덕트(300)의 축방향으로 통과되는 음파의 광대역 주파수 대역에서 음파를 차단시킬 수 있다.

도 7에는 몸체의 내부로 들어갈수록 단면적이 작아지는 터널의 단면적 감소계수가 서로 다른 달팽이관형 공명기(100)를 덕트(300)를 따라 선형적으로 배열하여 소음기를 구성하는 실시예를 도시하였다.

덕트를 따라 전파되는 음파는 각 달팽이형 공명기를 지날 때에 해당 주파수의 성분이 차단되므로 이 실시예의 소음기는 광대역의 주파수 대역에서 효율적으로 작동한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 몸체 15: 나선형 칸막이
20: 입구 30: 터널
50: 저항부재 51: 판
52: 흡음재 100: 공명기
150: 단위 섹션 300: 덕트

Claims (7)

1. 중공형상으로 형성되며, 일측면에 하나 이상의 입구가 형성된 몸체; 및
   상기 몸체의 입구에서 몸체의 내부로 기 설정된 길이로 형성되되 들어갈수록 단면적이 작아지고 피치가 줄어들도록 형성되는 터널;을 포함하고,
   상기 터널의 x 지점에서의 단면적 S(x)는 S(x) = S₀ exp(-ax)를 만족하는 것을 특징으로 하는 달팽이관형 공명기.
   (a는 단면적 감소계수 So/V 이며, V는 터널 내부의 총 체적, So는 입구 단면적)
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 터널은, 하기 [수학식 1]을 만족하는 길이로 이루어진 것을 특징으로 하는 달팽이관형 공명기.
   [수학식 1]
   

   

   
   (d는 터널의 총 길이, S₀는 터널에 형성된 하나 이상의 입구 단면적 합, V₀는 몸체의 부피)
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 몸체의 입구 또는 상기 터널의 내부에 구비되며, 직물, 금속, 플라스틱, 섬유, 솜 및 나무 중 어느 하나 이상으로 이루어진 음향감쇄수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 달팽이관형 공명기.
   
5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항의 달팽이관형 공명기를 하나 이상 포함하는 소음기.
   
6. 제 5항에 있어서,
   다수 개의 달팽이형 공명기는, 상기 몸체의 내부로 들어갈수록 단면적이 작아지는 터널의 감소계수가 서로 다른 것을 특징으로 하는 소음기.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 감소계수가 서로 다른 달팽이관형 공명기는, 상기 소음기의 덕트 주위에 방사형으로 배열되거나 덕트를 따라 선형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 소음기.

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